陳文峰

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系, 安徽淮南232001)

低溫混凝土沖擊壓縮力學(xué)性能SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳文峰

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系, 安徽淮南232001)

低溫混凝土是混凝土理論的重要分支,其研究主要是為了滿足寒冷地區(qū)房屋、鐵路等基本設(shè)施建設(shè)的需要;從試件尺寸的選擇、鋼制模具的設(shè)計(jì)制作、低溫混凝土的配合比設(shè)計(jì)、低溫養(yǎng)護(hù)方法以及SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了低溫混凝土動(dòng)態(tài)沖擊壓縮SHPB實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),研究低溫混凝土在強(qiáng)沖擊荷載作用下的應(yīng)變率效應(yīng)及溫度效應(yīng),為確保低溫混凝土SHPB實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行做了充分的準(zhǔn)備。

低溫混凝土; 沖擊壓縮; 力學(xué)性能; 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 引言

低溫混凝土是混凝土理論的重要分支之一。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入進(jìn)行,西北、東北等寒冷地區(qū)房屋、鐵路等基本設(shè)施的大量建設(shè),有關(guān)低溫混凝土特性的研究越來越被人們關(guān)注和重視[1]。低溫混凝土的養(yǎng)護(hù)制度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等和常溫混凝土有很大的不同,其在低溫條件下的水灰比、養(yǎng)護(hù)齡期及養(yǎng)護(hù)條件(溫度、濕度)等對后期混凝土強(qiáng)度發(fā)展及應(yīng)用均有較大的影響。目前對低溫混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài),主要涉及不同低溫條件下的物理力學(xué)性能參數(shù)如抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系[2]。但低溫混凝土在機(jī)械開挖、撞擊等沖擊荷載作用下主要表現(xiàn)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。低溫混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究對經(jīng)受爆炸、撞擊、機(jī)械開挖等沖擊動(dòng)荷載作用下的多年凍土區(qū)、寒區(qū)或晝夜溫差大的地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)也是對低溫混凝土理論的豐富和發(fā)展。當(dāng)前,利用SHPB實(shí)驗(yàn)裝置研究混凝土在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能比較成熟。本文進(jìn)行了低溫混凝土的SHPB實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),從而為研究其在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提供保障。

2 試件尺寸的選擇及模具的設(shè)計(jì)與制作

2.1 試件尺寸的選擇

混凝土是由粗細(xì)骨料、膠凝材料、水、外加劑及摻和料組成的人造混合材料。由于混凝土材料的特殊性,研究其在強(qiáng)沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能通常采用大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)裝置。本試驗(yàn)采用安徽理工大學(xué)Φ74 mm直椎變截面SHPB。通過查找相關(guān)文獻(xiàn),利用大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)裝置研究材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,試件的長徑比宜為L/D= 0.4～1[3-4]。本實(shí)驗(yàn)選用試件尺寸為Φ74 mm×37 mm。

2.2 模具的設(shè)計(jì)與制作

由于混凝土拌合物狀態(tài)的可塑性,硬化后強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展。通過查找相關(guān)文獻(xiàn),利用Φ75 mmSHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行混凝土力學(xué)性能研究試件的制作采用鉆機(jī)取芯的方法,要求鉆頭的尺寸和試件尺寸一致,成本較高。為保證試件尺寸的統(tǒng)一,自行設(shè)計(jì)兩片式定型組合鋼模。模具實(shí)物圖如圖1所示。

3 低溫混凝土配比設(shè)計(jì)

低溫混凝土的力學(xué)性能與常溫混凝土相比有很大的不同,其性能受很多因素的影響,主要有原材料的物理性質(zhì)(如水泥的品種、骨料的種類、級配等)、配合比、含水量、養(yǎng)護(hù)條件等?？紤]到低溫混凝土材料實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性,進(jìn)行了C30、C40、C50三個(gè)強(qiáng)度不同強(qiáng)度等級,4個(gè)低溫養(yǎng)護(hù)條件的混凝土配合比設(shè)計(jì)。

3.1 原材料的基本物理性質(zhì)

該試驗(yàn)拌制混凝土所用材料有水泥、砂、石、水和早強(qiáng)型防凍劑。其中水泥采用淮南市八公山水泥廠的42.5級P.O;砂:河砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,顆粒級配良好,含水為5.5%;粗骨料:人工碎石(瓜子片)(公稱粒徑5～15 mm,連續(xù)級配),含水1%;水:自來水;外加劑:CN-3早強(qiáng)型防凍劑(其摻量以水泥質(zhì)量的百分比計(jì)算)。以上材料質(zhì)量均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

分別進(jìn)行了C30、C40、50三個(gè)強(qiáng)度等級混凝土的配合比設(shè)計(jì)?；炷恋陌韬衔餇顟B(tài)的和易性及其強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。具體配合比見表1。

按確定的配合比稱量材料,其中材料的計(jì)量誤差均符合有關(guān)規(guī)定,機(jī)械攪拌,裝入設(shè)計(jì)模具,確?；炷恋娜肽囟?機(jī)械振搗密實(shí),制作試塊。

4 試塊制作與低溫養(yǎng)護(hù)制度

混凝土的低溫養(yǎng)護(hù)條件有恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)和變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件,選擇了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱)和恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)(其中養(yǎng)護(hù)溫度有0℃、-5℃、-10℃和-15℃?；炷猎噳K制作成型后,低溫養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,然后放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行負(fù)溫養(yǎng)護(hù),其中低溫箱的溫度控制為-30℃～+30℃,溫度測試精度為±1℃。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。把試件取出用電動(dòng)打磨機(jī)進(jìn)行兩端面的打磨(確保試塊兩端面的平整,使試塊兩端面的不平整度控制在0.02 mm以內(nèi))。然后繼續(xù)放入相應(yīng)低溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h后取出進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。

5 沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

沖擊試驗(yàn)時(shí)低溫環(huán)境的保障:低溫環(huán)境條件下混凝土的力學(xué)性能要求混凝土試件的溫度以及周圍環(huán)境的溫度在試驗(yàn)過程中保持恒定。由于混凝土是熱惰性材料,在試驗(yàn)過程中將試件和空氣接觸部分用石棉包住,從而盡可能得減少混凝土試件內(nèi)部的熱損失,確?；炷猎嚰３衷谙鄬Ψ忾]的低溫環(huán)境中,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中溫度保持在有效范圍。我們對石棉內(nèi)試塊的溫度進(jìn)行了測量,能滿足試驗(yàn)所需要的溫度精度要求。

本實(shí)驗(yàn)主要研究低溫混凝土在不同低溫養(yǎng)護(hù)條件下相同實(shí)驗(yàn)條件下的溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)。在Φ74 mmSHPB直椎變截面鋼桿系統(tǒng)上,分別對C30、C40和C50三個(gè)強(qiáng)度等級,五個(gè)養(yǎng)護(hù)條件(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、0℃、-5℃、-10℃和-15℃)共180個(gè)試塊進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。由于動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)離散性大,為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性,同強(qiáng)度等級同一養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試塊,分別進(jìn)行4沖擊氣壓,每個(gè)氣壓3個(gè)試塊進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn),從而研究低溫混凝土的動(dòng)態(tài)沖擊壓縮力學(xué)特性。

低溫混凝土的材料組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)條件等有其自己的特點(diǎn),其力學(xué)性能也和普通混凝土都很大的不同。利用安徽理工大學(xué)Φ74直椎變截面SHPB鋼桿系統(tǒng)研究低溫混凝土在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,分別從試件尺寸的選擇、模具的設(shè)計(jì)制作、低溫混凝土配合比設(shè)計(jì)、低溫養(yǎng)護(hù)方案以及沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),為下一步研究低溫混凝土沖擊壓縮動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提供較好的保障。

[1] 王傳星,謝劍,楊建江.超低溫環(huán)境下混凝土的性能[J].低溫建筑技術(shù),2009,135(9):8-10.

[2] 劉超.混凝土低溫受力實(shí)驗(yàn)性能[D].北京:清華大學(xué),2011.

[3] 胡時(shí)勝,王道榮,劉劍飛.混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2001,18(5):115-118.

[4] 王道榮,胡時(shí)勝.骨料對混凝土材料沖擊壓縮行為的影響[J],實(shí)驗(yàn)力學(xué),2002,17(1):23-27.

TU502+.6;TU528.1

B

1671-4733(2015)02-0023-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.02.006

2015-03-10

安徽省高校省級優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013SQRL141ZD);淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目(HKJ11-5)

陳文峰(1981-),女,安徽濉溪人,碩士,講師,研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu),電話:18955451768。