水泥基材料的準(zhǔn)靜態(tài)耐壓強(qiáng)度

高曉芳

(山西省公路局呂梁分局，山西呂梁 033000)

人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到，水泥基材料的行為在動(dòng)態(tài)荷載下和靜態(tài)荷載下是不同的。載荷試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，動(dòng)態(tài)載荷可以增加混凝土抗壓強(qiáng)度。在近幾十年來(lái)，許多研究人員已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)［1，2］。另外，與干物料相比，濕物料的抗壓強(qiáng)度隨著載荷速率增加而明顯增加。水分含量是影響混凝土之間強(qiáng)度和負(fù)荷率關(guān)系的主要因素之一。最近，有關(guān)學(xué)者指出混凝土中孔隙水的粘性影響準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)域(10－4s－1～100s－1)的強(qiáng)度，骨料類(lèi)型、水灰比或測(cè)試齡期與其關(guān)系不大［3-6］。本文的目的是提出一些有關(guān)水泥基材料準(zhǔn)靜態(tài)耐壓強(qiáng)度建設(shè)性的分析結(jié)果，進(jìn)而來(lái)指導(dǎo)工程中的應(yīng)用。

1 水泥基材料動(dòng)態(tài)耐壓強(qiáng)度的影響因素

隨著載荷強(qiáng)度的增加，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度最大量的增加有一定的分散性。這些差異的存在，主要是因?yàn)榛炷恋男袨橐蕾?lài)于許多變量，如靜態(tài)強(qiáng)度，固化條件，樣品尺寸、形狀和類(lèi)型。只要加載速率進(jìn)一步增加，孔隙水粘性效應(yīng)，慣性力等因素，如傳播或純應(yīng)力對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響就會(huì)變得非常重要［7］。

表1指出了水泥基材料的動(dòng)態(tài)區(qū)域和典型的影響混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的因素。在準(zhǔn)靜態(tài)的區(qū)域，孔隙水對(duì)混凝土具體的動(dòng)態(tài)行為起著決定性的作用。孔隙水的粘滯阻力可以抵抗拉伸擴(kuò)展。粘性效應(yīng)被形容為孔隙水的粘性流動(dòng)，往往會(huì)違背加載。更快的加載，較大的阻礙被建立。在靜態(tài)負(fù)載期間(～10－5s－1)，阻力很小可以忽略。但在準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載期間(～10－4s－1，100s－1)，粘滯效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)。這可能是由于相同的孔隙水的粘性流受阻機(jī)制發(fā)生在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)域內(nèi)純粹的壓縮試驗(yàn)。然而，在更高的動(dòng)態(tài)負(fù)載期間(～10 s－1)，系統(tǒng)中慣性力作用顯著［8］。

表1 水泥基材料動(dòng)態(tài)區(qū)間的分布

2 動(dòng)態(tài)耐壓強(qiáng)度

水泥基材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度可由式(1)表示，其反映了混凝土內(nèi)壓試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)行為。其中，σd為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度;σs為靜態(tài)強(qiáng)度;r為水灰比;σ0，r0均為靜態(tài)材料常數(shù);Δσ為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度自由變量。

式(1)的第一部分是Abrams的公式標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式。由于它是靜態(tài)載荷下的有效表達(dá)式，因此相關(guān)參數(shù)σ0和r0都是在靜態(tài)載荷條件下測(cè)量的。只要靜態(tài)參數(shù)已知，將其代入式(1)就可以確定動(dòng)態(tài)自由變量。為了確定動(dòng)態(tài)自由變量Δσ，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了兩個(gè)系列實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)系列實(shí)驗(yàn)濕樣品的靜態(tài)載荷率為4×10－5s－1，第二個(gè)系列實(shí)驗(yàn)樣品的靜動(dòng)態(tài)載荷率為2×10－4s－1。

圖1是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。由數(shù)據(jù)擬合知，靜態(tài)參數(shù)σ0=300 MPa，r0=0.21。為了得到動(dòng)態(tài)自由變量，將其代入動(dòng)態(tài)數(shù)公式結(jié)合數(shù)據(jù)擬合得到Δσ=2.28 MPa。這個(gè)數(shù)據(jù)與靜態(tài)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值平均差值2.00 MPa相符。

圖1 不同水灰比條件下的水泥基材料動(dòng)態(tài)耐壓強(qiáng)度

從圖1中可以看出，兩條數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的形狀相似，動(dòng)態(tài)自由變量在垂直軸上有變化。但是數(shù)據(jù)的不確定性可能會(huì)影響到動(dòng)態(tài)自由參數(shù)的精確性。另外，是否所有的靜態(tài)自由參數(shù)由公式導(dǎo)出的動(dòng)態(tài)自由參數(shù)都符合實(shí)際。當(dāng)σ0=307 MPa，r0=0.2，動(dòng)態(tài)自由參數(shù)為Δσ=4.34 MPa。明顯，這個(gè)值是被高估了，然而，這種轉(zhuǎn)變的主要部分是動(dòng)態(tài)加載相關(guān)聯(lián)的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于濕水泥基材料的動(dòng)態(tài)耐壓強(qiáng)度，Abrams公式需要增加動(dòng)態(tài)自由變量Δσ來(lái)描述。動(dòng)態(tài)自由變量Δσ是在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)域僅依賴(lài)于所使用的加載速率，獨(dú)立于水與水泥的比。在靜態(tài)區(qū)域，Δσ接近零，但隨著負(fù)荷速率的增加，其值不可忽略。

［1］閻東民，林 皋.不同初始靜態(tài)荷載下混凝土動(dòng)態(tài)抗壓特性試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37(3)：360-363.

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［3］焦楚杰，孫 偉，周 云.鋼纖維混凝土準(zhǔn)靜態(tài)單軸受壓力學(xué)性能［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2)：56-58.

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［5］李慶斌，鄭 丹.混凝土動(dòng)力強(qiáng)度提高的機(jī)理探討［J］.工程力學(xué)，2005(22)：188-192.

［6］吳勝興，周繼凱.混凝土動(dòng)態(tài)特性及其機(jī)理研究［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，20(1)：15-28.

［7］呂培印，宋玉普.混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)及其本構(gòu)模型［J］.海洋工程，2002(2)：43-48.

［8］Dan Zheng，Li Qingbin.An explanation for rate effect of concrete strength based on fracture toughness including free water viscosity［J］.Engineering Fracture Mechanics，2004(71)：2319-2327.