低溫混凝土沖擊壓縮力學性能SHPB實驗設計

陳文峰

(淮南職業(yè)技術(shù)學院工程管理系, 安徽淮南232001)

低溫混凝土沖擊壓縮力學性能SHPB實驗設計

陳文峰

(淮南職業(yè)技術(shù)學院工程管理系, 安徽淮南232001)

低溫混凝土是混凝土理論的重要分支,其研究主要是為了滿足寒冷地區(qū)房屋、鐵路等基本設施建設的需要;從試件尺寸的選擇、鋼制模具的設計制作、低溫混凝土的配合比設計、低溫養(yǎng)護方法以及SHPB沖擊實驗設計等幾個方面進行了低溫混凝土動態(tài)沖擊壓縮SHPB實驗的設計,研究低溫混凝土在強沖擊荷載作用下的應變率效應及溫度效應,為確保低溫混凝土SHPB實驗的順利進行做了充分的準備。

低溫混凝土; 沖擊壓縮; 力學性能; 實驗設計

1 引言

低溫混凝土是混凝土理論的重要分支之一。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入進行,西北、東北等寒冷地區(qū)房屋、鐵路等基本設施的大量建設,有關(guān)低溫混凝土特性的研究越來越被人們關(guān)注和重視[1]。低溫混凝土的養(yǎng)護制度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等和常溫混凝土有很大的不同,其在低溫條件下的水灰比、養(yǎng)護齡期及養(yǎng)護條件(溫度、濕度)等對后期混凝土強度發(fā)展及應用均有較大的影響。目前對低溫混凝土力學性能的研究主要集中在準靜態(tài),主要涉及不同低溫條件下的物理力學性能參數(shù)如抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度、彈性模量及應力應變曲線關(guān)系[2]。但低溫混凝土在機械開挖、撞擊等沖擊荷載作用下主要表現(xiàn)其動態(tài)力學性能。低溫混凝土動態(tài)力學性能研究對經(jīng)受爆炸、撞擊、機械開挖等沖擊動荷載作用下的多年凍土區(qū)、寒區(qū)或晝夜溫差大的地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的具體應用具有重要的理論指導意義和工程應用價值,同時也是對低溫混凝土理論的豐富和發(fā)展。當前,利用SHPB實驗裝置研究混凝土在沖擊荷載作用下的力學性能比較成熟。本文進行了低溫混凝土的SHPB實驗的實驗設計,從而為研究其在沖擊荷載作用下的動態(tài)力學性能提供保障。

2 試件尺寸的選擇及模具的設計與制作

2.1 試件尺寸的選擇

混凝土是由粗細骨料、膠凝材料、水、外加劑及摻和料組成的人造混合材料。由于混凝土材料的特殊性,研究其在強沖擊荷載作用下的動態(tài)力學性能通常采用大直徑SHPB實驗裝置。本試驗采用安徽理工大學Φ74 mm直椎變截面SHPB。通過查找相關(guān)文獻,利用大直徑SHPB實驗裝置研究材料的動態(tài)力學性能,試件的長徑比宜為L/D= 0.4～1[3-4]。本實驗選用試件尺寸為Φ74 mm×37 mm。

2.2 模具的設計與制作

由于混凝土拌合物狀態(tài)的可塑性,硬化后強度繼續(xù)發(fā)展。通過查找相關(guān)文獻,利用Φ75 mmSHPB試驗裝置進行混凝土力學性能研究試件的制作采用鉆機取芯的方法,要求鉆頭的尺寸和試件尺寸一致,成本較高。為保證試件尺寸的統(tǒng)一,自行設計兩片式定型組合鋼模。模具實物圖如圖1所示。

3 低溫混凝土配比設計

低溫混凝土的力學性能與常溫混凝土相比有很大的不同,其性能受很多因素的影響,主要有原材料的物理性質(zhì)(如水泥的品種、骨料的種類、級配等)、配合比、含水量、養(yǎng)護條件等?？紤]到低溫混凝土材料實驗的統(tǒng)一性,進行了C30、C40、C50三個強度不同強度等級,4個低溫養(yǎng)護條件的混凝土配合比設計。

3.1 原材料的基本物理性質(zhì)

該試驗拌制混凝土所用材料有水泥、砂、石、水和早強型防凍劑。其中水泥采用淮南市八公山水泥廠的42.5級P.O;砂:河砂,細度模數(shù)為2.7,顆粒級配良好,含水為5.5%;粗骨料:人工碎石(瓜子片)(公稱粒徑5～15 mm,連續(xù)級配),含水1%;水:自來水;外加劑:CN-3早強型防凍劑(其摻量以水泥質(zhì)量的百分比計算)。以上材料質(zhì)量均符合國家相關(guān)標準規(guī)定。

3.2 配合比設計

分別進行了C30、C40、50三個強度等級混凝土的配合比設計?；炷恋陌韬衔餇顟B(tài)的和易性及其強度均符合設計要求。具體配合比見表1。

按確定的配合比稱量材料,其中材料的計量誤差均符合有關(guān)規(guī)定,機械攪拌,裝入設計模具,確?；炷恋娜肽囟?機械振搗密實,制作試塊。

4 試塊制作與低溫養(yǎng)護制度

混凝土的低溫養(yǎng)護條件有恒負溫養(yǎng)護和變負溫養(yǎng)護。根據(jù)現(xiàn)有實驗室條件,選擇了標準養(yǎng)護(標準養(yǎng)護箱)和恒負溫養(yǎng)護(其中養(yǎng)護溫度有0℃、-5℃、-10℃和-15℃?；炷猎噳K制作成型后,低溫養(yǎng)護24 h后拆模,然后放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱進行負溫養(yǎng)護,其中低溫箱的溫度控制為-30℃～+30℃,溫度測試精度為±1℃。養(yǎng)護至規(guī)定齡期。把試件取出用電動打磨機進行兩端面的打磨(確保試塊兩端面的平整,使試塊兩端面的不平整度控制在0.02 mm以內(nèi))。然后繼續(xù)放入相應低溫養(yǎng)護箱養(yǎng)護24 h后取出進行沖擊實驗。

5 沖擊實驗設計

沖擊試驗時低溫環(huán)境的保障:低溫環(huán)境條件下混凝土的力學性能要求混凝土試件的溫度以及周圍環(huán)境的溫度在試驗過程中保持恒定。由于混凝土是熱惰性材料,在試驗過程中將試件和空氣接觸部分用石棉包住,從而盡可能得減少混凝土試件內(nèi)部的熱損失,確?；炷猎嚰３衷谙鄬Ψ忾]的低溫環(huán)境中,從而實現(xiàn)實驗過程中溫度保持在有效范圍。我們對石棉內(nèi)試塊的溫度進行了測量,能滿足試驗所需要的溫度精度要求。

本實驗主要研究低溫混凝土在不同低溫養(yǎng)護條件下相同實驗條件下的溫度效應和應變率效應。在Φ74 mmSHPB直椎變截面鋼桿系統(tǒng)上,分別對C30、C40和C50三個強度等級,五個養(yǎng)護條件(標準養(yǎng)護、0℃、-5℃、-10℃和-15℃)共180個試塊進行沖擊壓縮實驗。由于動態(tài)實驗離散性大,為了確保實驗結(jié)果的重復性,同強度等級同一養(yǎng)護條件下的混凝土試塊,分別進行4沖擊氣壓,每個氣壓3個試塊進行沖擊實驗,從而研究低溫混凝土的動態(tài)沖擊壓縮力學特性。

低溫混凝土的材料組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護條件等有其自己的特點,其力學性能也和普通混凝土都很大的不同。利用安徽理工大學Φ74直椎變截面SHPB鋼桿系統(tǒng)研究低溫混凝土在沖擊荷載作用下的動態(tài)力學性能,分別從試件尺寸的選擇、模具的設計制作、低溫混凝土配合比設計、低溫養(yǎng)護方案以及沖擊實驗設計等幾個方面進行了實驗設計,為下一步研究低溫混凝土沖擊壓縮動態(tài)力學性能提供較好的保障。

[1] 王傳星,謝劍,楊建江.超低溫環(huán)境下混凝土的性能[J].低溫建筑技術(shù),2009,135(9):8-10.

[2] 劉超.混凝土低溫受力實驗性能[D].北京:清華大學,2011.

[3] 胡時勝,王道榮,劉劍飛.混凝土動態(tài)力學性能的實驗研究[J].工程力學,2001,18(5):115-118.

[4] 王道榮,胡時勝.骨料對混凝土材料沖擊壓縮行為的影響[J],實驗力學,2002,17(1):23-27.

TU502+.6;TU528.1

B

1671-4733(2015)02-0023-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.02.006

2015-03-10

安徽省高校省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目(2013SQRL141ZD);淮南職業(yè)技術(shù)學院自然科學研究項目(HKJ11-5)

陳文峰(1981-),女,安徽濉溪人,碩士,講師,研究方向為混凝土結(jié)構(gòu),電話:18955451768。