高温后混凝土断裂性能研究.pdf
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1、第 1 5 卷第 6 期 2 0 1 2年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATE RI ALS VoI 1 5, NO 6 De c 。 2 O1 2 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 8 3 6 0 6 吉 日 同皿 后 混凝 土断裂性能研 究 陆洲导 , 俞 可权 ( 1 同济大学 结构工程与防灾研究所 , 上海 , 苏 磊 , 林 成 乐 2 0 0 0 9 2 ;2 四川 I 省 建筑设 计 院 ,四川 I成都 6 1 0 0 1 7 ) 摘 要 :基 于双 K 断 裂韧度 准则 , 对 高温后
2、混凝 土 I型 断裂性 能进行 试验研 究 , 得到 了历 经 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 高温后 混 凝 土试件 的烧 失 量 叫 采 用楔 入 劈拉 法测 得 高温后 试 件荷载一 裂缝开口位移( P C MOD) 全曲线, 并据此计算出相应温度 下混凝土试件 的起裂韧度 K 、 失稳韧度 K 、 断裂能 G 以及特征 长度值 z 。 结果表明 :随着受火温度 的上升 , K。 i 单调 下降, 而 K Gr变化趋 势 为“ 保持 不 变一 上 升 下 降” ; z h 随温度 的
3、变化 规律 与 K。 和 G 随 温度 的 变化 规律 一 致 , 说 明三者 均可 以作 为高 温后 混凝 土 的延性 指标 关 键词 :高温 ;楔入 劈拉 法 ;断裂韧度 ;断裂 能 ; 特征 长度 中图分 类号 : TU3 7 5 4 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 O 1 2 0 6 0 2 0 Re s i d u a l 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 e d t o E l e v a t
4、e d T e mp e r a t u r e s LU Zho u da o ,yU K e qu an , SU Le i 。 LJ N Che n g l e , ( 1 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g a n d Di s a s t e r Re d u c t i o n,To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,Ch i n a ; 2 S i c hua n Pr o vi ni
5、 c a l Ar c hi t e c t ur a l De s i g n I ns t i t u t e,Che n gdu 61 0 01 7,Ch i n a) Ab s t r a c t :Ba s e d o n t h e d o u b l e K c r i t e r i 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 e d t o e l e v a t e d t e m p e r a t u r e
6、s we r e i nv e s t i g a t e dTh e t e s t s p e c i m e ns we r e mol d e d a c c or d i ng t o“No r m f or f r a c t u r e t e s t o f h y d r a u l i c c o n c r e t e ” ( DL T 5 3 3 2 - 2 0 0 5 )wh i c h we r e e x p o s e d t o t e mp e r a t u r e v a r y i n g f r o m 6 5 t o 6 0 0 Th e ma s
7、 s 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 Th e we d g e s p l i t t 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 P( 1 o a d ) 一 CM OD( 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 i me n s f r o m wh i c h
8、 t he i ni t i a l f r a c t ur e t ou g hne s s K ,t he c r i t i c a l f r a c t u r e t o ug hn e s s K a n d t he f r a c t ur e e ne r g y GF we r e c a l c u l a t e d I t wa s d e mon s t r a t e d t ha t t he K d e c r e a s e s mo no t o no us l y wi t h i nc r e a s i n g t e m p e r a t u
9、 r e;ho we v e r t he K , a n d GF s u s t a i n a ho l e i nc r e a s e de c r e a s e t e nd e n c y wi t h t e m p e r a t ur e Fu r t he r m o r e。 t h e c h a r a c t e r i s t i c l e ng t h a s a b r i t t l e n e s s pa r a m e t e r wa s a l s o c a l c ul a t e d a nd t he r e e x i s t s
10、a s a m e t e nd e n c y wi t h K 。 a n d GF, whi c h m e a nt t h a t t he s e t hr e e p a r a me t e r s a r e s i mi l a r a s t h e i n de x of b r i t t l e n e s s f or p o s t f i r e c o nc r e t e Ke y wor d s :e l e v a t e d t e m p e r a t u r e;we d ge s p l i t t i ng m e t ho d;f r a
11、 c t u r e t o ug hne s s ;f r a c t ur e e ne r gy;c ha r a c t e r i s t i c l e ng t h 作 为 材 料 的 基 本 性 质 , 各 国 学 者 对 混 凝 土 在 常 温 下 的 断 裂 性 能 进 行 了广 泛 研 究 , 并 就 工型 断 裂 中的相关 断裂参 数制定 了标 准测试 方法 目 前 , 国内外对 于高温 后混凝 土 断裂性 能 的研 究相 对较少 , 且各国研究人员 时常得 出不一致 的结论 在 工 程 实践 中 , 存 在 着 大量 受 高 温 影 响 的结 构 , 如 收稿 日期
12、基 金 项 目 第一作者 电厂冷却塔 、 预应 力核 反应堆 容器 和遭受火 灾 影 响 的建 筑 物 , 所 以 进 一 步 研 究 混 凝 土 在 高 温 后 的 断裂性能 , 对于设计 、 维护 和评估 此类结构具有 重 要 的 意义 B a z a n t 等 采用三点弯曲梁 和偏心受压法对 4 种形状相似而尺寸不同的混凝土试件进行 了高温下 2 0 1 1 - 0 3 2 2 ;修订 日期 : 2 O 1 1 - 0 5 2 3 土木工程防灾国家重点实验室基金资助项 目( S L DR C E 0 9 一 D - 0 2 ) 陆洲导( 1 9 5 7 ) , 男, 上海人 , 同济大
13、学教授 , 博士生导师, 博 士 E ma i l : l u z h o u d a o 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 陆洲导 , 等 : 高温后混凝 土断裂性能研究 8 3 7 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 , B a k e r 研究 了不 同冷却制度下混凝 土 的断 裂 能值 , 结果 表 明 : 在 达 到 3 0 0之 前 , 高 温 后 混凝 土断 裂能 值 随 温 度 的 上 升 而增 加 , 其
14、后 断 裂 能值迅速下降, 而不 同冷却制度对高温后混凝土 断 裂 能值没 有 明显影 响 Z h a n g等 研究 了普通混凝土和高强混凝土在 温度 、 受 温持 时和养 护 时 间影 响下 的断裂 能值 , 记 录 混凝 土在 各温 度 下 的 烧 失 量 , 建 立 了 断裂 能 和烧 失 量之 间 的线性 关 系 , 并 指 出混 凝 土 断 裂 能值 随各 影 响 因素 的变化 : 在温 度 达到 3 0 0前 , 断裂 能 随温 度 的升高呈上升趋势 , 之后随温度的升高不断下降 ; 同 时 , 受温持时和养护时 间的增加将 提高高温后混凝 土的断裂能 文献E s 进一步探讨了高
15、温后混凝土 的 脆性性质( 以混凝土的特征长度 z 作为度量 ) , 指 出 随着温 度 的升 高 , 高 温后 混凝 土 的脆性 下 降 、 延 性 增 加 , 最后建立了高温后混凝土残余 断裂能值与抗压 强度 的线性 关 系 这 两 者 的关 系在 常温 下 已有 学 者 进 行研 究 , 并且 得到 了很好 的应用 , 建 立 的高温 后 两 者 的关 系 , 将有 利于 断裂 能 的测试 工作 Ni e l s e n等 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 , 得到与文献 5 相 同的结 论 : 当温 度 为 3 0 0 4 0 0 时 , 高 温 后 混
16、凝 土 断裂能值比常温断裂能值提高 5 O , 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 , 公开 发表 的文 献 较 少 朋 改 非 于 2 0 0 6年 对 普 通 强度高性能混凝土和高强度高性能混凝土高温后残 余 断裂 能进行 了研 究 _ 7 本文结合 国内外已有研究成果 , 基于双
17、K 断裂 准则l 8 , 依据 DL T 5 3 3 -2 0 0 5 ( 水工混凝土断裂试 验规程 , 采用楔入劈拉法研究高温后混凝土试件的 断裂 性能 , 设 置 6 5 6 0 0 共 9组温 度 , 以期 得 到其 随 温度变 化 的规 律 , 建 立 相 关 断 裂 参 数 与 温度 之 间 的关 系 , 从 而 为 建 筑 结 构 火 后 评 估 工 作 提 供 可 靠 依据 1 试验概况 楔入劈拉试验 中劈拉试件尺寸统一采用 D L T 5 3 3 2 -2 0 0 5的推荐值 : 2 3 0 mm2 0 0 mmX 2 0 0 mm, 预制开 口裂缝高 8 0 mm, 厚 3
18、mm, 试件几何形状详 见 图 1 试件 混凝土 质量 配合 比为 ( 水 泥 ) : ( 砂 ) : ( 石 子 ) : T ( 水 ) 一1 : 3 4 4 : 4 3 9 : 0 8 , 其 中水 泥采 用 海 螺牌 P O4 2 5普 通 硅 酸 盐 水 泥 , 粗 骨 料 最 大 粒 径 为 1 6 mm, 细 骨料 采 用 粒 径 为 0 2 5 0 5 mm 的 中砂 , 混 凝 土强度 为 C 3 0 试验 中同 时浇 注 相 同配 合 比 、 尺寸 为 1 5 0 mm1 5 0 mm3 0 0 mm 的棱柱 体 试 件 , 以测定 上 述 混凝 土 在 高温 后 的轴 心
19、抗 压 强 度 与 弹性模量 每个劈拉试件 与棱柱体试件 内均插有热 电偶 以便 后期 温度 控 制 , 试 件洒 水 自然 养护 6 0 d 考 虑到 混凝 土本 身 固有 的离散 性 以及试 件 将经 受 高 温 作用 , 每组 温 度下设 有 5个 试件 p L 兰 1 图 1 试件 几何形状 Fi g 1 Ge o m e t r y o f s p e c i m e n( s i z e : mm) 试验 中采用净尺寸为 3 0 0 mmX 3 0 0 mmX 9 0 0 IT I I I 1 的电炉 对 混 凝 土试 件 进 行 加 热 , 历 经 6 5 , 1 2 0 , 2
20、 0 0 , 3 0 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 , 5 0 0 , 6 0 0 高 温 电炉 温 度 由 自 带铂铑热 电偶控制 考虑到混凝土的热传导性较差 , 试验 中设 置 炉 温 比 目标 温 度 高 1 0 0 进 行加 温 , 当 试件 温度 达 到 目标 温 度 的 8 O 时 , 将 炉 温调 成 目标 温度 进行 升 温 , 待 试件 达 到 目标温 度时 , 便从 电炉 内 取出, 自然冷却 7 d后进行后续试验 轴压试验和楔人劈拉试验均在 1 0 0 0 k N 的 电 液伺服万能试验机上进行 , 利用动静态数据采集系 统采 集试 验 数据 楔 人
21、劈 拉 试 验 中在 预 制 裂 缝 开 口 和尖 端处 分别 安装 量 程为 1 0 mm 的 夹式 引 伸计 , 以 测试 试件 的裂 缝 口开 口位 移 ( C MO D) 和 裂 缝 尖 端 开 口位 移 ( C T OD) 试 验 机 加 载 速 率 控 制 为 0 4 ram rai n , 以保证 得 到稳 定 的荷 载一 裂 缝 口开 口 位移 ( P C MO D) 曲线 对 于所 受 温 度 低 于 2 0 0 的 试件 , 加载时间平均为 1 5 rai n ; 而对于所受温度高于 4 0 0的试件 , 其加载时间平均达到 4 0 mi n , 主要表 现为试件在 P C
22、 MOD曲线下 降段所经历 的时间较 长 轴压试验中, 预压至 0 5 MP a后卸载至零 , 然后 以 1 ram rai n的速度 加 载至 破坏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 陆洲导 , 等 : 高温后混凝土断裂性 能研究 8 3 9 0 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 CM0D mm 图 5 不 同温度下试件 的 P C MO D 曲线 Fi g5 Lo a d V S CM OD c u r v e s o f s pe c i me n
23、s wi t h T G 试验 中采 用应 变 片 监测 裂 缝 尖 端 处 的应 变来 控 制初 始开 裂荷 载 P , K 由 P 和 C MO D 代 人相 应 公式 计算 而得 ; K, 则 由 和 C MOD 计算 而得 ; 断 裂能 G r表 示 单 位 断 裂 韧 带 面积 上 消 耗 的 能 量 断 图 6 高 温后 各组 试件峰值荷载 P 及相应 C MOD Fi g 6 Pa nd c o r r e s p on di ng CM OD o f s pe c i me ns wi t h T C MOD 为初 始 开 裂 荷 载 对 应 下 的 裂 缝 口 开 口位 移
24、; C MOD 为峰值荷载对应下的裂缝 口开 口位移 ; f( a ) 为形状参数 , 其具体计算参照文献 2 ; a 。为初 始裂缝 开 口深 度 ; a 。 为 临 界 有 效 裂 缝 长 度 , 其 具 体 裂参数计算结 果见表 1 其 中 : 为试件有效 高度 ; 计算亦参照文献E 2 2 表 1 断裂参数计算结果 Ta b l e 1 Ca l c u l a t e d r e s u l t s o f f r a c t u r e p a r a me t e r s K , 和 K 随温 度 的变 化 规 律 如 图 7 , 8所 示 由 图 7 , 8可知各 温 度下 K
25、 和 K 离 散 性 较 大 , 但 其平 均值仍具有明显规律 对 于 Ki , , 受火后混凝土试件 由于 本身微 裂 缝增 多而 导致 其初 始开 裂荷 载 明显 下 降, 其值将随着温度升高 而单调下降, 6 0 0时试件 K , 值较常温值下降 9 0 K 随温度 的升高存 在 3 个变化阶段 , 即: 保 持不 变一上升一下降 在受火温 度达到 2 0 0前其值基本保持不变 ; 在 2 0 0 4 5 0 时 , K 线性 上 升 ; 在 4 5 0 6 0 0 时 , 其 值 随 温 度 上 升而 明显 下 降, 但 6 0 0 下 K 较 常 温 值上 升 了 6 6 结合 图
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- 高温 混凝土 断裂 性能 研究
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