活性粉末混凝土單軸受壓應力—應變關系研究綜述★

曾 翔 鄒 娟 曹寶珠

(1.海南大學土木建筑工程學院,海南 ?？?570228； 2.海南國際旅游島發展研究院,海南 ?？?570228； 3.海南工商職業學院，海南 ?？?570203)

活性粉末混凝土單軸受壓應力—應變關系研究綜述★

曾 翔1,2鄒 娟3曹寶珠1

(1.海南大學土木建筑工程學院,海南 ?？?570228； 2.海南國際旅游島發展研究院,海南 ?？?570228； 3.海南工商職業學院，海南 ?？?570203)

介紹了活性粉末混凝土(RPC)所具有的優點，結合RPC單軸受壓應力—應變關系的研究現狀，分析了目前提出的三種RPC單軸受壓應力—應變關系的優缺點，為同類問題的研究奠定了基礎。

活性粉末混凝土，單軸受壓試驗，應力—應變關系

0 引言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)為水泥和礦物摻和料等活性粉末材料、細骨料、外加劑、高強度微細鋼纖維和/或有機合成纖維、水等原料生產的超高強增韌混凝土[1]。文獻[2]對相關文獻中RPC的材料性能試驗進行總結表明，RPC的立方體抗壓強度可達200 MPa～800 MPa，抗拉強度可達20 MPa～150 MPa，斷裂能可達30 kJ/m2(普通混凝土的斷裂能只有約103 J/m2)，并且具有極低的滲透性、抗硫酸鹽侵蝕、抗化學溶液侵蝕及耐磨性等特點，其氯離子擴散系數為普通混凝土和高性能混凝土的2%～3%。RPC具有高強、耐久性較好的特點，因而在工程結構中具有很好的應用前景，且目前已大量應用于橋梁結構。在對RPC結構構件進行分析時，其單軸受壓應力—應變關系是重要的基礎。目前的相關研究文獻十分有限[3-8]，本文對RPC單軸受壓應力—應變關系的研究進行了綜述分析，為后續的研究和工程結構分析提供參考。

1 基于受壓全曲線幾何特征的多項式和有理分式分段表達擬合本構曲線

文獻[3]對一組三個200 MPa級的配鋼纖維的RPC試塊進行單軸受壓試驗，通過對試驗數據進行分析，得到RPC單軸受壓應力—應變關系：

(1)

(2)

其中，ε和ε0分別為RPC的壓應變和峰值應變；fc和fc0分別為RPC的壓應力與抗壓強度。通過試驗數據擬合，建議a和α分別取1.2和8。

文獻[4]對三組配鋼纖維的RPC試塊進行單軸受壓試驗，通過分析得到RPC單軸受壓應力—應變關系：

(3)

通過試驗數據擬合，建議a和α分別取1.1和3。

文獻[5]對100 MPa級加玄武巖纖維和不加玄武巖纖維的RPC單軸受壓應力—應變關系進行研究，同樣采用式(3)進行擬合，建議加玄武巖纖維的參數a和α分別取1.1和3，不加玄武巖纖維的RPC的參數a和α分別取0.9和4。

文獻[6]基于過鎮海提出的多項式和有理分式分段表達的式(9)進行修正，對試驗數據進行擬合，得到配鋼纖維的RPC單軸受壓應力—應變關系：

(4)

A=12.5λ-25λ2-0.57

(5)

B=213.75λ-487.5λ2-22.86

(6)

α=87.45-756.25λ+1 687.5λ2

(7)

其中,λ為水膠比，0.2≤λ≤0.24。

2 基于損傷力學推導的單軸受壓本構曲線

文獻[7]假定RPC在單軸受壓狀態下損傷變量服從韋伯統計分布，并通過損傷演化方程的推導，得到RPC單軸受壓應力—應變關系如下：

(8)

其中，E為配鋼纖維RPC的彈性模量。參數m通過單個試件的抗壓試驗擬合后，取值為4.452 1。

3 Collins修正本構曲線

文獻[8]對大量的鋼纖維活性粉末混凝土單軸受壓試驗數據進行分析，采用Collins等[10]提出的混凝土單軸受壓應力—應變關系進行修正，得到如下RPC單軸受壓應力—應變關系：

(9)

其中，

(10)

(11)

鋼纖維活性粉末混凝土單軸受壓強度fc0、峰值應變ε0以及彈性模量Ec均按下式計算：

(12)

(13)

其中，kc0為鋼纖維活性粉末混凝土的強度、峰值應變或彈性模量；kcn為相應于kc0不加鋼纖維的活性粉末混凝土的強度(fck)、峰值應變或彈性模量。參數a1和b1通過回歸分析得到，計算強度時取值分別為0.29和0.001 3，計算峰值應變時取值分別為0.52和0.002 6，計算彈性模量時取值分別為0.2和0.000 92。RI為鋼纖維加強指標；Vf為鋼纖維的體積分數；Lf為鋼纖維長度；Df為鋼纖維直徑；df為鋼纖維端部形狀修正系數(平直、彎鉤和波紋形狀分別取1，2.0和1.5)。

不加鋼纖維的活性粉末混凝土的峰值應變εc0和彈性模量Ec按下式計算：

(14)

(15)

(16)

fcu=fck+Δf

(17)

(18)

其中，式(14)，式(15)分別為文獻[10]和文獻[11]的公式。通過不同的公式與試驗結果的比較分析，式(14)與式(15)的計算誤差最小。

4 結語

目前對活性粉末混凝土單軸受壓應力—應變關系的研究還十分有限，上述基于受壓全曲線幾何特征的多項式和有理分式分段表達擬合本構曲線和基于損傷力學推導的單軸受壓本構曲線沒有考慮鋼纖維含量或玄武巖纖維含量的影響，且僅僅根據非常少的單軸受壓試驗進行簡單的回歸，缺乏合理性和適用性。已有的研究表明[12]，活性粉末混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量與峰值應變隨著鋼纖維含量的增加而線性增大，在本構曲線中考慮鋼纖維含量的影響是十分必要的。而Collins修正本構曲線考慮了鋼纖維含量的影響，并且基于大量的試驗數據進行分析，具有更廣泛的適用性，但其對應力—應變曲線下降段的描述還不夠理想，這是該曲線的一個缺點。鑒于目前對活性粉末混凝土的單軸受壓應力—應變曲線研究的嚴重不足，大量開展進一步的研究工作勢在必行。

[1] GB/T 31387—2015，活性粉末混凝土[S].

[2] 劉娟紅,宋少民.活性粉末混凝土:配制、性能與微結構[M].北京:化學工業出版社,2013.

[3] 馬亞峰.活性粉末混凝土(RPC200)單軸受壓本構關系研究[D].北京:北京交通大學,2006.

[4] 吳有明.活性粉末混凝土(RPC)受壓應力-應變全曲線研究[D].廣州:廣州大學,2012.

[5] 沈 濤.活性粉末混凝土單軸受壓本構關系及結構設計參數研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2014.

[6] 黃政宇,譚 彬.活性粉末鋼纖維混凝土受壓應力-應變全曲線的研究[J].三峽大學學報(自然科學版),2007,29(5):415-420.

[7] 程臻赟.活性粉末混凝土單軸受壓本構模型研究[J].中國水運,2012,12(12):87-88.

[8] Bae B I,Choi H K,Lee B S,et al.Compressive Behavior and Mechanical Characteristics and Their Application to Stress-Strain Relationship of Steel Fiber-Reinforced Reactive Powder Concrete[J].Advances in Materials Science and Engineering,2016(6)：218.

[9] 過鎮海.混凝土的強度和變形:試驗基礎和本構關系[M].北京:清華大學出版社,1997.

[10] Collins M P,Mitchell D， MacGregor J G..Structural design considerations for high-strength concrete[J].Concrete International,1993,15(5):27-34.

[11] Korea Concrete Institute.Concrete Design Code and Commentary[M].Kimoondang Publishing Company,Seoul,Korea,2012.

[12] 閆光杰.活性粉末混凝土單軸受壓強度與變形試驗研究[J].華北科技學院學報,2007,4(2):36-40.

Review on the stress-strain relation of reactive powder concrete under uniaxial compression★

Zeng Xiang1,2Zou Juan3Cao Baozhu1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HainanUniversity,Haikou570228,China； 2.HainanInstituteofDevelopmentonInternationalTouristDestination,Haikou570228,China； 3.HainanTechnologyandBusinessCollege,Haikou570203,China)

The paper introduces the advantages of the RPC(Reactive Powder Concrete), analyes the advantages and disadvantages of the three RPC uniaxial compressed-strain relation by combining with the research on the relation, so as to lay the foundation for the research on the similar problems.

RPC, uniaxial compressed experiment, stress-strain relation

1009-6825(2017)03-0105-02

2016-11-19 ★：海南省自然科學基金項目(20165208)；海南大學科研啟動基金資助項目(kyqd1534)

曾 翔(1983- ),男，博士，講師； 鄒 娟(1984- )，女，碩士，工程師； 曹寶珠(1970- )，男，博士，教授

TU528

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