混合骨料混凝土應力-應變全曲線的研究

關鍵詞: 頁巖陶粒; 應力-應變全曲線;峰值應力

中圖分類號: TＵ528.2 文獻標志碼: A 文章編號:1671－4431(2007)07－0018－04

　　混凝土的單軸受壓應力-應變全曲線是其力學性能的綜合性宏觀反應，是研究混凝土結構承載力和變形的主要依據。國內外許多學者已經對普通混凝土和高強混凝土的應力-應變全曲線開展了大量的研究^〔1-2〕，得出高強混凝土與普通混凝土相比，其應力-應變全曲線上升段更接近于直線，相應于最大應力處的應變值增大，下降段更陡的結論。對于輕骨料混凝土的應力-應變全曲線國內外也做了很多試驗工作^[3-5]，發(fā)現(xiàn)在同等峰值應力情況下，輕骨料混凝土的峰值應變要大于普通混凝土的峰值應變。而對于以輕骨料替代部分普通骨料配制的混合骨料混凝土應力-應變全曲線的研究還是空白，因此系統(tǒng)地研究陶粒與碎石以不同體積比混合配制的混凝土在不同齡期時的應力-應變全曲線，并與同水灰比的普通混凝土和輕骨料混凝土進行比較，對于結構設計具有重要的意義，以期為混合骨料混凝土的應用提供基本的本構關系。

1 實驗

1.1 原材料

　　試驗用哈爾濱水泥廠生產的天鵝牌PO42.5水泥。哈爾濱第三發(fā)電廠生產的Ⅰ級粉煤灰。哈爾濱賓縣生產的普通型頁巖陶粒，最大粒徑16mm ，1h吸水率5.6%，筒壓強度6.4MPa。5-20mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，視密度2643kg/m³。細度模數(shù)2.9、含泥量1.05%、體積密度2610kg/m³級配合理的中砂。唐山產UNF-5高效減水劑和上海產SJ-2型引氣劑。各種原材料性能指標均滿足標準要求。

1.2 方案

1.2.1 配合比

　　試驗配合比以普通混凝土配合比為基準配合比，其控制參數(shù)為:水灰比0.29，粉煤灰摻量15%，超量取代系數(shù)1.3，調整減水劑和引氣劑的摻量，控制混凝土拌合物坍落度為30-50mm，含氣量為(5土0.5)%。在基準配合比基礎上分別用不同比例(0、25%、50%、75%、10%)的賓縣普通型頁巖陶粒取代相同體積的碎石配制試驗用各組混凝土，編號分別為B印、BP25、BP50、BF75、BP100。

1.2.2 方案

　　試件尺寸為100mm×l00mm ×300mm ，試驗標距為200mm，試驗在YES200普通液壓試驗機上進行，并附加2臺剛度較大的剛性元件來承擔部分荷載，以提高加載系統(tǒng)的整體剛度，同時對于強度較高的BFC組試件，下降段采用多次重復加卸載的方法，以便測出應力-應變全曲線的下降段，加載應變速率保持在5件/s。試驗采用位移計測量混凝土的軸向變形，通過拉壓傳感器和位移計將荷載和縱向變形轉化為電信號，并用X-Y函數(shù)記錄儀進行數(shù)據采集。

2 結果及分析

2.1 現(xiàn)象

　　對于陶粒摻量較多的混凝土試件BP50、BP75和BP100，加載至試件極限荷載的90%左右，試件表面開始出現(xiàn)平行于受力方向的微細裂紋，裂縫數(shù)量基本沒有增長;對于陶粒摻量較少的試件BP0和BP25，當荷載達到峰值應力或超過峰值應力時，裂縫數(shù)量則迅速增加，且裂縫寬度也增大，峰點過后，很快出現(xiàn)平行于荷載方向的可見裂縫，試件內部劈裂聲更加明顯，隨后形成斜裂縫并迅速發(fā)展，貫通整個截面，大多數(shù)試件斷裂成若干分離的小柱而導致整體試件的最后破壞。

　　從斷面的破壞形式來看，未摻陶粒的混凝土BFD基本上屬于斜面剪切破壞形態(tài)，隨陶粒摻量的增加，破壞則由斜截面剪切轉為縱向劈裂。

2.2 結果

2.2.1 全曲線分析

　　對每組3個試件的曲線取平均值得到5組陶粒與碎石不同體積比混合配制的混凝土應力-應變全曲線，圖1為分別養(yǎng)護至28 d和150d時的應力-應變全曲線最終匯總結果。

　　從圖1中可以明顯看出如下特征。1)隨陶粒摻量的增加，曲線上升段的斜率依次變小，表示配制的混凝土彈性模量依次降低。這是由于輕骨料自身的彈性模量較低，剛性小，抑制水泥石基體應變的能力弱的緣故。2)隨著陶粒摻量的增加，曲線下降段的坡度變得越緩，這一方面是由于陶粒的摻人使得混凝土的強度有所降低，而強度的大小又是決定曲線下降段形狀的最重要的因素;另一方面，當試件所承受的荷載超過峰值應力時，由初始裂縫形成的可見裂縫發(fā)生并不斷被新的貫穿裂縫分割直至形成主要貫通裂縫，這一形成過程中許多應力集中使得混凝土破壞速度加快，而彈性模量較低的輕骨料的摻人延緩了這種現(xiàn)象的發(fā)生。3)隨著混凝土養(yǎng)護齡期的增長，各組混凝土的上升段更接近于直線，下降段更陡，峰值應力均增長，而峰值應變卻有所降低。不過150d齡期時各條曲線隨陶粒摻量的變化規(guī)律與28 d的類似。

2.2.2 峰值點分析[Page]

　　從圖2和圖3中可以看出隨著陶粒摻量的增加，混凝土的峰值應力幾乎呈線性趨勢降低，這與其強度變化規(guī)律類似，主要是由于陶粒自身的顆粒強度較低，低于水泥石的強度，陶粒摻量的增加，使得混凝土中易破壞的薄弱環(huán)節(jié)增多的緣故。其峰值應變隨著陶粒摻量的增加略微降低，這是由于輕骨料混凝土的峰值應變比相同強度等級的普通混凝土大，且峰值應變隨強度等級的提高而有所增大[5]，所以隨著陶粒摻量的增加，一方面由于輕骨料的摻人使得其配制的混凝土峰值應變增加，而另一方面其帶來的混凝土強度降低又導致應變變小，兩方面的綜合作用使得混合骨料混凝土的峰值應變與同水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土相比變化不大。

　　隨著齡期的增長，各組混凝土的峰值應力都增長，而峰值應變卻有所下降。這是由于水泥水化程度的提高和本試驗的各組混凝土均摻加了粉煤灰，粉煤灰的二次水化效應使得后期水泥石結構更加致密，強度逐漸增長，峰值應力增加;而水化產物的充分填充也使得水泥石總孔隙率變小，脆性變大，所以峰值應變均有所降低。

2.2.3 數(shù)據擬合

　　對試驗的所有曲線無量綱化，無量綱坐標用x＝ε/ε_c，y=σ/σ_c表示，得到的典型曲線如圖4所示。

　　上升段采用過鎮(zhèn)海等提出的數(shù)學表達式模型(2)進行擬合，無量綱化以后各組混凝土上升段的試驗點差異不大，因此可對所有試驗點用一條曲線擬合，擬合后的參數(shù)A為1.2143，方程式為

y= 1 .2143x + 0.5714x ² －0 .7857x ³ (1)

　　曲線與試驗點吻合良好，其相關系數(shù)R²為0.9871。

　　對于曲線下降段目前較為常用的形式是有理式，通過對試驗結果的分析，當1≤x≤1.2時，各曲線方程也采用三次多項式(3)和試驗結果較吻合;當1.2≤x≤5.0時，采用公式(4)來對各組混凝土應力-應變關系進行Sigmoidal有理函數(shù)形式的數(shù)值逼近。擬合后的曲線見圖5，系數(shù)見表1。

　　從圖5中可以看出，各段的試驗結果與擬合曲線均吻合良好，其相關系數(shù)R²≥0.915。并且當陶粒摻量不少于50%時，配制的各組混凝土應力-應變全曲線基本不受齡期的影響。

3 結論

　　a. 混合骨料混凝土的應力-應變全曲線方程宜采用分段曲線的形式，其中上升段仍可采用與GB50010-2002中普通混凝土全曲線相同的形式，但其中系數(shù)不同。

　　b. 對于同水灰比的各組混凝土，隨陶粒摻量的增加，混凝土應力-應變全曲線的上升段斜率變小，下降段的坡度變緩，峰值應力幾乎呈線性趨勢降低，而其峰值應變則變化不大;隨齡期的增長，各組混凝土的上升段更接近于直線，下降段更陡，峰值應力均增長，而峰值應變卻有所降低。

　　c. 對于同強度等級的各組混凝土，當陶粒摻量較多時，其應力-應變全曲線基本不受齡期的影響。