混凝土單軸動(dòng)態(tài)受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王 濤

（石家莊市西柏坡高速公路管理處，河北 石家莊 050000）

1 引言

混凝土是現(xiàn)代最重要的土木工程材料之一。混凝土是由膠凝材料、顆粒狀集料（也稱(chēng)為骨料）、水及在必要時(shí)加入的外加劑和摻合料按一定比例配制，經(jīng)均勻攪拌、密實(shí)成型、養(yǎng)護(hù)硬化而成的一種人工石材。混凝土在工程方面的應(yīng)用越來(lái)越多，尤其是在工業(yè)建筑和民用建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)不僅要承受靜態(tài)荷載的作用，而且也會(huì)遇到多種動(dòng)荷載的作用，如機(jī)場(chǎng)跑道承受飛機(jī)起降時(shí)對(duì)其的沖擊荷載、港口堤壩及橋墩承受水流對(duì)其的沖擊壓力、公路路面承受汽車(chē)車(chē)輪對(duì)其的沖擊荷載、鐵路枕軌承受貨車(chē)車(chē)輪對(duì)其的沖擊荷載、高層建筑和高架橋梁承受風(fēng)荷載對(duì)其的吹動(dòng)作用，以及可能出現(xiàn)的偶然作用，如爆炸、地震等作用。由于動(dòng)態(tài)荷載的破壞性較大，而且很難提前預(yù)知，因此，混凝土在動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)特性與靜荷載下的特性具有較大差別。往往混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能在一定條件下對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)起著決定性作用。因此，研究在實(shí)際工程中動(dòng)態(tài)作用下混凝土的受力性能至關(guān)重要。

2 混凝土單軸動(dòng)態(tài)抗壓特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)試件

混凝土采用小型攪拌機(jī)自行攪拌。水泥采用奎山P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為級(jí)配Ⅱ區(qū)中砂，粗骨料為碎石，石子最大粒徑為20mm，攪拌水為普通自來(lái)水，減水劑為高性能聚羧酸減水劑。一般試件的高寬比應(yīng)在2~3，本次試驗(yàn)的試件為70mm×70mm×200mm的棱柱體，在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)，24h后拆模，在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，然后在自然條件下養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)時(shí)，混凝土的齡期為90±10d。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用美國(guó)MTS液壓伺服系統(tǒng)，為保證試驗(yàn)的順利完成，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了一定的剛性輔助改造。該加載系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)定運(yùn)行時(shí)間、位移，對(duì)混凝土試件實(shí)行一定應(yīng)變速率的加載（見(jiàn)圖1）。該設(shè)備能夠施加的最大壓力為65t。

圖1 加載設(shè)備

2.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本次試驗(yàn)利用Strainbook/616系統(tǒng)作為主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該設(shè)備的最大采樣頻率為1MHz，分辨率為16bit。設(shè)備自身有8個(gè)通道應(yīng)變信號(hào)采集能力，可以將采集的信號(hào)經(jīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，送至主控制器進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。

2.4 試驗(yàn)方案

本文對(duì)C40的混凝土分別在1×10-5/s～1×10-2/s四個(gè)應(yīng)變速率下進(jìn)行了混凝土動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)，觀測(cè)混凝土在1×10-5/s～1×10-2/s范圍內(nèi)的抗壓強(qiáng)度及變形特性，應(yīng)變速率取1×10-5/s、1×10-4/s、1×10-3/s、1×10-2/s共4種，取1×10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率。各標(biāo)號(hào)混凝土在每種加載速率下至少試驗(yàn)3個(gè)試件，若在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)試件的離散性較大，則增加試驗(yàn)的試件數(shù)目，以使得數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.5.1 應(yīng)變速率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

C40混凝土在不同應(yīng)變速率下的抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 C40混凝土在不同應(yīng)變速率下的抗壓強(qiáng)度

分析表1可得，C40混凝土的強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加有較明顯的提高。以應(yīng)變率速為1×10-5/s時(shí)的抗壓的強(qiáng)度為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，C40混凝土在各應(yīng)變速率下的強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了6.3%、10.8%、11.53%。

2.5.2 應(yīng)變速率對(duì)抗壓彈性模量的影響

彈性模量是表征混凝土剛度的技術(shù)參數(shù)，是研究混凝土結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下變形特性必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)。C40混凝土在不同應(yīng)變速率下的彈性模量如表2所示。

表2 C40混凝土在不同應(yīng)變速率下的彈性模量

由表2可知，混凝土的彈性模量隨應(yīng)變速率的增加均有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。C40混凝土的彈性模量隨著應(yīng)變速率的提高，增長(zhǎng)幅度較小，在應(yīng)變速率為1×10-4/s、1×10-3/s、1×10-2/s時(shí)，彈性模量分別增長(zhǎng)了6.6%、13.1%、22.2%。

2.5.3 應(yīng)變速率對(duì)泊松比的影響

對(duì)于泊松比隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)論差別明顯，甚至相互矛盾。通過(guò)對(duì)本課題的混凝土單軸動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)結(jié)果的系統(tǒng)分析，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出混凝土在不同荷載速率的動(dòng)態(tài)荷載作用下的抗壓泊松比如表3所示。

表3 C40混凝土在不同應(yīng)變速率下的泊松比

由表3可知，混凝土在不同應(yīng)變速率下的泊松比數(shù)值離散性變化較大，最大值為0.28，最小值為0.18，泊松比的平均值介于0.186～0.28之間，泊松比與動(dòng)態(tài)荷載的應(yīng)變速率間不存在明顯的相關(guān)性規(guī)律，即混凝土受壓時(shí)的泊松比不會(huì)隨應(yīng)變速率的增加或減少而明顯變化。這與肖詩(shī)云、陳婷婷等人的研究成果相似。因此在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建議仍然采用GB 50010—2002規(guī)定的推薦值0.2。

3 結(jié)論

（1）混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變速率的增大而提高，相對(duì)于應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)的抗壓的強(qiáng)度（準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度），當(dāng)動(dòng)態(tài)荷載的應(yīng)變速率分別為1×10-4/s，1×10-3/s及1×10-2/s時(shí)，C40混凝土的強(qiáng)度分別增加了6.3%、10.8%、11.53%。

（2）混凝土單軸動(dòng)態(tài)抗壓時(shí)的彈性模量會(huì)隨著應(yīng)變速率的增大而提高，相對(duì)于應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)的彈性模量，當(dāng)動(dòng)態(tài)荷載的應(yīng)變速率分別為1×10-4/s，1×10-3/s及1×10-2/s時(shí)，C40混凝土彈性模量分別增長(zhǎng)了6.6%、13.1%、22.2%。

（3）混凝土在不同應(yīng)變速率下的泊松比數(shù)值離散性很大，最大值為0.28，最小值為0.18，泊松比的平均值介于0.18～0.28之間。泊松比與動(dòng)態(tài)荷載的應(yīng)變速率之間不存在明顯的相關(guān)性，即混凝土受壓時(shí)的泊松比不會(huì)隨應(yīng)變速率的增加或減少而明顯變化。

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