不同應(yīng)變率下煤矸石混凝土受壓破壞研究

孔 鵬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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不同應(yīng)變率下煤矸石混凝土受壓破壞研究

孔 鵬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

通過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，從彈性模量及臨界應(yīng)變兩方面，探討了不同應(yīng)變率下煤矸石混凝土的受壓破壞規(guī)律，得出了一些結(jié)論，為類似問題的研究提供了依據(jù)。

煤矸石，混凝土，應(yīng)變率，彈性模量

煤矸石作為廢棄材料經(jīng)常被丟棄在荒郊野外[1]，占用人類的耕地以及建筑面積，大量煤矸石存在造成人類家園的破壞，影響著人類的居住。本文將制備好的煤矸石混凝土進(jìn)行受壓破壞，得出煤矸石在不同應(yīng)變率下受壓破壞的特征。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

配置煤矸石混凝土使用的原材料與普通混凝土一樣采用常見的原料，包括水泥，砂石以及硅灰和煤矸石，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)需要添加減水劑，硅灰的用量為水泥的2%，煤矸石占用石子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%，按照普通C30混凝土的配方進(jìn)行配置煤矸石混凝土。

2 試件制備

測(cè)試試件的尺寸為邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊，山西某地的硅酸鹽水泥和河沙，以及粒徑范圍為5 mm～20 mm的煤矸石和天然石子放入容量為40 L的攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，大概2 min～3 min后將拌合物放入模具中進(jìn)行定型[2]，室溫下靜待1 d后，放入養(yǎng)護(hù)池中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，期間要不斷進(jìn)行加水，以保證養(yǎng)護(hù)過程中有充足的水，試驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)用水和拌合水均采用城市自來水。

3 試件加載方式

目前地震發(fā)生頻繁，為使材料更加有利于實(shí)際工程的應(yīng)用，取其中準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率為10-5/s，抗壓試驗(yàn)的應(yīng)變率設(shè)定為10-5/s，10-4/s，10-3/s，10-2/s四個(gè)范圍。具體加載方式為直接通過電液壓力機(jī)將試件加載至破壞狀態(tài)，每個(gè)應(yīng)變速率的試件個(gè)數(shù)為3[3]，若試驗(yàn)過程中，得到的數(shù)據(jù)具有較大的離散性時(shí)，應(yīng)增加該組試件的數(shù)量，確保可以得到理想的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

混凝土應(yīng)力之間的關(guān)系以及混凝土的應(yīng)力以及應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以通過混凝土的受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行觀測(cè)以及數(shù)據(jù)說明。煤矸石混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在初始受力階段皆呈現(xiàn)線性關(guān)系，即此時(shí)的煤矸石混凝土表現(xiàn)為彈性階段，隨著加載壓力的增加，曲線由直線轉(zhuǎn)為曲線，不再是線性關(guān)系，而呈現(xiàn)非線性關(guān)系，而且應(yīng)變速率的增加使得混凝土強(qiáng)度有一定程度的增加[4]，但是明顯的臨界應(yīng)變卻呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)得出應(yīng)變率的增加有利于混凝土的抗壓極限強(qiáng)度，即煤矸石混凝土的抗壓極限強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增大，應(yīng)變率從準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率開始逐漸加大加載，基于這個(gè)應(yīng)變率得到的數(shù)據(jù)，應(yīng)變率遞增，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的提高了，具體提高數(shù)值為9.71%，15.09%，25.38%。究其原因，主要是由于混凝土內(nèi)部的砂漿在受到破壞時(shí)，應(yīng)變率大的使其砂漿內(nèi)部的裂縫得不到充分的擴(kuò)展，從而使得把混凝土內(nèi)部強(qiáng)度較高的粗骨料當(dāng)成試塊破壞的主要原因，因而增加了煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度[5]。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得知，混凝土抗壓強(qiáng)度的增加和應(yīng)變率的關(guān)系如下：

(1)

根據(jù)式(1)以及本文通過試驗(yàn)得到的結(jié)論得出，煤矸石混凝土應(yīng)變率和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：

(2)

其中，εd為試驗(yàn)過程中的應(yīng)變率；εs為10-5/s對(duì)應(yīng)下的應(yīng)變率(此處定義為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率)；fs為10-5/s對(duì)應(yīng)下的混凝土的抗壓強(qiáng)度；fd為εd對(duì)應(yīng)下的煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度。通過理論計(jì)算，擬合的曲線與試驗(yàn)均值點(diǎn)線性相關(guān)性為0.991，與具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性相關(guān)性為0.953。

同樣可以得出煤矸石混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加系數(shù)與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈直線線性關(guān)系，具有較好的吻合性，認(rèn)為該公式對(duì)于本次煤矸石混凝土的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有效。

3.3 混凝土彈性模量

本文中煤矸石混凝土的彈性模量[6]取為初始受力階段應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始線段的切線模量，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，煤矸石混凝土的彈性模量和應(yīng)變率的變化成正比，應(yīng)變率的增加會(huì)增大煤矸石混凝土的彈性模量，遞增的應(yīng)變率下煤矸石混凝土的彈性模量相比于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率分別提高了3.2%，5.9%和9.7%。

3.4 混凝土臨界應(yīng)變

混凝土臨界應(yīng)變的數(shù)值取為應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€的峰值應(yīng)力處的應(yīng)變?cè)囼?yàn)得到，隨著應(yīng)變率的增加，煤矸石混凝土的臨界應(yīng)變逐漸減少。究其原因，可以從混凝土峰值應(yīng)變的組成出發(fā)，峰值應(yīng)變由粘性應(yīng)變和彈性應(yīng)變組成，應(yīng)變率不斷增加，使得粘性應(yīng)變逐漸減小，因此導(dǎo)致總應(yīng)變下降，即臨界應(yīng)變減小。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，混凝土臨界應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系如下：

(3)

從本文中的數(shù)據(jù)，可以得到煤矸石混凝土臨界應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系如下：

(4)

煤矸石混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加系數(shù)[7]與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈直線線性關(guān)系，具有較好的吻合性，認(rèn)為該公式對(duì)于本次煤矸石混凝土的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有效。

將煤矸石混凝土在不同應(yīng)變率下應(yīng)力與相應(yīng)峰值應(yīng)力平均值作為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)此應(yīng)力下的損傷值為縱坐標(biāo)得出不同應(yīng)變率下煤矸石混凝土受壓損傷變量與應(yīng)力比之間的關(guān)系,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的曲線呈現(xiàn)出相似的形狀，有明顯的三個(gè)階段：第一階段為未損傷階段，在這個(gè)階段內(nèi)損傷的情況不是很嚴(yán)重，可以忽略不計(jì)，甚至不會(huì)出現(xiàn)任何損傷的特點(diǎn)；第二階段為損傷穩(wěn)定發(fā)展階段[8]，此階段的損傷情況開始嚴(yán)重，而且加載壓力越大，損傷的情況越嚴(yán)重；第三階段為損傷不穩(wěn)定發(fā)展階段，損傷在此階段迅速發(fā)展，直至試件發(fā)生破壞，而且這個(gè)階段的損傷增加沒有任何的規(guī)律性，損傷的發(fā)展迅速。

通過對(duì)比分析，得到不同應(yīng)變率下混凝土損傷應(yīng)力檻值以及檻值和臨界應(yīng)變的比值數(shù)，得到應(yīng)變率的增加使得檻值與最大應(yīng)變的數(shù)值變化沒有特別明顯的變化，由于應(yīng)變率增大，一方面阻礙煤矸石混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，同時(shí)也限制了煤矸石混凝土變形的發(fā)展，故其影響較小。

將煤矸石混凝土在不同應(yīng)變率下煤矸石混凝土受壓應(yīng)變水平比作為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)此應(yīng)力下的損傷值為縱坐標(biāo)得出的曲線呈現(xiàn)出相似的形狀，跟之前的不同應(yīng)變率下煤矸石混凝土受壓損傷變量與應(yīng)力比之間的關(guān)系圖相類似，同樣分為三個(gè)階段：第一階段為未損傷階段，在這個(gè)階段內(nèi)損傷的情況不是很嚴(yán)重，可以忽略不計(jì)，甚至不會(huì)出現(xiàn)任何損傷的特點(diǎn)；第二階段為損傷穩(wěn)定發(fā)展階段，此階段的損傷情況開始嚴(yán)重，而且加載壓力越大，損傷的情況越嚴(yán)重；第三階段為損傷不穩(wěn)定發(fā)展階段，損傷在此階段迅速發(fā)展，直至試件發(fā)生破壞，而且這個(gè)階段的損傷增加沒有任何的規(guī)律性，損傷的發(fā)展迅速。

4 結(jié)語

煤矸石混凝土具有較好的性能，通過不同應(yīng)變率下對(duì)煤矸石混凝土的受壓進(jìn)行力學(xué)分析，得出煤矸石混凝土和普通混凝土基本一樣，而且應(yīng)變速率的增加使得混凝土強(qiáng)度有一定程度的增加，但是明顯的臨界應(yīng)變卻呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)；煤矸石混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加系數(shù)與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈直線線性關(guān)系，吻合度較高；煤矸石混凝土的彈性模量和應(yīng)變率的變化成正比，應(yīng)變率的增加會(huì)增大煤矸石混凝土的彈性模量；煤矸石混凝土的臨界應(yīng)變跟應(yīng)變率的變化成反比，臨界應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增加反而逐漸減小。

[1] 徐良驥,黃 璨,章如芹,等.煤矸石充填復(fù)墾地理化特性與重金屬分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014(5):211-219.

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[3] 郭彥霞,張圓圓,程芳琴.煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化及其展望[J].化工學(xué)報(bào),2014(7):2443-2453.

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The research on the coal gangue concrete under different strain rate compression damage

Kong Peng

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

According to the static and dynamic tests, the paper explores the compression damage of the coal gangue concrete under different strain rate from the elastic modulus and critical strain, and achieves some conclusion, so as to provide some reference for similar projects.

coal gangue, concrete, strain rate, elastic modulus

1009-6825(2016)22-0050-02

2016-05-20

孔 鵬(1983- )，男，工程師

TU501

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