摻復(fù)合微粉混凝土動(dòng)態(tài)抗壓特性試驗(yàn)研究

張定博 楊 璐

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中都不可避免的受到動(dòng)態(tài)荷載作用[1]，混凝土的動(dòng)態(tài)特性研究是十分必要的。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始了對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究，取得了許多豐富的成果[2-8]。

實(shí)際的建筑工程中，粉煤灰與硅灰是常見(jiàn)的礦物摻合料。硅灰中具有大量不定形二氧化硅，粒徑極小，具有極強(qiáng)的膠結(jié)力，適用于混凝土行業(yè)[9]。粉煤灰作為摻合料以代替部分水泥配制混凝土，可以節(jié)約水泥和細(xì)骨料，并且粉煤灰可以降低混凝土的水化熱[10]，改善混凝土性能。其次，在實(shí)際工程中，許多混凝土結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷過(guò)歷史荷載[11]。所以在研究混凝土動(dòng)態(tài)特性的過(guò)程中，歷史荷載也是非常重要的研究因素。

本實(shí)驗(yàn)在考慮歷史荷載作用的影響因素下，研究了摻復(fù)合微粉混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓特性，并設(shè)置了普通組作為對(duì)比，具有一定的實(shí)際工程意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。水泥為P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥；粉煤灰為一級(jí)粉煤灰；硅灰采購(gòu)于四川朗天專(zhuān)業(yè)硅灰生產(chǎn)廠(chǎng)；細(xì)骨料為中砂，系數(shù)模度為2.46；粗骨料取粒徑為5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配石子；減水劑為HSN引氣高效減水劑；水為自來(lái)水。試件放置于水池中養(yǎng)護(hù)28 d后自然養(yǎng)護(hù)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組準(zhǔn)備三個(gè)試件。混凝土配合比詳見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載方式

試驗(yàn)采用STH系列微機(jī)控制電伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載；采用的應(yīng)變速率為10-5/s,5×10-5/s,10-4/s,5×10-4/s,10-3/s，取10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率。歷史荷載分別取兩種混凝土各自靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的0%，40%，60%，75%和85%。加載時(shí)，先按10-5/s的應(yīng)變速率加載至所需要的歷史荷載值，然后卸載至0，重復(fù)三次。隨后在相同的加載方向，以待測(cè)的應(yīng)變速率施加荷載直至混凝土試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

兩種混凝土在經(jīng)過(guò)歷史荷載后在不同應(yīng)變速率下的單軸抗壓強(qiáng)度如表2，表3，圖1，圖2所示。

表2 摻復(fù)合微粉混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度 MPa

表3 普通組混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度 MPa

由表2，表3可以看出，兩類(lèi)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變速率的提升而提高，均隨著歷史荷載的增加而降低。

根據(jù)圖1兩種混凝土軸向應(yīng)力增長(zhǎng)率對(duì)比圖可以看出：摻復(fù)合微粉混凝土在同樣應(yīng)變速率下，其強(qiáng)度增加的幅度大于普通混凝土。研究認(rèn)為，混凝土的破壞是由于混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展引起的，而隨著應(yīng)變速率的增加，混凝土內(nèi)部微裂縫來(lái)不及充分?jǐn)U展而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨料受力發(fā)生破壞，因此混凝土的極限抗壓強(qiáng)度顯著提高。而摻復(fù)合微粉混凝土由于粉煤灰和硅灰的形態(tài)效應(yīng)和微骨料效應(yīng)，使得混凝土微結(jié)構(gòu)更為致密；其次，粉煤灰和硅灰的活性效應(yīng)使其中活性成分在堿性環(huán)境情況下發(fā)生水化反應(yīng)，與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，增加了膠凝體系的粘聚性能，使得混凝土的孔結(jié)構(gòu)和界面過(guò)渡區(qū)得到良好改善。所以，在同樣的應(yīng)變速率下，摻復(fù)合微粉混凝土具有更好動(dòng)態(tài)抗壓能力。

根據(jù)圖2可以看出，摻復(fù)合微粉混凝土由于其內(nèi)部條件更為致密和優(yōu)化，在相同的歷史荷載下內(nèi)部損傷較小，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低幅度比普通混凝土更小。

2.2 混凝土臨界應(yīng)變

混凝土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榕R界應(yīng)變。在不同應(yīng)變速率和歷史荷載下兩種混凝土的峰值應(yīng)變?nèi)绫?，表5，圖3,圖4所示。

表4 摻復(fù)合微粉混凝土的峰值應(yīng)變 μεc

表5 普通混凝土的峰值應(yīng)變 μεc

由表4，表5可以看出，隨著應(yīng)變速率和歷史荷載的增加，兩種混凝土的峰值應(yīng)變均減小。原因是：根據(jù)最小耗能原理[12]，系統(tǒng)發(fā)生破壞時(shí)，裂紋會(huì)選擇消耗能量較小的方式擴(kuò)展，即直接穿過(guò)骨料產(chǎn)生破壞而非繞過(guò)骨料擴(kuò)展和壓縮閉合，最終呈現(xiàn)峰值應(yīng)變較小。

由圖3，圖4可以看出摻復(fù)合微粉混凝土的峰值應(yīng)變減小的幅度比普通混凝土更小，原因是硅灰和粉煤灰能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時(shí)與水化產(chǎn)物生成凝膠體，加強(qiáng)了混凝土的內(nèi)部粘聚性；并且粉煤灰水化放熱量很少，減少了水化放熱量，明顯減少溫度裂縫，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為完整與密實(shí)。所以在同樣的應(yīng)變速率和歷史荷載條件下，摻復(fù)合微粉混凝土具有更好的變形特性。

同時(shí)也可以看出，隨著歷史荷載的增加，混凝土峰值應(yīng)變降低的幅度遠(yuǎn)大于受應(yīng)變速率影響而降低的幅度。說(shuō)明歷史荷載所造成的混凝土內(nèi)部損傷缺陷對(duì)混凝土的變形特性影響更大。

2.3 混凝土彈性模量

彈性模量是反映混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的一項(xiàng)重要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)取混凝土極限抗壓強(qiáng)度的50%處的割線(xiàn)模量作為混凝土的彈性模量進(jìn)行研究。兩種混凝土在不同應(yīng)變速率和歷史條件下的混凝土彈性模量如表6，表7所示。

表6 摻復(fù)合微粉混凝土的彈性模量 104 MPa

表7 普通混凝土的彈性模量 104 MPa

根據(jù)表6,表7以及圖5可以看出，隨著應(yīng)變速率的增加，兩種混凝土的彈性模量均顯出了增長(zhǎng)趨勢(shì)。相比之下，普通混凝土的彈性模量增長(zhǎng)率要低于摻復(fù)合微粉混凝土。這說(shuō)明復(fù)合微粉的摻入對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓彈性模量有著很大的影響。同時(shí)，當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著歷史荷載的增加，兩種混凝土的彈性模量均隨之減小，原因是經(jīng)過(guò)了歷史荷載的作用，兩種混凝土內(nèi)部都產(chǎn)生了一定程度的損傷，從而出現(xiàn)了強(qiáng)度劣化的現(xiàn)象。在相同的情況下，摻復(fù)合微粉混凝土內(nèi)部損傷較普通混凝土更小，彈性模量損傷率更小。

3 結(jié)語(yǔ)

1)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的提高而增大；摻復(fù)合微粉混凝土由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，在相同的應(yīng)變速率和歷史荷載條件下，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度優(yōu)于普通混凝土。

2)混凝土的臨界應(yīng)變隨著應(yīng)變速率和歷史荷載的增加而減小；在相同的應(yīng)變速率和歷史荷載條件下，摻復(fù)合微粉混凝土的峰值應(yīng)變減小的幅度比普通混凝土更小，具有更好的變形特性。

3)混凝土的彈性模量都隨著應(yīng)變速率的增加而逐漸增大；隨著歷史荷載的增加，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度劣化，兩種混凝土的彈性模量都逐漸減小；經(jīng)過(guò)對(duì)比摻復(fù)合微粉混凝土彈性模量損失率更小。