钢渣混凝土本构关系及力学性能试验研究.pdf
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1、分类号 TU528 密级UDC _硕士学位论文钢渣混凝土本构关系及力学性能试验研究学科专业结构工程 钢渣混凝土本构关系及力学性能试验研究摘要钢渣是炼钢过程中产生的固体废弃物,无法进行自然分解,目前我国 大部分的钢渣没有得到回收利用,而是作为普通垃圾进行堆放填埋,既占 用土地又污染环境。将钢渣配制成混凝土,有利于废弃资源的回收利用,实现可持续发展。本文利用柳钢钢渣等质量替代普通粗骨料配制成钢渣混 凝土,并进行了单轴及多轴性能的研究,具体工作如下:1、以取代率为变量,对钢渣混凝土棱柱体试块进行了单轴受压应力-应变全曲线的试验研究。研究表明:钢渣混凝土的破坏形态随着取代率的 增大而表现出更明显的脆性
2、。钢渣混凝土的抗压强度和弹性模量均大于普 通混凝土,均随着取代率的增大表现出先增大后减小的规律,钢渣取代率 为30%、70%、100%时,抗压强度分别为普通混凝土的1.21倍、1.35倍、1.09倍。强度与取代率、弹性模量与取代率的关系可分别用多项式来描述。应力应变全曲线均经历了上升段和下降段,下降段随着钢渣取代率的增加 而更加陡峭。应力-应变全曲线可采用无量纲的分段多项式方程描述。2、以取代率、应力比为变量,对钢渣混凝土立方体试块进行了双轴受 压的试验研究。研究表明:钢渣混凝土的破坏形态主要受应力比影响,应 力比较小(%/%=0.25)时发生劈裂片状破坏;随着应力比的增大,裂纹与 最大应力巴
3、方向的夹角逐渐减小,破坏时被分割成的碎片越多。随着取代 率的增大,混凝土破坏面层数更多,同时会产生更多的小碎片,表现出更 明显的酥脆性。钢渣混凝土在双轴受压下的强度均超过单轴抗压强度,30%、70%、100%的钢渣混凝土基于单轴的最大倍数分别为1.58倍、1.47倍、1.58 倍。其应力-应变试曲线趋势基本相同,应力比相同时,峰值应力随着取代 率的增大先增大后减小,峰值应变随着取代率的增大而减小。弓,和无与应 力比的关系可用线性方程来描述。通过试验数据建立了适用于钢渣混凝土 在双轴受压下的3参数破坏准则,计算值和实验值较接近。3、以取代率、应力比为变量,对钢渣混凝土立方体试块进行了三轴受 压的
4、试验研究。研究表明:当6/%不变且中间主压应力比较小(邑/=025)时,钢渣混凝土的破坏形态属于片状劈裂破坏,随着/电的增大,破坏形 态发生改变,为斜剪破坏。随着4/%的增大,应变增长的速率渐增,表现 为应力-应变曲线缓慢地上升,斜率逐渐减小。钢渣混凝土的三轴受压强度 比单轴提高很多,并且随着4/%的增大先增大后减小,最大强度出现在 6/。3=。,50.75之间。随着应力比%/%的先增大后减小,与%/%的关 系可以用多项式方程来描述。通过试验数据建立了适用于钢渣混凝土在三 轴压下的5参数破坏准则,计算值和实验值较接近。关键词:钢渣混凝土应力-应变曲线本构关系双轴受压三轴受压力学性能EXPERI
5、MENTAL STUDY ON CONSTITUTIVE RELATION AND MECHAN PROPERTIES OF STEEL SLAG CONCRETEABSTRACTSteel slag is a solid waste produced in steelmaking process and it can not be decomposed naturally.At present,most of steel slag is not recycled in China.Instead it is used as common garbages fbr landfill,which
6、 takes up land and pollutes the environment.If steel slag is made into concrete,which is beneficial to the recycling of waste resources and to achieve sustainable development.This paper use steel instead of the ordinary quality of coarse aggregate steel slag concrete is studied under uniaxial and mu
7、ltiaxial performance,the specific work is as follows:1、With the substitution rate as the variable,the uniaxial compressive stress-strain full curve test of the steel slag concrete prism was carried out.The study shows that the failure form of steel slag concrete shows more obvious brittleness with t
8、he increase of the substitution rate.The compressive strength and elastic modulus of steel slag concrete are all larger than those of ordinary concrete.With the increase of replacement rate,the steel slag concrete shows a rule of first increase and then decrease.When the steel slag replacement rate
9、is 30%,70%and 100%,the compressive strength is 1.21 times,1.35 times and 1.09 times of ordinary concrete,respectively.The relationship between the strength and the substitution rate,the modulus of elasticity and the substitution rate can be described by polynomials respectively.The stress-strain cur
10、ve has experienced the rising and falling segments,and the decrease section is steep with the increase of steel slag substitution rate.The full curve of stress and strain can be described by the dimensionless piecewise polynomial equation.2、With the substitution rate and the stress ratio as variable
11、s,the double axial compression test of the steel slag concrete cube specimen was carried out.The research shows that the failure mode of steel slag concrete is mainly affected by the stress ratio,and the splitting force is relatively small when the strain force is relatively small.With the increase
12、of stress ratio,the angle between the crack and the a,directions of the maximum stress decreases ingradually,and the more fragmented debris is broken down.With the increase of the substitution rate,the number of layers in the surface of the soil is more,and more small fragments will be produced,show
13、ing more crisp crisp.The strength of steel slag concrete under double axial compression is more than uniaxial compressive strength,The steel slag concrete of 30%,70%and 100%is 1.58 times,1.47 times and 1.58 times the maximum ratio of the single axis,respectively.And the trend of stress-strain curve
14、is basically the same.At the same time,with the increase of the substitution rate,the peak stress increases first and then decreases,and the peak strain decreases gradually.The relationship between sp and J,the stress ratio can be described by a linear equation.Through the experimental data,a double
15、 parameter failure criterion fbr steel slag concrete under biaxial compression is established,and the calculated value is close to the experimental value.3、With the substitution rate and the stress ratio as the variables,the three axial compression test of the steel slag concrete cube specimen was c
16、arried out.The research shows that when the 5/=0.1 and intermediate principal compressive stress is relatively small(%/%=0.25),the failure mode of steel slag concrete is plate-like splitting failure.With the increase of a2/t3,the failure mode changes,which is oblique shear failure.With the increase
17、of cr2:cr?,the rate of strain increase gradually increases,which shows that the stress strain curve rises slowly,and the slope decreases gradually.The three axis compressive strength of the steel slag concrete is much higher than that of the single axis,and it increases first and then decreases with
18、 the increase of rr2/(t3,and the maximum strength is between 应力比(巧 5:a3=-0.05:-0.25:-l,-0.05:-0.5:-l-0.05:-0,75:-1-0.05:-l:-l-0.1:-0.25:-l-0.1:-0.5:-l -0.1:-0.75:-l)为变量,对混凝土立方体试块进行三轴受压试验,分析破坏形态、强度、变形规律以及 应力-应变曲线的变化规律,建立其强度准则,分析不同取代率对上述性能的影响规律。本文的主要研究思路见图l-4oLL r电液伺服万能试验机lOOmmX lOOmmX300mm棱柱体取代率.参数募.
19、摩措施单轴试验真试脸机lOOmniX lOOmmX 100mm立方体取代率参数应力比参数7摩赢一单轴应力状态 层面研究分析应力-应变全曲线特征 建立本构关系分析强度、变形规律 分析破坏形态双轴应力状态 层面研究真三轴试验机lOOmmX lOOmmX 100mm立方体取代率参数亶力比参数 送限措施三轴试验分析应力-应变曲线特征 建立强度准则分析强度、变形规律三轴应力状态 层面研究分析破坏形态现斤丽-应变曲线特征 建立强度准则分析强度、弹性模量规律 分析破坏形态-Jn I总结实验成果 建立理论模型建立单轴本构关系 建立多轴强度建立破坏准则图本文的主要研究思路Fig.1-4 The main res
20、earch ideas of this paper8广西大学硕士学位论文钢灌混凝土本构关系及力学性能试验研究1.4 本文的研究创新点根据本文的研究内容,总结创新点如下:1、分析钢渣混凝土在双轴压应力状态下的破坏形态、强度、变形特征,提出适用 于钢渣混凝土的双轴破坏准则。2、分析钢渣混凝土在三轴压应力状态下的破坏形态、强度、变形特征,提出适用 于钢渣混凝土的三轴破坏准则。9广西大学硕士学位论文钢灌混凝土本构关系及力学性能试验研究第二章试验概况2.1 试验材料及配合比2.1.1 试验材料1、天然粗骨料天然粗骨料来源于商品碎石,经过筛网筛分而得,粒径在5-20mm之间,连续级配。对天然粗骨料的基本性
21、能进行检测,见表2-1。表2-1天然粗骨料的基本性能Table 2-1 The basic properties of natural coarse aggregate粒径表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/nP)吸水率()压碎指标()5-20mm276014800.6510.42、钢渣粗骨料本文试验所采用的钢渣粗骨料由广西柳州钢铁集团产生,钢渣表面粗糙。钢渣经过 破碎、筛网筛分、清洗、晾晒而得,粒径在5-20mm之间,连续级配,样品如图2-1所 示,基本性能测定结果见表2-2。嫌察匕.耐啊则陶麻Si婀满1cm 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17图
22、2-1钢渣粗骨料样品Fig.2-1 Coarse aggregate sample of steel slag表2-2钢渣粗骨料的基本性能Table 2-2 Basic properties of coarse aggregate of steel slag粒径表观密度(kg/nP)堆积密度(kg/m3)吸水率()压碎指标(%)5-20mm3230 2280 1.36 6.13、其他原材料10广西大学硕士学位论文钢渣混凝土本构关系及力学性熊试验研究天然细骨料为河砂,属于中砂;水泥采用海螺牌P.O 42.5级水泥;水为普通自来水。2.1.2 配合比设计本文试验混凝土的配合比按照普通混凝土配合比设
23、计规程JGJ 55-2011K9设计,钢渣粗骨料等质量取代天然粗骨料,设计4种钢渣取代率(0%、30%、70%100%)的混凝土,配合比见表2-3。其中NC0表示钢渣取代率为0,也即普通混凝土;SSC-30 表示取代率为30%的钢渣混凝土,其余类推。表2-3配合比设计Table 2-3 Mix proportion design类型取代率水灰比水(kg)水泥(kg)天然细骨料(kg)钢渣粗骨料(kg)天然粗骨料(kg)NC-00%0.5620035777701166SSC-3030%0.56200357777350816SSC-7070%0.56200357777816350SSC-10010
24、0%0.5620035777711660按照表2-3的配合比浇筑棱柱体试块、立方体试块,利用振动台振捣密实,浇筑24 小时后拆模,放到混凝土标养室养护28天,再自然放置3个月后进行加载试验。2.2钢渣混凝土单轴受压应力-应变曲线试验设计2.2.1 试块设计为了对不同取代率(0、30%、70%、100%)的钢渣混凝土在单轴受压下的强度、变形、弹性模量和应力-应变全曲线变化规律进行研究,设计了 4组(共12个)100mm XIOOmmX300mm的棱柱体试块,如表2-4。实际上设计数量只是最少用量,当试验结 果的差异较大时,需要添加试块重新加载,因此每种类型的试块会比理论多浇筑一些。表2-4棱柱体
25、试块数量设计Table 2-4 Design of the number of prismatic test-pieces类型取代率数量NC-00%3SSC-3030%3SSC-7070%3SSC-100100%311广西大学硕士学位论文钢渣混凝土本构关系及力学性能试验研究2.2.2 试验设备及加载方法1、试验设备本次采用微机控制电液伺服万能试验机(WAW-600)对棱柱体试块进行单轴受压应 力-应变全曲线试验。该试验机最大可施加600kN的轴压力,可通过系统自动采集轴压 力和纵向变形。但是棱柱体在单轴受压时,会受边界影响,一般认为沿试块长轴方向的 中间区域是较理想的单轴应力状态。因此,为了更
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