不同初始靜載混凝土軸向拉伸試驗研究

范向前， 胡少偉,， 陸 俊， 陳啟勇

(1. 南京水利科學研究院，南京 210024； 2. 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098； 3. 河海大學，南京 210098 )

不同初始靜載混凝土軸向拉伸試驗研究

范向前1,2， 胡少偉1,2,3， 陸 俊1,2， 陳啟勇3

(1. 南京水利科學研究院，南京 210024； 2. 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098； 3. 河海大學，南京 210098 )

為研究混凝土材料的動態性能，利用MTS-810NEW液壓伺服試驗機對尺寸為100 mm×100 mm×510 mm棱柱體混凝土材料試樣進行了初始靜態荷載為0～20 kN的動態軸向拉伸試驗，研究了混凝土材料經歷不同初始靜態荷載后的動態拉伸破壞特征、應力應變關系和動態抗拉強度。結果表明：荷載值由靜態過渡到動態荷載時，混凝土材料的動彈性模量發生較大變化，且隨著初始靜態荷載值的增加，混凝土材料動彈性模量有增大趨勢；混凝土材料動態應力應變關系曲線中，峰值應力所對應的應變值與初始靜態荷載值無關；隨著初始靜態荷載的增加，混凝土材料動態拉伸破壞斷面面積逐漸增大，且粗骨料被拉斷的數目隨著初始靜態荷載的增加而先增加，后趨于平穩；隨著初始預加靜態荷載值的增加，混凝土材料的動態軸向拉伸強度先增加，然后趨于穩定。

混凝土;初始靜載;軸向拉伸;試驗

盡管，在以往對混凝土材料動力性能的研究中，已取得了不少成果。但是，已有研究資料絕大多數是在無初始靜載條件下進行的，而實際的混凝土結構，尤其是大型混凝土結構，在其工作過程中通常承擔一定的初始靜力荷載作用。鄒篤建等[1]在10-5～10-2s-1應變率范圍內研究了混凝土柱的軸心動態抗壓試驗，結果表明混凝土材料的抗壓強度也隨著應變速率的增加而逐漸增加，相對準靜態抗壓強度(應變率為10-5s-1)，當應變率為10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1時，混凝土的抗壓強度分別增加了7.45%、19.51%和29.23%。劉傳雄等[2]利用直徑100 mm的SHPB裝置對骨料尺寸為15～20 mm的混凝土試樣進行了應變率范圍30～180 s-1的動態壓縮試驗，結果表明：在動態壓縮強度附近應力區，混凝土材料表面將首先出現一條沿混凝土軸向的可見宏觀裂紋，而多條主裂紋的形成與擴展導致混凝土的最終破壞。范向前等[3]采用MTS動態試驗機對棱柱體混凝土試件進行軸向拉伸試驗，分析了7種不同應變速率條件下混凝土試件動態特性變化規律，結果表明混凝土動態軸拉強度、彈性模量和峰值應變均隨著應變速率的增加而逐漸增大，且混凝土動態軸拉強度、彈性模量和峰值應變增長因子同動靜態應變速率比值的對數呈線性增長關系。YON等[4]采用位移控制加載系統研究混凝土試件彎拉動態特性，研究結果表明，當應變速率為0.24 s-1時，相對于準靜態情況，混凝土試件抗壓強度、抗拉強度和抗拉彈性模量分別提高了41%、60%、110%。TEDESCO等[5]開展了應變速率從10-1～10-3s-1范圍內混凝土試件的劈拉試驗和單軸壓縮試驗，并給出了單軸壓縮條件下混凝土試件的動態應力-應變關系曲線。

在混凝土動態抗壓和拉伸試驗研究的基礎上，相關學者開展了荷載歷史對混凝土靜態強度特性的影響。逯靜洲等[6-8]對立方體混凝土試件進行試驗，首先讓試件經歷常規三軸受壓荷載歷史，然后測量其抗壓、劈拉強度的劣化性能。結果表明，經歷荷載歷史后，混凝土的損傷程度有一定發展。徐浩等[9]采用萬能試驗機研究應變速率以及預加初始靜態荷載對水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)動態抗壓強度和變形特性的影響，結果表明，預加初始靜態荷栽對CA砂漿的動態強度影響明顯，隨著初始荷栽的增加，CA砂漿的強度降低。在應變速率發生變化的位置，CA砂漿的切線模量發生改變。林皋等[10]用楔入劈拉試驗對混凝土試塊施加頻率為10 Hz高頻預加拉伸荷載，測出荷載-位移全過程曲線，通過與未承受加載歷史的混凝土準靜態斷裂參數比較，發現當預加拉伸荷載值超過某一特定值后，混凝土的抗裂能力顯著降低，從而認為混凝土的斷裂參數不是獨立于加載歷史的物理量。BALLATORE等[11]對圓柱體試件先進行30 min～2 h不等的低幅度、頻率1 Hz的預加動態循環荷載，然后量測其靜態的抗壓強度，發現強度增加10%～15%不等，變形能力減小86%或22%(降低程度依賴于混凝土的類型)。這些研究工作只考慮了荷載歷史對混凝土靜態強度和變形性能的影響，而沒有涉及到混凝土在動態荷載下的力學性能。YAN等[12]開展了初始靜態荷載對混凝土動態抗壓性能的影響，結果表明隨著初始預加荷載幅度的增加，混凝土的動態強度趨于降低，當應變速率發生改變時，混凝土的切線彈性模量也相應的發生變化。KAPLAN[13]在研究中考慮了初始靜態荷載對混凝土動態抗壓性能的影響作用，僅對混凝土試件的動態強度性能進行了初步考察，而有關初始靜態荷載對混凝土動態抗拉特性的影響，研究資料比較欠缺。

實際上，混凝土結構大多是在承受一定的靜態荷載的情況下而再遭受地震荷載的。在國內外的研究工作中，這一特點一直沒有得到應有的重視。有必要對有初始靜態荷載情況下混凝土的動態力學性能進行研究。

1 不同初始靜載試驗方案

試驗采用100 mm×100 mm×510 mm的模具一次澆筑完成相同棱柱體混凝土試件共計5組30根。混凝土試件初始設計強度等級為60 MPa，由規格為P.II 52.5的水泥、粉煤灰、中砂、碎石、水及外加劑JM-8拌制而成。所有試驗都采用南京水利科學研究院的MTS-810NEW液壓伺服試驗機。采用間距為250 mm的超大型號夾式引伸計放置在混凝土棱柱體試件中間，測試混凝土中間段的應力應變關系曲線，夾式引伸計測量范圍為-2.5～+2.5 mm。試驗過程中，為了保證軸向拉伸荷載不偏離試件的中心軸，將自主研發的轉動連接件連接在試件兩端預埋的鋼筋上，如圖1所示。

圖1 試驗加載裝置Fig.1 Loading test equipment

考慮到混凝土結構在地震荷載作用下對應的應變速率為1×10-3～1×10-2s-1，因此，試驗設計過程中，靜態應變速率選擇為1×10-4s-1，荷載達到設定靜載值時，穩定15 s后，采用1×10-3s-1的應變速率加載至試件破壞。初始靜載值設計有0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN共計5種情況，具體如圖2所示。

鑒于動態軸向拉伸試驗過程較短，難免存在有一定誤差，為更加真實地反映試驗結果，不同初始靜載對應進行混凝土軸向拉伸試驗每組設計6個，剔除偏離均值較大(±15%以外)的試驗結果，且滿足有效試驗數據不少于3個。除試驗結果為評判試驗成功與否的標準外，試件最終斷開位置也是評判試驗成功的一個重要標準，斷開位置偏離試件中點10 cm以上的試件，數據處理過程中，需要將其剔除。有效破壞試驗結果如圖3所示。

圖2 不同初始靜載軸拉試驗加載圖Fig.2 The dynamic axial tensile test programs on different initial static load of concrete

圖3 試驗有效破壞結果圖Fig.3 Effective test results

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變關系曲線

試驗測得不同初始靜載(0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN)棱柱體混凝土動態軸向拉伸試件應力應變關系曲線如圖4所示。

通過對圖4不同初始靜載混凝土軸拉試件應力應變關系變化曲線進行線性回歸，表1給出了不同初始靜載動態軸向拉伸下，混凝土棱柱體試件的初始彈性模量、動態彈性模量、峰值應力和峰值應力對應的應變值。

圖4 不同初始靜載混凝土軸拉試件應力應變曲線Fig.4 The axial tensile stress-strain curve on different initial static load of concrete

0kN5kN10kN15kN20kN初始荷載下應力應變曲線斜率0．08770．10460．17450．1411動態荷載下應力應變曲線斜率0．18990．15690．18230．23370．2161峰值應力/MPa3．43453．73963．76154．75183．8592峰值應力對應的應變值×10-632．806035．923533．697928．932524．0184

由圖4和表1可知，初始靜態荷載對混凝土動態軸向拉伸應力應變關系曲線斜率具有一定影響。對比無初始靜態荷載狀態下混凝土試件應力應變關系曲線圖4(a)，經歷初始靜態荷載后，混凝土棱柱體試件動態拉伸應力應變曲線均發生不同程度的變化。在應變速率發生變化的位置，應力應變曲線的斜率表現出顯著變化趨勢，由表1結果可知，初始靜載值為5 kN、10 kN、15 kN、20 kN時，其動態應力應變關系曲線斜率值相對于初始靜態應力應變關系曲線斜率值，分別增加了0.069 2、0.077 7、0.059 2、0.075 0。

進一步分析圖4可以發現，初始靜態荷載較小時，混凝土動態應力應變曲線上，動態拉伸段混凝土動態荷載下應力應變曲線斜率值相對較小，初始靜載5 kN、10 kN對應試驗結果分別為0.156 9和0.182 3；當初始靜態荷載較大時，施加動態荷載后，動態拉伸段混凝土動態荷載下應力應變曲線斜率值相對較大，初始靜載15 kN和20 kN對應試驗結果分別為0.233 7和0.216 1。在混凝土結構的動力計算中應該充分注意這一特點。

除初始靜載為15 kN所對應的峰值應力較大外，其余情況下，混凝土動態軸向拉伸所對應的峰值應力差別不大。應力應變關系曲線中峰值應力所對應的應變值隨著初始靜態荷載值的增加先增大，然后逐漸減小，說明初始靜態荷載不僅對軸向拉伸棱柱體混凝土試件的應力應變曲線斜率有一定影響，同時對混凝土試件開裂破壞時所對應的延性也存在有一定影響。

2.2 試驗現象

如圖5所示，由不同初始靜載(0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN)棱柱體混凝土動態軸向拉伸試件破壞試驗照片可知，初始靜態荷載大小的不同，對混凝土棱柱體試件的斷裂破壞現象具有一定影響。

圖5 不同初始靜載混凝土軸拉試件破壞截面圖Fig.5 The axial tensile specimen damage photos on different initial static load of concrete

由圖5可知，初始預加靜態荷載值的不同，導致混凝土棱柱體試件動態軸向拉伸破壞結果有所不同。隨著初始預加靜態荷載值越大，混凝土動態拉伸破壞所經歷的時間越長，破壞時裂縫擴展越充分，裂縫有充足時間沿著試件相對薄弱位置開裂擴展，因此，圖5(a)～圖5(e)中，初始預加靜態荷載值越大，混凝土棱柱體試件動態破壞后，破壞斷面面積就越大。另外，由于初始靜態荷載僅增加了砂漿的損傷程度，對混凝土試件的骨料影響較小，因此，遭受初始靜態荷載混凝土試件的動態破壞結果仍然由動態應變率來決定，從而圖5中，相對于初始擬靜載為0 kN的混凝土試件，經歷初始靜態荷載后，混凝土動態破壞時粗骨料被拉斷的數量明顯增加，當初始靜態荷載增加到一定量值時，混凝土棱柱體試件動態破壞時，粗骨料被拉斷的數量增加不再明顯，如圖5(c)～圖5(e)。

2.3 軸拉強度

混凝土棱柱體試件軸向拉伸強度隨試驗設計5組不同初始靜載變化曲線如圖6所示。

圖6 不同初始靜載混凝土試件軸拉強度變化曲線Fig.6 The axial tensile strength curve on different initial static load of concrete

由圖6可知，隨著初始靜態荷載值的逐漸增加，混凝土棱柱體試件動態軸向拉伸強度先增加，后趨于平穩。這一現象說明，混凝土材料的動態抗拉強度，不僅與混凝土試件破壞時的動態荷載形式有關，還與動態荷載的作用歷史有關。混凝土速率敏感性的產生與混凝土內部自由水的黏滯性以及混凝土破壞形式的改變有關[12,14]。在初始靜態荷載作用下，隨著荷載值的增加，混凝土內部微裂紋得到不斷發展，相互連通裂縫的發展途徑選擇在該應變速率下的最為薄弱環節，當有較高應變速率施加到混凝土試件上時，由于速率的改變，在現有狀態下裂縫的發展規律不一定沿原來(靜態荷載下)所選的路徑繼續發展下去，而是重新選擇當前的最薄弱路徑進行發展，應變速率越高，微裂縫通過試件內部強度較高區域的可能性越大。這是因為加載速率提高后，穿越較高強度區域的途徑較短，所消耗的總能量可能更少，宏觀上表現為材料強度的提高。當初始靜態荷載較大時，如圖6中初始靜態荷載超過10 kN時，隨著荷載的逐漸增加，混凝土內部微裂紋可以得到充分發展，甚至可形成相互連通裂縫，因此，達到較大初始靜態荷載后再進行動態拉伸試驗時，混凝土動態破壞過程將延續初始靜態荷載形成的連通裂縫，從而，混凝土棱柱體試件動態抗拉強度增加幅度逐漸減小，或趨于平穩。

初始預加靜態荷載較小時，混凝土試件的破壞過程主要受動荷載的影響，靜態荷載值越大作用時間越長，從而混凝土動態軸向拉伸強度值提高的幅度相對越大。當初始靜態荷載較大時，微裂紋在混凝土內部已經得到充分的發展，當施加動態荷載作用時，裂縫穿過強度較高的區域較少，從而動態抗拉強度提高的幅度便不再繼續增加。

3 結 論

(1)在加載過程中，當應變速率發生變化時，即由靜態加載轉化為動態加載時，混凝土的動彈性模量也相應的發生變化。初始靜態荷載較大時，混凝土動彈性模量的變化規律應該引起足夠重視。

(2)混凝土材料動態應力應變關系曲線中，初始靜態荷載值對峰值應力所對應的應變值影響較小。

(3)混凝土棱柱體試件動態軸向拉伸破壞斷面隨著初始靜態荷載的增加而逐漸增大，且粗骨料被拉斷的數目越多，當初始靜態荷載達到一定量值時，試件破壞時，被拉斷的粗骨料數增加不再明顯。

(4)預加初始靜態荷載對混凝土的動態性能產生重要的影響，隨著初始預加荷載幅度的增加，混凝土的動態軸向拉伸強度先增加，然后趨于平穩。

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Effects of initial static loads on the tensile strength of concrete

FAN Xiangqian1,2, HU Shaowei1,2,3, LU Jun1,2, CHEN Qiyong3

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024，China；2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210098，China；3. Hohai University, Nanjing 210098，China)

In order to investigate the dynamic uniaxial tension behavior of concrete material, dynamic tests on its specimens with the sizes of 100 mm×100 mm×510 mm were performed under initial static axial tensile load from 0 kN to 20 kN using the MTS-810NEW hydraulic servo testing machine. The dynamic tensile failure characteristics, the stress-strain relation and the dynamic tensile strength of concrete material under different initial static loads were studied. The results show that the dynamic elastic modulus of concrete material will have a big change when the load transits from quasi static state to dynamic state, and the dynamic elastic modulus of concrete material shows an increasing tendency with the increase of initial static load. The peak strain of concrete material is unrelated to the initial static load according to the dynamic stress-strain curves. With the increase of initial static load, the dynamically fractured sectional area of concrete specimen increases gradually, the number of fractured coarse aggregates first increases and then keep constant, and the dynamic axial tensile strength of concrete material first increases gradually and then keep constant.

concrete; initial static load; uniaxial tension; test

國家杰出青年科學基金(51325904)；國家自然科學基金(51409162; 51679150)；國家重大科研儀器研制項目(51527811)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140081)；國家重點研發計劃資助(2016YFC0401907)；水利部公益性行業專項經費項目(201501036)；南京水利科學研究院基金(Y415005)

2015-08-13 修改稿收到日期：2015-11-26

范向前 男，博士后，1982年生

胡少偉 男，博士，教授，博士生導師，1969年生

TV331;TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.013