火災（高溫）后破碎卵石混凝土三軸受力性能研究

蘇益聲，孟二從，陳宗平，曾文祥

（1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004）

近年來，隨著城市化建設的進一步加快，建筑行業的飛速發展，對建筑用石的需求量日益增大.卵石具有抗壓、質地堅硬、耐腐蝕等特點，廣泛應用于工程建設當中.但是，對其過度的開采，使得級配良好的優質卵石資源日益枯竭，而廢棄的大塊卵石隨意堆積于河床和灘地上，給河道造成了極大的安全隱患［1］.由于卵石表面光滑，沒有普通碎石應有的凹凸面，將其作為骨料直接用于混凝土中，黏結力較差.對廢棄的大塊卵石進行破碎，使其表面形成盡可能多的破碎面，然后作為骨料用于工程建設中是解決廢棄大塊卵石隨意堆積問題的有效手段，相關研究［2］表明，破碎工藝能改善卵石混凝土的抗壓與抗拉強度.

在實際工程中，不少混凝土結構常處于高溫工作環境［3］，導致其力學性能劣化.目前，國內外已有相關學者［4－7］對高溫后混凝土在單向應力下的力學性能進行了研究，而關于混凝土多軸強度的研究卻較少［8－10］，關于火災（高溫）后破碎卵石混凝土三軸力學性能的研究還未見報道，因此有必要對其進行研究，為破碎卵石混凝土的推廣應用提供試驗與理論依據.

1 試驗

1.1 試件設計與制作

以側向圍壓、溫度為試驗參數，設計了30 個φ100×200mm 的圓柱體試件，試件編號為NC－i－j，其中i代表試件經歷的高溫，j代表側向圍壓.

試件混凝土為人工攪拌，其設計強度為C30，配合比如表1所示，其中拌和水（W）為自來水，砂（S）采用天然黃砂，水泥（C）采用海螺牌P·O 32.5R 級水泥，粗骨料（CA）為鄂式破碎機破碎并嚴格篩分后得到的連續級配卵石，粒徑為5～20mm.攪拌完成后測其坍落度，然后將混凝土拌和物注入模板，放在振動臺振搗密實并抹平，靜置24h后放入標準養護室進行養護，28d后進行升溫與三軸試驗.

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

1.2 升溫處理

試件的升溫處理在RX3－45－9工業電阻爐內進行，升溫過程由升溫控制系統全程控制，達到預定溫度后恒溫1h，于空氣中自然冷卻，24h后開始三軸試驗，試件的升溫曲線如圖1所示.

圖1 試件的升溫曲線Fig.1 Heating curves of specimens

1.3 試驗裝置與加載方法

試驗采用RMT－201巖石與混凝土力學試驗壓力機進行加載，加載裝置及受力模型如圖2所示.

圖2 試驗加載裝置及受力模型Fig.2 Test setup and mechanical model

試驗采用如下的加載制度：首先對試件施加預定側向圍壓值，在施加圍壓過程中，按1∶1的速率同步施加豎向荷載；隨后，保持側向圍壓值恒定，豎向荷載采用行程控制的加載制度，其加載速率為0.01mm／s，直到試件破壞.

2 試驗結果及分析

2.1 應力－應變曲線

將RMT－201試驗機自動采集的試件受力全過程軸向荷載－位移數據進行相應的轉換，得到應力－應變（σ－ε）全過程曲線.圖3為不同側向圍壓下試件的應力－應變曲線.由圖3 可見：在單軸應力下，應力－應變曲線有明顯的峰值點；在三向應力作用下，試件的彈性模量、峰值應力、峰值應變均顯著增加，隨著圍壓的不斷增加，應力－應變曲線逐漸平緩，當圍壓為5MPa時，曲線出現了較明顯的下降段，當圍壓為10MPa時，峰值點已不明顯，當圍壓≥15MPa時，曲線的峰值點消失.

圖3 不同側向圍壓下試件的應力－應變曲線Fig.3 Stress－strain curves of specimens under different lateral confining pressure

2.2 峰值應力與彈性模量

將各試件的峰值應力σ1與初始彈性模量E 列于表2.由表2可見：溫度及側向圍壓對試件的初始彈性模量及峰值應力均有較大的影響.

表2 試件峰值應力與初始彈性模量Table 2 Peak stress and initial elastic modulus of specimens

3 影響因素分析

3.1 溫度

3.1.1 溫度對峰值應力的影響

圖4為試件的峰值應力與溫度關系，其中σij表示經溫度i后，在圍壓j時試件的峰值應力.由圖4可見，在不同圍壓下，隨著溫度的上升，試件的峰值應力變化幅度雖然有所波動，但總體上呈下降趨勢，并且隨著圍壓的上升，這種下降趨勢會明顯減小，相比于常溫，經歷200，300，500，600 ℃高溫后，試件的峰值應力分別下降了4.80%，4.23%，3.56%，8.44%，而經歷400℃高溫后，試件的峰值應力卻上升了0.03%，這主要是因為側向應力限制了試件的橫向變形及裂縫發展，從而使溫度損傷帶來的強度減小程度受到了大幅度限制.

圖4 試件的峰值應力與溫度關系Fig.4 Relationship between peak stress and temperature

3.1.2 溫度對初始彈性模量的影響

圖5 試件的初始彈性模量與溫度關系Fig.5 Relationship between initial elastic modulus and temperature

3.2 側向圍壓

3.2.1 側向圍壓對峰值應力的影響

由圖6可以看出：隨著圍壓的上升，試件的峰值應力近似呈直線上升趨勢，按Richart公式［11］對試驗結果進行擬合，可得：

3.2.2 側向圍壓對初始彈性模量的影響

圖6 試件的峰值應力與側向圍壓關系Fig.6 Relationship between peak stress and lateral confining pressure

圖7 試件的初始彈性模量與側向圍壓關系Fig.7 Relationship between initial elastic modulus and lateral confining pressure

4 應力－應變本構關系分析

試件的σ／σ1－ε／ε1曲線見圖8，其中ε1為峰值應變.

由圖8可見，在單軸應力 下，σ／σ1－ε／ε1曲 線上升段基本重合，下降段離散性較大，總體上看，隨著溫度的上升，下降段逐漸變緩，說明高溫會使試件的變形增大.這主要是因為經高溫后，試件逐漸酥松，導致其下降段逐漸變緩.隨著圍壓的上升，無量綱化后的應力－應變曲線的上升段出現了一些波動，但波動幅度不大，下降段逐漸平緩一致，說明側向圍壓能夠有效約束試件的橫向變形及裂縫發展，提升試件的變形性能.

圖8 試件的σ／σ1－ε／ε1曲線Fig.8 Nondimensional stress－strain curves of specimens

按文獻［11］中的有理分式對曲線進行擬合，結果如表3所示，其中a，b分別為無量綱化后的應力－應變曲線上升和下降段的擬合參數.

表3 擬合參數Table 3 Fitting results of parameters

5 結論

（1）在單向應力下，破碎卵石混凝土試件的應力－應變曲線有明顯的峰值；隨著圍壓的不斷增加，試件的應力－應變曲線逐漸平緩，峰值也越來越不明顯.

（2）在三向應力下，隨著溫度的上升，破碎卵石混凝土試件的峰值應力與彈性模量整體上呈下降趨勢.

（3）隨著側向應力的增加，溫度試件的彈性模量及峰值應力的影響逐漸減小；而試件的峰值應力及初始彈性模量隨著側向圍壓的增加呈現出明顯的上升趨勢.

（4）基于試驗數據建立了不同圍壓下試件峰值應力的計算公式和高溫后破碎卵石混凝土在三軸應力下的應力－應變本構方程，可供相關研究及工程應用參考.

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