自然濕度及圍壓作用下的混凝土率效應(yīng)試驗(yàn)研究

梁春華，姜 袁

(三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

目前，對水環(huán)境下的混凝土靜動態(tài)性能研究已取得不少成果，但還有待深入。研究人員開展了不同水壓下混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)研究表明[1-5]，混凝土的強(qiáng)度隨圍壓增加總體呈增大的趨勢。王春來[6]進(jìn)行了不同圍壓條件下鋼纖維混凝土受壓試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變隨著圍壓的增大都有不同程度的提高。柏巍[7]等進(jìn)行了鋼纖維混凝土常規(guī)三軸動態(tài)特性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨圍壓增大，混凝土抗壓強(qiáng)度增大，且隨圍壓的增大，圍壓對混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在上述試驗(yàn)中，圍壓的施加方法是將試件密封，然后再施加周向圍壓。但對于在水壓中工作的混凝土結(jié)構(gòu)，水直接作用于混凝土上，因此，本文進(jìn)行了基體強(qiáng)度為C30的混凝土材料在不同圍壓和不同應(yīng)變速率下的常規(guī)三軸單調(diào)壓縮試驗(yàn)，分析不同圍壓下的混凝土動態(tài)強(qiáng)度等基本力學(xué)參數(shù)及混凝土破壞的主要原因，為在水壓作用下工作的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

1 試件制作及試驗(yàn)

1.1 試件制作及加工

本次試驗(yàn)所用水泥為強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，經(jīng)過水泥膠砂試驗(yàn)測得其3 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度均滿足相關(guān)規(guī)范要求；拌合用水為飲用自來水；粗骨料粒徑是5～30 mm的連續(xù)級配河卵石；細(xì)骨料是細(xì)度模數(shù)為1.8的連續(xù)級配天然河砂。混凝土試件質(zhì)量配合比為水泥∶水∶砂子∶石子=370∶185∶646∶1199。

試件為φ150 mm×300 mm的圓柱體，先整體澆筑，在自然條件下養(yǎng)護(hù)90 d后進(jìn)行取芯編號并集中放置，取出的混凝土試件長度約為400 mm，由于試件的上、下表面不平整，為避免試驗(yàn)過程中出現(xiàn)偏心受壓的情況，將混凝土試件做切割磨平處理，切割時將試件長度預(yù)留至305 mm，磨平后的試件長度控制在300±1 mm。

1.2 加載試驗(yàn)

在進(jìn)行單軸試驗(yàn)(干燥無水壓)時，直接對切割打磨后的試件進(jìn)行加載，在進(jìn)行水壓作用下的常規(guī)三軸試驗(yàn)之前，對試件進(jìn)行水飽和預(yù)處理，即在有水壓(與加載時圍壓相同)中浸泡16～17 h后，電腦軟件顯示圍壓已不再隨時間的增加而改變，即認(rèn)為預(yù)處理之后的混凝土內(nèi)、外部水壓力已經(jīng)恒定不變，且已達(dá)水飽和狀態(tài)。本次試驗(yàn)時試樣不進(jìn)行密封，直接與水接觸，試驗(yàn)時先給試件預(yù)加20 kN的初始靜荷載，荷載由加載框架的傳立柱通過圍壓桶頂部的活塞直接傳遞到試樣上，側(cè)向荷載由圍壓水直接作用在試樣上，然后以位移控制方式，按設(shè)定的應(yīng)變速率對試件進(jìn)行加載直至破壞，加載過程中保證圍壓恒定不變，圍壓、軸向荷載和軸向位移等數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集并實(shí)時圖像顯示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 基本力學(xué)參數(shù)

為了研究水壓下的混凝土在不同圍壓及不同應(yīng)變速率條件下的力學(xué)行為，本文進(jìn)行了混凝土試件在自然狀態(tài)和飽和有水壓(0、2、5、10 MPa)下的應(yīng)變速率分別為10-5、10-4、10-3、10-2/s的混凝土單調(diào)壓縮試驗(yàn)，取10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率，得到的試驗(yàn)結(jié)果見表1。不同加載環(huán)境下，混凝土峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及彈性模量與應(yīng)變速率的關(guān)系分別見圖1、圖2、圖3。

表1 不同環(huán)境下混凝土的基本力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic mechanical parameters of concrete under different environment

圖1 混凝土的峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系圖Fig.1 The relation schema between peak stress and strain rate of concrete

圖2 混凝土的峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率的關(guān)系圖Fig.2 The relation schema between peak strain and strain rate of concrete

圖3 混凝土的彈性模量與應(yīng)變速率的關(guān)系圖Fig.3 The relation schema between elasticity modulus and strain rate of concrete

由表1及圖1～圖3可以看出，混凝土的峰值應(yīng)力隨加載速率的增加而增大，在0～10 MPa圍壓范圍內(nèi)，混凝土峰值應(yīng)力隨圍壓增大，其增幅呈先增加后減小的趨勢，在5 MPa圍壓時達(dá)到最大增幅118.24%，到10 MPa時減小到96.98%，即隨圍壓增大，混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)變速率愈加敏感，到最后敏感性減弱。自然狀態(tài)與飽和0 MPa有水壓下相比，混凝土在各應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力都要大，即自然狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度比水飽和混凝土強(qiáng)度要高，這與王海龍[8]關(guān)于混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)加載速率(10-6/s)下強(qiáng)度降低，中加載速率下(10-4/s)強(qiáng)度增高的說法有所不同。

混凝土的峰值應(yīng)變隨加載速率的增加總體呈增大的趨勢，在自然狀態(tài)下，圍壓為0、2 MPa時，最大增幅為22.85%，圍壓為5、10 MPa時，增大的趨勢相對更明顯，最大增幅為69.95%。在各應(yīng)變速率下，混凝土峰值應(yīng)變在自然狀態(tài)下都比0 MPa有水壓下要大，即自然狀態(tài)下混凝土要比水飽和混凝土的變形大，這與王海龍[8]的結(jié)論相同。

混凝土的彈性模量隨加載速率的增加總體呈增大的趨勢，在自然狀態(tài)下，最大增幅為21.84%，在飽和有水壓中，最大增幅為0 MPa時的84.85%，即彈性模量對水壓比較敏感，且隨圍壓的增大，其率敏感性有逐漸降低的趨勢。在飽和有水壓時，彈性模量隨加載環(huán)境的變化并不明顯，即混凝土的彈性模量對圍壓的敏感性小于對應(yīng)變速率的敏感性。

2.2 破壞形態(tài)

本試驗(yàn)混凝土破壞形態(tài)主要有兩種，如圖4所示：柱狀壓壞、斜剪破壞。破壞形態(tài)隨應(yīng)變速率及加載環(huán)境的變化并沒有表現(xiàn)出明顯的差別。在較高應(yīng)變速率下，部分混凝土破壞時可聽到響亮的爆裂聲。

圖4 混凝土試件的主要破壞形態(tài)Fig.4 The main failure mode of concrete

混凝土受到外圍有壓水作用時，有壓水會沿著混凝土表層的微觀裂紋逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂紋受力發(fā)生變化，在外部荷載作用下，孔隙裂紋首先發(fā)生擴(kuò)展、并相互連接，當(dāng)有壓水及外部荷載持續(xù)作用時，混凝土所承受的與軸向荷載方向平行的拉應(yīng)變比它的極限應(yīng)變還大，最終引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)。

3 結(jié) 語

(1)混凝土的強(qiáng)度隨圍壓增大對應(yīng)變速率的敏感性更強(qiáng)，相同應(yīng)變速率下，自然狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度比0 MPa下水飽和混凝土強(qiáng)度要高。

(2)混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增大呈增大的趨勢，總體隨圍壓增大而增加，在圍壓為5 MPa時，離散性較大，自然狀態(tài)下混凝土要比0 MPa下水飽和混凝土的變形大。

(3)混凝土的彈性模量隨加載速率的增加總體呈增大的趨勢，隨加載環(huán)境的變化并不明顯。

□

[1] 杜守來，李宗利，金學(xué)洋.孔隙水壓對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的初步研究[J].人民長江，2009,40(3):54-56.

[2] Cadoni E, Labibes K, Albertini C, et al. Strain-rate effect on the tensile behavior of concrete at different relative humidity levels[J]. Materials and Structure,2001,34(1):21-26.

[3] 閆東明，林 皋，王 哲，等.不同環(huán)境下混凝土動態(tài)直接拉伸特性研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45(3):416-421.

[4] 王海龍，李慶斌.孔隙水對濕態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[J].工程力學(xué)，2006,23(10):141-145.

[5] Vu XH, Malecot Y, Daudeville L, et al. Experimental analysis of concrete behavior under high confinement: effect of the saturation ratio[J]. Solids Struct, 2009,46(5):1105-1 120.

[6] 王春來.不同圍壓條件下鋼纖維混凝土受壓試驗(yàn)研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2004,24(4):4-6.

[7] 柏 巍, 彭 剛, 周麗娜,等. 鋼纖維混凝土動態(tài)特性三軸試驗(yàn)研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2008,28(1):21-24.

[8] 王海龍，李慶斌.不同加載速率下干燥與飽和混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007,26(1):84-89.