巖石混凝土類材料尺寸效應(yīng)研究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

一、引言

巖石混凝土類材料作為我們?nèi)粘＝ㄖ钪幸环N典型的建筑材料，通常處于各種復(fù)雜多樣的環(huán)境條件中，加之本身復(fù)雜的力學(xué)屬性，其承載能力及破壞機(jī)理就更不好準(zhǔn)確把握。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)材料的力學(xué)屬性已有一定研究，徐世烺教授以及Reinhardt教授，通過(guò)線彈性斷裂力學(xué)，考慮作用在裂縫過(guò)程區(qū)上粘聚力的作用，依據(jù)裂縫擴(kuò)展進(jìn)程的3個(gè)部分:初始起裂階段、穩(wěn)定擴(kuò)展階段和失穩(wěn)破裂階段，得出了混凝土非線性斷裂模型—雙K斷裂模型。

二、尺寸效應(yīng)模型

Carpinteri和Bazant等學(xué)者認(rèn)為，對(duì)于尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，應(yīng)該采用斷裂力學(xué)中能量釋放的理論進(jìn)行解釋。Bazant提出了基于斷裂力學(xué)能量釋放理論的混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)律，其應(yīng)力計(jì)算公式見(jiàn)(1)式

(1)

公式(1)中，fu為材料基準(zhǔn)強(qiáng)度，d為結(jié)構(gòu)尺寸，為基本尺寸，B和為對(duì)方程(1)進(jìn)行線性回歸得出的尺寸效應(yīng)參數(shù)。

三點(diǎn)彎曲梁法是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法[1]-[5]，三點(diǎn)彎曲試件模型在受集中荷載時(shí)，整個(gè)梁體上部受壓，下部受拉，我們研究時(shí)就可以根據(jù)研究方向選定所要關(guān)注的部分。相對(duì)而言，三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)在試件制備和模型適用方面有著天然的優(yōu)勢(shì)。

三、不同尺寸三點(diǎn)彎曲梁加載試驗(yàn)及強(qiáng)度分析

(一)試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用DWM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)設(shè)計(jì)試樣進(jìn)行相關(guān)三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，搜集應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線、力—變形關(guān)系曲線，并記錄峰值應(yīng)力，對(duì)比不同尺寸的三點(diǎn)彎曲梁的承載能力的變化，進(jìn)而分析三點(diǎn)彎曲梁的尺寸效應(yīng)。

(二)試件制作

依照試驗(yàn)所設(shè)定尺寸的變化制作試樣，劃為3組試件，每組各有3個(gè)，總共9個(gè)試件。各個(gè)試件的編號(hào)及尺寸長(zhǎng)150mm寬50mm高36.5mm，長(zhǎng)150mm寬50mm高32.5mm，長(zhǎng)150mm寬50mm高30mm，且每個(gè)試件都保持其高跨比為4不變。所有試件均采用同一種配合比，砂膠比為2：1，水泥與石膏比為9:1。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得該配合比下齡期為14天的立方體試件抗壓強(qiáng)度為1.78Mpa，抗拉強(qiáng)度為1.0Mpa，彈性模量為53 Mpa，泊松比為0.25。

(三)加載結(jié)果

本次試驗(yàn)的三組混凝土試件高度分別為30 mm,32.5 mm,36.5 mm。實(shí)驗(yàn)最大應(yīng)變分別為：0.62、2.6、0.35、1.64、0.05、1.35、0.35、2.56、2.61(%)。

(四)結(jié)果分析

從應(yīng)力-應(yīng)變圖像和力-變形圖像以及試驗(yàn)的加載結(jié)果可知，試件的抗彎強(qiáng)度和最大負(fù)荷均隨著試件高度的減小而減小。且試件的高越大，越能展示斷裂過(guò)程區(qū)在斷裂過(guò)程中的影響[6]-[8]。在加載初期，荷載增大裂縫張口位移增大，且荷載與裂縫張口位移成線性關(guān)系。這個(gè)現(xiàn)象正是反映了巖石混凝土材料的彈性性質(zhì)；當(dāng)荷載增大到某一時(shí)分時(shí)，梁體底部跨中薄弱部位的混凝土由于應(yīng)力集中而開裂，發(fā)生微裂縫，力—變形曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線都出現(xiàn)微小拐點(diǎn)。此現(xiàn)象表明了巖石混凝土材料具有塑性性質(zhì)；之后位移繼續(xù)增大，荷載與裂縫張口位移呈現(xiàn)非線性關(guān)系；接下來(lái)，荷載持續(xù)增加達(dá)到極限值后，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

隨梁高度的增加，裂紋的裂縫擴(kuò)展量與梁高度的比值不斷降低，梁截面上塑性區(qū)尺寸與非開裂區(qū)尺寸的比值隨梁高度的增加在不斷減小，說(shuō)明隨梁高度的增加，相對(duì)塑性區(qū)尺寸減小，塑性的影響降低，導(dǎo)致梁的破壞形式趨于脆性破壞，即在保證跨高比不變的條件下，隨著尺寸的增加其承載能力會(huì)增加，但強(qiáng)度會(huì)降低。

四、結(jié)論

通過(guò)不同尺寸的巖石混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。對(duì)于尺寸變化的巖石混凝土試件來(lái)說(shuō)，隨著試件尺寸的增大，它的承載能力增加，但它的強(qiáng)度降低。它的強(qiáng)度之所以會(huì)隨著尺寸的增大而降低，這是因?yàn)槌叽缭酱蟮臉?gòu)件，它的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的破壞越傾向于脆性破壞，而脆性破壞往往不能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。混凝土尺寸增加，則其相應(yīng)的斷裂帶高度也會(huì)增加，高度的增加使得混凝土斷裂時(shí)需要消耗更多的能量，需要的外荷載越多，自然承載能力也越高。