強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓特性的影響分析

王 濤

（石家莊市西柏坡高速公路管理處，河北 石家莊 050000）

0 引言

混凝土是一種由骨料、水泥、砂子、水以及外加劑經(jīng)均勻攪拌而成的一種混合料，混凝土在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用非常廣泛，幾乎涵蓋土木工程的全部領(lǐng)域。混凝土在動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)特性與靜荷載下的特性具有很大的差別，如何明確混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下的力學(xué)特性，以保證其在結(jié)構(gòu)工程使用中的安全性，需要深入研究。因此，研究動(dòng)態(tài)作用下混凝土在實(shí)際工程中的受力性能至關(guān)重要[1]。

1 混凝土單軸動(dòng)態(tài)抗壓特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件

混凝土采用小型攪拌機(jī)自行攪拌。水泥采用奎山P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為級(jí)配Ⅱ區(qū)中砂，粗骨料為碎石，石子最大粒徑為20mm，攪拌水為普通自來水，減水劑為高性能聚羧酸減水劑。一般試件的高寬比應(yīng)為2～3，本試驗(yàn)采用的試件為70mm×70mm×200mm的棱柱體，是在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)，24h后拆模，在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，然后在自然條件下養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)時(shí)混凝土的齡期為90±10d[2]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用美國MTS液壓伺服系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行了一定的剛性輔助改造，以保證試驗(yàn)順利完成。此加載系統(tǒng)可以通過設(shè)定運(yùn)行時(shí)間、位移對(duì)混凝土試件實(shí)行一定應(yīng)變速率的加載。該設(shè)備能夠施加的最大壓力為65t[3]。

1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本次試驗(yàn)利用Strainbook/616系統(tǒng)作為主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備來采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該設(shè)備的最大采樣頻率為1MHz，分辨率為16bit。設(shè)備自身帶有8個(gè)通道應(yīng)變信號(hào)采集能力，可以將采集的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字化轉(zhuǎn)換后送交主控制器進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理[4]。

1.4 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要研究1×10-2/s應(yīng)變速率下C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及變形特性，取C30下的抗壓強(qiáng)度及變形特性數(shù)值為參考量。各標(biāo)號(hào)混凝土在加載速率1×10-2/s下至少試驗(yàn)3個(gè)試件，因此共需要至少18個(gè)70mm×70mm×200mm的棱柱體試件。若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)試件的離散性較大，則增加試件數(shù)量，以保證數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確[5]。

1.5 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)之前試件的處理、設(shè)備的安裝、調(diào)試工作等都是決定試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素。必須選擇表面沒有出現(xiàn)裂紋的試件，防止由于試件本身的強(qiáng)度降低引起試驗(yàn)的誤差。另外，要選擇底面和頂面都光滑的試件，防止出現(xiàn)偏心和套箍現(xiàn)象。找出應(yīng)變片的粘貼平面，對(duì)試件進(jìn)行打磨、清洗。在處理的試件面上中心位置涂上一層AB膠水，水平方向貼上30mm×5mm的應(yīng)變片，垂直方向貼上100mm×5mm的應(yīng)變片。在試驗(yàn)過程中，調(diào)整蝶形彈簧，使彈簧輕輕頂住，預(yù)加10kN的力，看是否有變化，并觀察兩隊(duì)?wèi)?yīng)變片的變化是否滿足要求，如果不滿足則繼續(xù)調(diào)整，直到滿足條件為止。待試件位置調(diào)整完畢，卸掉預(yù)加荷載，以設(shè)定的加載速率正式加載。采樣的頻率依加載速率而定，加載至試件破壞后，拆除試件，記錄數(shù)據(jù)文件。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同應(yīng)變速率下的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2和圖1。

表1 應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

表2 應(yīng)變速率為1×10-2/s時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

圖1 不同應(yīng)變速率下混凝土的抗壓強(qiáng)度

分析圖1可得，應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度作為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度在應(yīng)變速率增至1×10-2/s時(shí)均有較為明顯的提高，但是增大的幅度沒有一定的規(guī)律。應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，在應(yīng)變速率為1×10-2/s時(shí)相對(duì)于1×10-5/s應(yīng)變速率下，各等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度分別增加了35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。通過以上分析，可以得到初步結(jié)論：不同等級(jí)混凝土的極限抗壓強(qiáng)度在應(yīng)變速率為1×10-2/s時(shí)增大幅度并不一樣，具有一定的離散型，隨著混凝土等級(jí)的提高，在高應(yīng)變速率下混凝土抗壓強(qiáng)度的增長比例有降低的趨勢(shì)。

2.2 各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓峰值應(yīng)變

各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓峰值應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)混凝土的抗壓峰值應(yīng)變?chǔ)苔?/p>

表4 應(yīng)變速率為1×10-2/s時(shí)混凝土的抗壓峰值應(yīng)變?chǔ)苔?/p>

混凝土的抗壓峰值應(yīng)變?yōu)榛炷恋目箟簯?yīng)力應(yīng)變曲線上，混凝土受到最大應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變。從表3、表4可以看出，荷載的應(yīng)變速率會(huì)對(duì)不同等級(jí)混凝土的抗壓峰值應(yīng)變產(chǎn)生一定的影響。一些學(xué)者（肖詩云、Dilger和Hughes）認(rèn)為混凝土的極限壓應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增加而降低[6]。而另外一些研究人員（閆東明、Watstein、Takeda和Ahmad）則認(rèn)為混凝土的極限壓應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增加而增加[7]。以應(yīng)變速率1×10-5/s下的抗壓峰值應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)抗壓峰值應(yīng)變，在應(yīng)變速率1×10-2/s下，各等級(jí)混凝土的抗壓峰值應(yīng)變幾乎沒有什么變化，而C45之后抗壓峰值隨著混凝土等級(jí)的提高有略微的降低，但很不明顯。這與前者的研究有很大不同。

2.3 各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓彈性模量

各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6和圖2。

表5 應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)混凝土的彈性模量（單位：1×103MPa）

表6 應(yīng)變速率1×10-2/s時(shí)混凝土的彈性模量（單位：1×103MPa）

圖2 不同應(yīng)變速率下混凝土彈性模量比較

彈性模量是表征混凝土剛度的技術(shù)參數(shù)，是研究混凝土結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的變形特性必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)[8-9]。從表5、表6和圖2可以看出，1×10-5/s下的彈性模量為準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量，在應(yīng)變速率為1×10-2s時(shí)，六種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土其彈性模量相較于應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)都有相應(yīng)的提高，且C30、C35、C40、C45、C50、C55提高的幅度在不斷變大。根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)詳細(xì)計(jì)算可得，C30～C55混凝土彈性模量的增長幅度分別為：22.83%、19.21%、23.41%、21.22%、23.70%、22.22%。各級(jí)強(qiáng)度混凝土彈性模量在高應(yīng)變速率（1×10-2s）下增加的幅度都在20%左右。

3 結(jié)論

（1）六種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土其抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變速率的增大而提高，以應(yīng)變速率為1×10-5/s時(shí)的抗壓強(qiáng)度作為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，在應(yīng)變速率為1×10-2/s時(shí)， C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土抗壓強(qiáng)度依次增加35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。

（2） 在應(yīng)變速率為 1×10-2/s時(shí)，C30、C35、C40混凝土的抗壓峰值應(yīng)變幾乎沒有變化，而C45、C50、C55混凝土的抗壓峰值隨著混凝土等級(jí)的提高有略微的降低。

（3）在應(yīng)變速率為1×10-2s時(shí)，六種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土其彈性模量相較于應(yīng)變速率1×10-5/s下混凝土的彈性模量都有相應(yīng)的提高，各級(jí)混凝土增加幅度比較穩(wěn)定，C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的彈性模量增加幅度分別為：22.83%，19.21%，23.41%，，21.22%，23.70%，22.22%。各級(jí)混凝土彈性模量在高應(yīng)變速率（1×10-2s）下增加的幅度都在20%左右。

[1] A·M·內(nèi)維爾.混凝土的性能[M].李國浮，等譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983.

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