應變速率對C20混凝土的影響

邢峻偉，張玉敏，宋珂，郝澤靜

(河北聯合大學河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

混凝土是一種膠凝的物質材料，可以依據不同的要求和性能進行配合，最終成為穩定固結狀態且內部復雜的材料，可以表現出良好的材料性能。在現代的建筑物和構筑物中，時刻都離不開混凝土的澆注，作為它們結構當中的一部分，并且不容小覷，它在結構穩定性及其它方面起著很重要的作用。建筑物和構筑物不是始終處于靜態，時常會由于地震、沖擊、爆炸等特殊原因產生動態影響，這就要求我們熟悉混凝土動態的特性。動態作用下，混凝土特性主要通過應變速率對混凝土內部機構機理參數影響進行研究［1］。

1 簡介

在以往的單軸抗壓試驗中，對已采集的實驗數據進行整理和分析，探討混凝土在考慮應變速率下單軸的抗壓試驗中內部結構及機理參數的變化規律，從混凝土的本構關系中作出相應的論證［2］。單軸實驗主要從抗壓強度、峰值應變、彈性模量及應力應變的變化趨勢進行分析［2，3］。

試驗采用電液伺服試驗系統，對尺寸為70mm×70mm×210mm棱柱體預設計強度C20混凝土進行加載試驗，采用四種加載速率為 10－2/s、10－3/s、10－4/s 和 10－5/s，實驗強度分別為 15.8MPa、15.2MPa、14.2MPa 和15.6MPa。通過采集設備保存的數據，進行數據的整理與分析，研究混凝土的本構關系及內部結構機理［4，5］。

2 數據分析

從采集的數據中取加載速率為10－2/s時應變片的變化規律，通過對應變片與(包含應變片的粘貼位置)軸力采集的數據可以統計應變片－軸力的關系曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，當軸力由零開始加載，應變片值隨軸力的上升會逐漸升高，升高到最大值后應變片值趨于下降，直至應變片被破壞。

圖1 應變片應力的變化及應變片位置

在不同加載速率下的單軸試驗中，通過作動器的力傳感器采集的數據，計算處理得到不同加載速率下的抗壓強度及均值，如表1所示。加載速率與單軸抗壓強度的關系如圖2所示。由圖2可以看出，抗壓強度的樣本值離散性較大，規律性較差。但總體上抗壓強度的平均值隨加載速率的提高呈上升趨勢(加載速率由10－5/s至10－2/s)。

通過應變片采集數據的統計分析，確定單軸實驗中峰值應變的樣本值和其平均值，如表2所示。峰值應變與加載速率的關系如圖3所示。由圖3可以看出，不同的加載速率下混凝土的峰值應變樣本點的分布紛雜，規律性較差。而混凝土峰值應變的平均值隨加載速率的升高而呈現出先升高后降低的趨勢。加載速率由10－5/s至10－3/s時，峰值應變值呈上升趨勢并變化明顯;而加載速率由10－3/s至10－2/s時，峰值應變值急劇降低。

表1 不同加載速率下抗壓強度值及均值

圖2 抗壓強度與應變速率的關系

圖3 應變速率對峰值應變的影響

表2 不同加載速率下峰值應變值及均值

由于在塑性階段后混凝土初始彈性模量的變化不能完全反映應力—應變曲線的變化規律，加之試驗數據存在離散性及精確測量的限制，所以通常會采用變形模量或切線模量影像應力－應變關系［4］，并取40%－60%峰值應力的割線模量作為彈性模量［5，6］。通過實驗中力傳感器(軸力)和位移應變的采集的數據，確定50%峰值應力處的割線模量值作為彈性模量，彈性模量及其平均值如表3所示。而C20混凝土彈性模量隨加載速率的變化規律如圖4所示。由圖4可以看出，混凝土彈性模量隨加載速率的上升，整體呈下降趨勢?；炷翉椥阅Ａ康钠骄惦S加載速率由10－5/s至10－4/s時，呈下降趨勢，變化十分明顯;由10－4/s至10－2/s時彈性模量的均值變化不大?？傊?，單軸抗壓實驗中混凝土彈性模量的數值及平均值隨加載速率升高整體趨勢下降。

經加載速率下混凝土單軸抗壓實驗，對作動器中力傳感器得到的軸力和位移應變器采集的數據，作出了不同加載速率下應力應變曲線。在10－2/s、10－3/s、10－4/s和10－5/s加載速率下，四塊試件的應力應變曲線如圖5、圖6、圖7和圖8所示。這些應力應變曲線可以體現出混凝土在動態過程中的力學性能及內部機理參數的變化規律。

表3 不同加載速率下彈性模量至及均值(104N/mm2)

在單軸抗壓的試驗中，應力應變曲線可以反映出混凝土由初始受壓直至出現裂紋、裂縫、起皮甚至到最后貫通被壓壞等一系列的破壞過程。曲線的變化規律可以反映混凝土受壓破壞機理及變形行為，包含曲線上升段和下降段表現的混凝土破損中出現的現象和混凝土的動力特性及材料的內部機理參數［4－6］。

將四塊試樣樣本取均值后統計出不同加載速率下應力應變曲線如圖9所示。由圖9可以看出，隨應變增加，混凝土應力值快速增加并達到峰值，之后快速降低;而且加載速率越低，混凝土的應變峰值出現的越早。本研究中，混凝土在加載速率為10－2/s、10－3/和10－5/s時峰值應力值相近，加載速率為10－4/s時峰值應力較低，這表明應力隨應變的變化在不同的加載速率下會有不同的表現形式。

圖9 不同加載速率下混凝土的應力應變曲線

3 結論

(1)單軸實驗實驗研究了C20混凝土性能隨加載速率的變化規律:抗壓強度均值在加載速率由10－5/s至10－2/s時稍有上升;峰值應變均值在加載速率10－5/s至10－2/s時呈先上升后下降的趨勢;彈性模量主體呈下降走勢，而均值在加載速率10－5/s至10－4/s時下降十分明顯，之后變化不大。

(2)通過C20混凝土應力應變曲線的確定，分析了C20混凝土的動態力學性能，單軸抗壓實驗表明，C20混凝土在不同的加載速率下應力應變曲線動態力學性能會有不同的表現形式。

［1］過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［2］董毓利，謝和平，趙鵬.不同應變速率下混凝土受壓全過程的實驗研究及其本構關系［J］.水利學報.1997，(7):72-77.

［3］肖詩云，林皋，逯靜洲，等.應變率對混凝土抗壓特性的影響［J］.哈爾濱建筑大學學報.2002，35(5):35-39.

［4］尚仁杰.混凝土動態本構行為研究［D］.大連:大連理工大學，1994.

［5］崔延衛.混凝土動力特性試驗研究方法分析及其應用［D］.南京:河海大學，2005.

［6］閆東明.混凝土動態力學性能試驗與理論研究［D］.大連:大連理工大學，2006.