不同加載速率對混凝土變角剪切的影響

陳旭鵬

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料與配合比

1)水泥：采用安徽省淮南市某水泥廠生產的P.O 42.5硅酸鹽水泥，其各項指標完全符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)中規定的標準

2)粉煤灰：采用的是二級粉煤灰，含鈣量和需水量均偏小，氯離子的含量≤0.02%。

3)細骨料：采用的是細度模數為1.84的細砂以及細度模數約為4.5的陶砂。

4)粗骨料：采用的是5～10 mm的石灰石和粒徑≤15 mm的陶粒。

5)減水劑：高性能減水劑，減水率≥25%，各項指標均符合《混凝土外加劑》(GB9076—2008)中的規定。

6)玄武巖纖維：本實驗采用的為短切玄武巖纖維，產地為淮南某纖維有限公司，長度為12 mm。纖維的各項指標如表1所示。

表1 玄武巖纖維的性能指標

7)玻化微珠：河南某建材公司生產的憎水型玻化微珠，性能指標見表2。

表2 玻化微珠的性能指標

7)植物纖維：本實驗采用的是木質素纖維，原產地為淮南某纖維有限公司。

1.2 混凝土配合比(見表3)

表3 混凝土配合比 單位：kg·m-3

1.3 實驗方法

本次實驗為變角剪切實驗，可以通過改變夾具的角度來改變剪切的角度，并可以以此實現對正應力與剪應力的調整與變動，試驗加載的方式見圖1。

圖1 試件加載方式

試驗時，分別選取34°，42°，50°，58°，66°五個剪切角度來進行變角實驗，每個角度分別以1、3、5、7 mm/min的加載速率進行剪切，每種速率下的標準試件為3個，故每個角度的試驗試件為12個，一共60個試件。試驗試件如圖2所示。

圖2 試驗試件

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

將夾具調整到角度分別為34°、42°、50°、58°、66°。分別以1、3、5、7 mm/min的加載速率進行加載，直到加載到試件破壞為止，得到如表4所示的的試驗結果。

表4 變角剪切試驗結果

因為變角度剪切試驗中，水平面和剪切面存在著夾角α，所以可以將試件中的最大壓力分解為正應力σ以及剪應力τ[1]，如圖3所示。

根據規范《煤和巖石物理力學性質測定方法》(GB/T 23561.2-2009)可以得到單個標準試件剪切面上破壞的正應力σ和剪應力τ分別為：

σ=(p/s)×cosα

τ=(p/s)×sinα

式中，σ為正應力，MPa；τ為切應力，MPa；P為試件達到斷裂并破壞的峰值荷載，N；S為試件剪切面的表面積，mm2；α為試件的剪切面與水平面之間的夾角，(°)。

圖3 試件正應力及剪應力

根據上述公式對試驗結果進行一系列的處理，每組數據取其平均值得到每個角度在不同速率下的的正應力以及切應力，見表5～9。

表5 剪切角度為34°的應力

表6 剪切角度為42°的應力

表7 剪切角度為50°的應力

表8 剪切角度為58°的應力

表9 剪切角度為66°的應力

2.2 同一角度不同速率應力變化規律分析

同一角度不同速率應力變化見圖4～8。從圖4～8可知，剪切角度從34°變化到66°時，隨著加載速率的增加正應力和剪應力呈現出先上升后下降的趨勢，并且當加載速率為5 mm/min時，正應力和剪應力為最大值。

圖4 剪切角度為34°應力大小

圖5 剪切角度為42°應力大小

圖6 剪切角度為50°應力大小

圖7 剪切角度為58°應力大小

圖8 剪切角度為66°應力大小

2.3 同一速率不同角度應力變化情況

同一速率不同角度應力變化見表10～13和圖9～12。

表10 加載速率為1 mm/min的應力

表11 加載速率為3 mm/min的應力

表12 加載速率為5 mm/min的應力

表13 加載速率為7 mm/min的應力

圖9 加載速率為1 mm/min應力大小

圖10 加載速率為3 mm/min應力大小

圖11 加載速率為5 mm/min應力大小

圖12 加載速率為7 mm/min應力大小

由圖9～12所知當加載速率一定時，試件的正應力隨著剪切角度的增加而減少，而試件的剪應力隨著剪切角度的增加呈現出先增加后減少的趨勢，當剪切角度比較小的時候，當剪切角度越靠近45°時，剪應力越大。此外，當剪切角度在40°～50°時，在混凝土試塊發生破壞的時候正應力和剪應力相差不大，都在20 MPa左右上下徘徊，當剪切角度較大時，發生在66°時，混凝土表面剪切力學性能迅速增強，發生破壞時正應力大約在15 MPa左右，剪應力大約為6 MPa[2]。

3 結 論

1)當剪切的角度一定時，隨著加載速率的提升，正應力和剪應力大小呈現出先增加后減小的趨勢。

2)當加載速率一定時，隨著剪切角度的增加，正應力逐漸減小，而剪應力呈現出先增加后減少的趨勢，并且當剪切角度越是靠近近45°時，剪應力越大。

[ID:009500]