高温后混凝土断裂性能的试验研究及有限元分析.pdf

2 0 1 2年 第 8期 ( 总 第 2 7 4期 ) Nu mb e r 8 in 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 0 4 高温后混凝土断裂性能的试验研究及有限元分析 魏亮亮，陆洲导，俞可权，余江滔 ( 同济大学 结构工程与防灾研究所，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 对高温后混凝土I 型断裂性能进行了试验研究。 设置2 0 6 0 0共 1 O 组温度， 采用楔入劈拉法测得高温后试件荷载一 裂缝张开V I 位移( P - c Mo D ) 全曲线并记录各温度下混凝土试件烧失量W 。 基于试验结果 ， 计算各温度下试件断裂韧度 、 断裂能G 和特征长度 ， 并 分别和烧失量 ” 建立关系。 研究表明三者随烧失量变化的趋势一致， 说明可以用烧失量来体现高温下混凝土的断裂性能。 利用 A B A Q U S 有限元软件对试件的断裂过程进行模拟， 得到各个温度下的P C MO D曲线并与试验结果对比来验证模型的合理性。 关键词： 高温；烧失量 ；断裂韧度；断裂能；特征长度；有限元模拟 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 1 0 0 4 T e s t stu d y a n d fin i t e e l e me n t a n a l y s i s o f r e s i d u a l f r a c t u r e b e h a v io r s o f c o n c r e t e s u b j e ct t o e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s W EI Li a n g- l i a n g， LU Zh ou - d a o， YU Kc q u a rt， YU J i a n g - t a o ( R e s e a r c hI n s t i t u t eo f S t r u c t u r a l E n g in e e r i n g a n d Di s a s t e r R e d u c t i o n ， T o n i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2， C h i n a ) Ab s t r a ct： T h e i n v e s t i g a t i o n s o n t h e r e s i d u a l Mo d e I f r a c t u r e b e h a v i o r s o f c o n c r e t e s u b j e c t t o e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s w e r e c a r r i e d o u t Th e we d g e s p l i a i n g me t h o d wa s e mp l o y e d t o o b t a i n t h e L o a d - C MOD ( c r a c k mo u t h o p e n i n g d i s p l a c e me n t ) c u r v e s o f p o s t f i r e s p e c ime n s wh i c h we r e e x p o s u r e t o t e mp e r a t u r e s v a r n g fr o m 2 0 t o 6 0 0 ， f u r t h e r mo re， the we i ght l o s s e s o f a l l t h e s p e c i me n s we r e r e c o r d e d B a s e d o n the t e s t r e s u l t s ， the fr a c t u r et o u g h n e s s ， f r a c t u r e e n e r g y G F a n d c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h w e r e c a l c u l a t e dandt h e i r r e l a t i o n s h i p s wi th we i g h t l o s s W we r e e s t a b l i s h e d The s t u d y r e v e a l e d tha t ， G F and e x p e r i e n c e a s a me t e n d e n c y a S t e mp e r a t u r e c h a n g e s w h i c h i n d i c a t e s w e i ght l o s s h a s the fu n c t i o n t o b e the i n d e x o f r e s i d u a l fr a c t u r e b e h a v i o r s o f c o n c r e t e s u b j e c t t o e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s T h e fi n i t e e l e me n t s o t w a r e A BA Q US we r e a d o p t e d to s imu l a t e the fra c t u r e p r o c e s s o f s p i c e me n t s fro m wh i c h P - CMOD c u r v e u n d e r d i f f e r e n t t e mp e r a t ur e s we r e o b t a i n e d， the c o mp u t i n g r e s ul t s s h o we d a g o o d a g r e e me n t wi m t h e t e s t d a ta Kmwor d s ： e l e v a t e dt e mp e r a t u r e s ； wi g h t l o s s ； f r a c t u r et o u g h n e s s ； fra c t u r e e n e r gy ； c h a r a c t e ris t i cl e n g t h； f i ni t e e l e me n t s i mu l a t i o n 0 引言 因为具有良好的抗压强度和耐久性， 混凝土被广泛用于建 筑工程中。 即使对于某些要求高温的工作环境的工程， 如烟囱或 核电站等， 混凝土仍然被大量地使用。 研究表明， 在高温下或高 温后混凝土的化学成分 、 物理性能以及力学性能都发生了巨大 的变化。 必须指出的是， 目前关于高温或高温后混凝土力学性能 的研究多集中于抗压强度和弹性模量等基础指标上 ， 对于抗拉 或抗断裂的性能 ， 国内外的研究成果相对较少， 因此， 了解混凝 土的高温断裂性能具有一定的意义。 B a z a n t a n d P mt 采用三点弯曲梁和偏心受压法对四种形 状相似而尺寸不同的混凝土试件进行了高温中的断裂试验 ， 发 现混凝土I 型断裂能随着温度的上升而单调下降， 并验证了高温 下断裂性能尺寸效应的存在。 相反的， G B a k e r t 1 研究不同冷却 制度下混凝土断裂能值 ， 结果表明： 在温度达到 3 0 0前 ， 高温 后混凝土断裂能值随温度上升而增加， 其后断裂能值迅速下降， 而不同冷却制度对高温后断裂能值没有明显影响。 B z h a n g 、 N B i c a n i c le 认为混凝土在高温条件下的烧失量与 其脆性有很大的关系， 并通过三点弯曲梁试验进行验证。 试验结 果表明温度越高， 烧失量越大， 混凝土的脆性下降； 加热时间越 长， 烧失量越大， 混凝土的脆性将下降。 最后笔者从混凝土中3 种 不同存在形式的水( 毛细水、 凝胶水、 结合水) 的特点进行分析， 认为凝胶水的丧失与混凝土的脆性关系最为密切。 C V Ni e l s e n 、 NB i c a n i c r 0 对普通混凝土和高性能混凝土在高 温后的断裂能值也进行了研究， 得到与 B z h a n g等人相同的结 论 ： 即当温度在 3 0 0 - - 4 0 0之间时， 高温后混凝土断裂能值比常 温断裂能值提高 5 0 ， 且试件延性得到明显提升； 断裂能上升的 主要原因是混凝土经历高温后出现较多的微裂缝 ， 微裂缝在断 裂过程中吸收能量， 从而使得测定的断裂能值偏高， 同时混凝土 试件体现出较大的延性。 在国内， 高温后混凝土断裂性能的研究 起步较晚， 研究烧失量与断裂性能关系的试验研究甚少。 本研究结合国内外已有研究成果 ， 采用楔入劈拉法对高温 后混凝土试件的断裂性能进行研究， 以期得到其断裂性能相关 参数随烧失量变化的规律。 分析认为高温下混凝土的烧失量主 要是其本身水分含量的变化引起 ， 这包括了物理和化学的变化， 即烧失量能在一定程度上反映高温下混凝土内部组成成分的 变化也就可以在一定程度上反映混凝土在高温下的断裂性能。 基于试验测得的数据， 本研究建立了 A B AQ US有限元模型来 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 2 2 0 基金项目：国 家自 然科学基( 5 1 0 0 8 2 3 5 ) ； 土 禾工程防 灾国 家重点实 验( S L D R C E 0 9 D 。 0 2 ) 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 模拟试件在不同温度下的开裂过程， 得到不同温度下的 P C MOD 全曲线 ， 并与试验得到的全曲线对比来比较模型的合理陛。 1 试 验 概 况 依据 DL T 5 3 3 2 B2 0 0 5 ( 水工混凝土断裂试验规程 的规 定， 试验共制作混凝土试件 5 0 个 ， 具体尺寸如图 1 所示。 采用 电炉对混凝土试件进行加热处理， 温度分别为 2 0 、 6 5 、 1 2 0 、 2 0 0 、 3 0 0 、 3 5 0 、 4 0 0 、 4 5 0 、 5 0 0 、 6 0 0共 1 0 组。 高温冷却后， 采用楔入劈 拉法2 】 取得试件的荷载一 裂缝开 口位移( P C MOD) 曲线并记录 各个温度下烧失量 1 1) 。 加载过程如图2所示。 P 一 | 一 I 图 1 试件几何形式 ( 单位 ： mm) 图 2 高温后混凝土试件试验现象 2 试验结果及分析 2 1 试 验数 据 处理 2 1 1 试验位移一 荷载曲线 图 3显示各温度下典型试件的 P C MO D曲线。 从图 3可 以看出， 随着温度的上升， 尸 眦 明显下降， 而对应的 C MO Dc 则 显著上升。 当温度由低到高变化时， 位移一 荷载曲线( P C MO D) 上升与下降段斜率明显由陡逐渐变缓， 说明混凝土试件在遭受 高温后本身延性有较大提高。 CM OD ra m 图 3 各温度下典型试件的 P CMOD曲线 2 1 2 断裂参数 从试验中得到不 同温度下烧失量 的数据并参考我 国 DL T 5 3 3 2 -2 0 0 5 ( 水工混凝土断裂试验规程 主要考虑了3 个 断裂参数： 断裂韧度 、 断裂能 G 和特征长度 。 它们的值分 别采用文献 2 中相应的公式计算， 得到如表 1 数值。 表 1 断裂参数 2 2 试验 结果 分析 ， 2 2 1 烧失量和温度 图4描述了试件烧失量 与温度 的关系。 试件烧失量 随温度变化经历了三个阶段。 当温度未超过 2 0 0， 试件内部 的水分散失主要是由于毛细水的快速蒸发引起的； 当试件历经 温度在 2 0 0 ,-4 5 0之间， 混凝土内部凝胶水开始缓慢蒸发， 该阶 段烧失量增长缓慢 ； 当试件温度温度处于 4 5 0 6 0 0之间， 烧 失量主要是混凝土水泥砂浆和骨料中的化学成分在高温下分 解导致 的。 l 0 8 2 0 200 400 6O 0 温度 ， 图 4 烧失量与温度的关 系 2 2 2 烧失量和断裂韧度 图 5 描述了试件烧失量和断裂韧度的关系。 混凝土的断裂韧 度是其抵抗裂缝扩展的能力。 断裂韧度与烧失量的关系历经“ 保持 不变一 上升一 下降” 的一个过程。 当烧失量小于 7 ( 2 0 2 0 0) ， 试件的烧失量迅速增加并未对其极限抵抗裂缝的能力未有较 大影响。 而当烧失量在 7 8 之间时( 2 0 0 ,- -4 5 0) ， 由于水分 散失引起的混凝土进一步水化在某种程度上增强了骨料与砂 浆之间的黏结作用， 并且在此阶段众多的细微裂缝有助于整体 混凝土试件极限抗裂能力即 ： 断裂韧度的提高。 当烧失量大于 8 ( 4 5 0 6 0 0) ， 砂浆中化合物质的分解导致混凝土损伤严重 ， 整体试件抗裂能力下降。 烧失量 ， 图 5 烧失量与断裂韧度的关系 2 2 - 3 烧失量和断裂能 图 6描述了试件烧失量和断裂能的关系。 断裂能 G 是产 生单位面积的裂缝时所需消耗的平均能量， 并定义与平行于主 l 1 0O0 00O 0O 如 加如 蚰 4 ： l l 6 5 4 3 2 1 O 至 、 锯惺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕 邑 、 鉴 烧 失量 ， 图 6 烧失量 与断裂能的关 系 裂缝方向的平面中的投影面积为裂缝面积。 由图 6可知当烧失量未超过 7 时( 2 0 2 0 0) ， 试件断裂 能没有明显变化； 烧失量在 7 D 8 之间时( 2 0 0 - 4 5 0) ， 断裂能 随烧失量的增长而急剧上升； 当烧失量大于8 时( 4 5 0 ,- ,6 0 0) ， 断裂能随烧失量上升而迅速下降。 2 2 4 烧失量和特征长度 脆性是材料在外力作用下( 如拉伸、 冲击等) 仅产生很小的 变形即断裂破坏的性质。 文献【 6 】 用特征长度来表征混凝土的脆 性， 特征长度是一个集强度、 刚度和能量值的综合断裂指标， 其 值越大则脆性越低韧性越好。 文献【 6 】 提出的计算公式为： z ( 1 ) 靠 式中： G ， 试件断裂能； 试件弹性模量； 混凝土的抗拉强度。 图 7表达了试件烧失量和特征长度的关系。 其变化规律与 2 2 2节中烧失量与断裂韧度的变化规律一致， 且两者原因相近， 此处不再累述 。 目 越 婆 烧 矢 量 ， 图 7 烧失量与特征长度的关 系 3 有限元模拟 3 1 模 拟过 程概 述 有限元分析越来越成为分析实际问题的有效工具。 本研究 采用 AB AQ US有限元程序分析， 采用平面应力单元进行建模。 试件中部的裂缝采用黏聚单元进行模拟， 模型在裂缝两端 施加由几何关系转换得到的集中力以模拟试验中施加的竖向 力。 根据试验测得的断裂能、 混凝土弹性模量等数据定义混凝土 材性 ， 采用 Ma x P e 作为混凝土开裂准则。 模型及其开裂情况如 图 8所示 。 3 2模 拟 结果 与试验 比较 根据模拟整个开裂过程得到的力一 位移关系， 得到 P C MO D 曲线 ， 并与试验得到的实际 P C MO D曲线进行比较 ， 结果如 图 9 1 4所示 。 表 2对开裂过程中峰值力 及其对应的C MO Dc 的试验 值和有限元模拟值进行对比。 结果表明各个温度下模拟值与试 验值吻合较好， 从而验证了本研究模型的合理性。 1 2 图 8 AB A QU S有限元模型 开裂模拟 0 1 2 3 4 CM OD ram 圉 1 O 2 O模拟结果 曲线图 3 Z 2 铺 枨 1 1 2 3 4 CMOD ram 图 1 1 1 2 0模拟结果 曲线图 O 1 2 3 4 CMOD ram 图 1 2 3 0 0模拟结果 曲线图 CMOD ram 图 1 3 4 5 0模拟结果 曲线图 5 4 3 2 1 O 蚤 鞯 稼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m C M o D mm 图 1 4 6 0 0模拟结 果曲线 图 表 2 峰值力 尸 及其相应 CMODc的有限元与试 验的结果对 比 4结 论 本试验依据DL T 5 3 3 2 -2 0 0 5 水工混凝土断裂试验规程 ， 采用楔人劈拉法研究高温后混凝土试件的断裂性能， 设置 2 5 6 0 0共 1 0 组温度，采用 A B AQ US有限元软件对试件的断裂 过程进行模拟。通过以上工作， 可得到如下结论： ( 1 ) 混凝土试件烧失量 随温度存在 3个变化阶段 ， 不同 温度下水分散失的来源不同。 ( 2 ) 试验测得位移荷载全曲线( P C M0 ， 计算得到试件的 断裂韧度 、 断裂能 G 和特征长度 。 结果表明 、 G 、 的最 大值较常温时分别提高 8 5 4 ， 提高 3 6 7 ， 提高 3 6 4 ； 6 0 0 时 较常温时提高 6 6 ， G 下降 3 5 ， 则提高 1 8 8 。 ( 3 ) 研究表明试件 K 、 G 、 随烧失量的增加均存在 3个变 上接第 9页 4 G AO P e i - w e i Mi c rus t r u e t u r e a n d p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e mi x e d w j 出 s u p e rf i n e p h o s p h o r o u s s l a g a n d s u p e r p l a s t i c i z e r J C o n s t r u c t i o n and B u i - l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 8 ( 2 2 ) ： 8 3 7 8 4 0 5 】N I L 1 M， Z A H E R I MD e i c e r s alt - s c a l i n g r e s i s t a n c e o f n o n - a ir - e n t r a i n e d r o l l e r c o m p a c t e d c o n c r e t e p a v e m e n t s J C o n s t ruc t i o n a n d Ma t e ri als ， 2 0 1 0， 4 ( 3 )： 2 0 2 8 【 6 高培伟， 吴中如掺膨胀剂后碾压混凝土的抗冻特性的研究【 J 】 河海 大学学报， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 8 6 1 8 9 【 7 】GI E R G I C Z N Y Z ， MI C H AL A A i r v o i d s y s t e m and f r o s t - s alt s c a l i n g o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g s l a g b l e n d e d c e me n t J J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 2 4 5 1 2 4 5 6 【 8 】张国强 混凝土抗盐冻研究【 D 北京： 清华大学， 2 0 0 5 f 9 】G A O P e i - w e i P r o d u c t i o n o f Mg O - t y p e e x p ans i v e a g e n t i n d a m c o n c r e t e b y u s e o f i n d u s t ri al b y p r o d u c t s 叨 B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ， 2 0 0 8 ， 4 3 ( 4 ) ： 4 5 3 4 5 7 1 0 1 李辉 寒区水泥混凝土路面抗盐冻破坏的研究 J 工程论坛 ， 2 0 0 5 ( 1 2 ) ： 1 6 0 化阶段， 即： 保持不变一 上升一 下降， 表明烧失量可以作为混凝土 高温后断裂性能的指标。 ( 4 ) 采用 A B AQ US有限元软件对混凝土试件的断裂全过 程进行模拟， 模拟得到的峰值力尸 l眦及其对应的 C MOD c 与试验 值吻合较好， 从而验证本有限元模型的合理性。 参考文献 ： 1 1 R I L E M D r a f t R e c o m me n d a t i o n( 5 0 - F C M) D e t e r mi n a t i o n o f t h e f r a c t u r e e n e r g y o f mo r t a r and c o n c r e t e b y me a n s o f t h r e e p o i n t b e n d t e s t s o n n o t c h e d b e a m8 【 J 】 Ma t e ri a l s a n d s t r u c t u r e s ， 1 9 8 5 ， 1 8 ( 1 0 6 ) ： 2 8 5 2 9 0 【 2 D I r 5 3 3 2 -2 0 0 5 ， 水 工混凝土断裂试 删 【 s 】 2 0 0 5 3 】B E L Y T S C HK O T， B L A C K T E l a s t i c c r a c k g r o w t h i n f i n i t e e l e me n t s w i t h mi n i m a l r e me s h i n g J I n t J N u m b e r Me t h o d s E n g r g ， 1 9 9 9 ( 4 5 ) ： 6 01 - 6 2 0 f 4 】B A Z A N T Z P ， P R A T P C E f f e c t o f t e m p e r a t u r e s a n d h u mi d i t y o n t h e f r a c t u r e e n e r g y o f c o n c r e t e J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l s ， 1 9 8 8 ， 8 5( 4 ) ： 2 6 2 5 】B AK ER G T h e e f f e c t o f e x p o s u r e t o e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s o n t h e f r a c t u r e e n e r g y o f p l a i n c o n c r e t e J R I L E MMa t e ri als andS t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 9 0 ) ： 3 8 3 【 6 】Z H A N G B i n - s h e n g ， B I C A N I C N， C H R I S T O P H E R J ， e t a1 R e l a t i o n s h ! p b e t w e e n b r i t tl e n e s s and m o i s t u r e l o s s o f c o n c ro t e e x p o s e d t o h i g h t e m - p e r a t u r e s L 玎 C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 1 2 3 【 7 】NI E L S E N C V， B I C A N I C N R e s i d u a l f r a c t u r e e n e r gy o f h i g h - p e r f o r - m a n c e a n d n o r ma l c o n c r e t e s u b j e c t t o h i g h t e mper a t u r e s J R I L E M Ma t e r i a l s and S t r u c t u r e s ， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 2 6 2 ) ： 5 1 5 【 8 余江滔 火灾后混凝土构 - -N伤评估的试验及理论研究【 D 】 上海： 同 济大学 ， 2 0 0 7 作者简介 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 魏亮亮( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生。 上海市四平路 1 2 3 9 号 同济大学结构工程与防灾研究所 ( 2 0 0 0 9 2 ) 1 8 8 Ol 7 6 8 9 7 3 1 1 G AO P e i - w e i S h rin k age e x p ans i v e s t r a i n o f c o n c r e t e w j t l l f l y ash a n d e x p a n s i v e age n t J J o u r n a l o f Wu h a n U n iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma t e ri als S c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 5 0 1 5 3 1 2 1 张辉 ， 高培伟， 石南南 混凝土气泡特征参数测试方法研究田 红水 河， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 0 5 3 【 1 3 P A C K S W ， J UN G M S P r e d i c t i o n o f t i me d e p e n d e n t c h l o ri d e t r ans por t i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s e x p o s e d t o a ma r i n e e n v i ron me n t J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 O 1 0 ， 4 0 ( 2 ) ： 3 0 2 3 1 2 1 4 P I G E ON M， MA R C HA N D J ， P L E A U R F r o s t r e s i s t ant c o n c r e t e J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 1 9 9 6 ， 1 0 ( 5 ) ： 3 3 9 3 4 8 作者简介： 沈化荣( 1 9 6 5 一 ) ， 女， 副教授， 研究方向： 路面结构设计与路 用材料l生 能。 联系地址： 江苏省淮安市北京北路 8 9 号 淮阴工学院建筑工程学院 ( 2 2 3 0 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 8 6 1 5 7 5 5 6 8 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m