高温作用后混凝土动态压缩力学性能的试验研究.pdf
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1、2 0 1 2 年 第 4 期 (总 第 2 7 0 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL I SEARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 0 5 高温作用后混凝土动态压缩力学性能的试验研究 刘健 ,许金余 1 I 2 ,李志武 ,白二雷 ,高志刚 ( 1 空军工程大学 工程学院机场建筑工程系,陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ; 2 西北工业大学 力学与土木建筑学院
2、,陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要: 采用咖 1 0 0 m m分离式霍普金森压杆( s p l i t H o p k i n s o n p r e s s u r e b a r , 简称 s B ) 试验装置, 分别对常温和经历 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0 高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验, 分析了高温和应变率对混凝土动态压缩力学性能的影响, 并对其关系进行了拟合。 结果表明: 经历不同温度作用后的混凝土动态抗压强度、 峰值应变以及比能量吸收都表现出较强的应变率效应。 高温对混凝土动态力学性能影响显 著 , 4 0 0是混凝土各项力学指标
3、发生转折的温度: 动态抗压强度、 比能量吸收在 4 0 0时回升至与常温接近, 在 4 0 0后又迅速下降; 峰 值应变在 4 0 0以后增加明显, 并随着应变率的提高而迅速增加。 混凝土经4 0 0 以上高温作用后 , 虽然强度损失严重, 但在冲击荷载作 用下, 尤其是在较高应变率下, 仍表现出良好的抗冲击韧性。 关键词: 混凝土;高温后;动态压缩力学性能;分离式霍普金森压杆( S H P B ) ;应变率效应;韧性 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 1 1 - 0 4 Ex p
4、er i men t al s t udy on dy na m i c c om p r es s i v e mec ha ni c al pr ope r t i e s of c onc r e t e a f t e r h i gh t e mper a t ur e e x pos ur e LI UJ a n , XUJ i n- y u1 , 2 , L I Zh i wU , BA dEr - l e i , GA0Zh i - g a n g ( 1 T h e E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e , A i r F o r c
5、e E n g i n e e ri n g U n i v e r s i t y , X i a n 7 1 0 0 3 8 , C h i n a ; 2 De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e ri n g , No r t h w e s t e m P o l y t e c h n i c a l Un i v e r s i t y , X i a l l 7 1 0 0 7 2, C h i n a ) A b s t r a c t : A 1 0 0 mi l l d i a me t e r s p l i t H o
6、p k i n s o n p r e s s u r e b ar ( S HP B) a p p a r a t u s wa s a d o p t e d t o i n v e s t i g a t e th e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a t r o o m t e mpe r a t u r e a nd a fte r e x p o s uret o 2 0 0, 4 0 0, 6 0 0 a n d 8 0 0 u nd e ri mp a c t c o mp r e s s ivel o a d i ng Th e e
7、ffe c t s o fh i g ht e mpe r a t u r e a nd s t r a i n r a t e O i l d y n a mi c c o mpr e s s i v e m e c h a n i c s p r o p e r t i e s we r e an a l y z e d, an d th e r e l a t i o ns b e t we e n t h e m we r e fi t t e dRe s u l t s s ho w th a t , t he d y n am i c c o mp r e s s i v e s
8、t r e n g t h , p e a k s tr a i n and s p e c i fi c e n e r g y a b s o r p t i o n o f c o n c r e t e a t d i ffe r e n t t e mp e r a t u r e s h o w s t r o n g s t r a i n r a t e e ff e c t s T h e e ff e c t s o f h i gh t e mp e r a - t ur e o n d y nam i c me c h an i c a l p r o p e rti
9、e s o fc o n c r e t e are s i g n i fi c ant Th e c ri t i c a l t e mp e r a t u r e wh e n the c h a ng e s a c q u i r e d r am a t i c c h ara c t e r i s 4 0 0 : the d yn a mi c c o mp r e s s i ve s t r e n g t h an d s p e c i fic e n e r gy a bs o rpt i o n r i s e b a c k a t 4 0 0 an d t
10、h e n dro p r a pi d l y a ft e r 4 0 0 ; p e ak s t r a i n o fc o n c r e t e i n c r e a s e s e v i d e n t ly a ft e r 4 0 0 and i n c r e a s e s r a p i d l y wi t h ri s e i n a v e r a g e s tr a i n r a t e a t the s am e t i me T h o u gh the l o s s i n s t r e n gth o f c o n c r e t e
11、a ft e r e x p o s uret othet e mp e r a t u r ea b o v e4 0 0 i s s e v e r e , i t s t i l l s h o wsan i c ea n t i - i mp a c t t o u g h n e s su n d e ri mp a c t l o a d i n g, e s p e c i a l l ya t h i g h e r s t r a i nr a t e K e y wo r d s : c o n c r e t e ; a ft e r e x p o s ure t o
12、h i g h t e mp e r a t u r e ; d yna mi c c o mp r e s s i v e me c h a n i c a l p r o p e r t y ; s p l i t h o p k i n s o n p r e s s ure b ar( S H P B) : s tra i n r a t e e ffe c t s ; t o u g h n e s s 0 引言 虽然混凝土本身不是可燃性材料 , 但其在高温环境中将发 生一系列复杂的物理和化学变化, 导致其性能劣化而最终影响 到建筑结构的安全。 国内外围绕混凝土经高温作用后在微观组
13、成上的改变、 宏观力学性能的变化以及如何改善混凝土的高温 力学性能等方面做了大量的研究工作 。 目前, 关于混凝土高 温力学性能的研究还多以静力研究为主, 动力研究较少 , 而在 实际的建筑物火灾事故中, 由于建筑物部分构件在高温作用下 的坍塌撞击产生的连锁反应将对整个建筑物产生破坏, 进而影 响到人员营救和消防人员的安全。 另外, 在战争中, 对于过火后 的军事工程 , 要评估其承受二次打击的能力 , 则必须了解混凝 土高温后的冲击力学特性。 因此对于混凝土的高温后的动态力 学性能进行研究具有重要意义 。 混凝土本身是属于组分复杂又存在原始缺陷的复合材料, 收稿 日期 :2 0 1 1 -
14、1 0 1 2 基金项 目:陕西省 自然科学基金 ( 2 0 1 0 J Q6 0 1 I ) 而高温作用将加剧混凝土的损伤 , 因此为测试混凝土的力学性 能, 必须采用较大尺寸的试件。 本试验采用 目前国内直径最大的 b l 0 0 mm的分离式霍普金森压杆( s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r , 简称 S HP B) 试验装置测试了常温和经历 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0高 温作用后 的混凝土动态压缩力学性能。 1试 验 1 1 原材料及 配合 比 水泥: P O 4 2 5 R级水泥, 陕西耀县
15、水泥厂生产 ; 粉煤灰 : 韩城第二发电厂的I I 级粉煤灰; 硅灰: 霖源微硅灰有限公司生产。 骨料: 灞河中砂 , 细度模数为 2 8 ; 泾阳县石灰岩碎石( 5 1 0 n l l T l , 1 5 ; 1 0 2 0 mm, 8 5 ) 。 外加剂 : 广州建宝新型建材有限公司生 产的F D N高效减水剂。 基体强度设计为 C 5 0 , 具体配合比如表 1 , 测得 2 8 d标准 立方体平均抗压强度为 6 O 4 5 MP a , 达到设计要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 C5 0配合 比 1 2试件 制作 先将长度为 1 0 0 0
16、I T I 1T I , 直径为 1 0 0m r n的钢质圆柱体模具 刷油 , 内垫厚度为 1 mm的聚酯薄膜以防止黏模具。 将新拌的混 凝土分两次浇筑到模具中, 采用插入式振捣棒振捣。 室内放置1 d 后拆模并放人养护室, 标准养护条件下( 温度( 2 0 2 ), 相对湿 度 9 5 以上) 养护 2 8 d后, 采用岩石切割机将长圆柱体试件切 割成厚度为 5 0 mm的试件, 之后用双端面磨石机打磨混凝土试 件的两个端面, 最终得到尺寸约为 9 8 mmx 4 8 ri M 1 的圆柱体试件。 1 3 试件加 热及 冷 却 一 次取 1 8 式 f 牛 放 箱式加热炉中, 升温速率为
17、l O mi I l , 达到 目标温度后, 恒温 6 h , 以使试件内外温度一致 , 达到稳态 温度场嗍 。 加热完成后 , 从炉内取出, 置于室外, 采用洒水冷却方式 , 以模拟救火现场实际, 洒水时间为 3 0 mi n , 洒水完成后, 转移至 室内, 静置 3 d 后进行 S - P B试验。 1 4试 验原 理 S HP B试验技术是建立在两个基本假定上的, 即: 杆中的一 维应力波假定; 试件应力 应变沿长度均匀性假定。 由于本试验 采用的S H P B压杆直径较大, 且混凝土属于破坏应变极小的准脆 性材料, 因此传统的 S HP B技术难以获得可靠的应力一 应变关系。 相关研
18、究p _ 司 表明, 波形整形技术不但可以过滤加载波中由于直接 撞击引起的高频分量, 减少波形在长距离传播中的弥散; 而且可以 使加载波变宽, 上升沿变缓 , 从而延长加载时间, 有利于实现试件 中应力的均匀性, 同时也有利于实现近似叵应变率加载。 通过前期的 研究, 本试验采用厚度为 1 n a_ m, 直径分别为 2 O 、 2 2 、 2 5 、 2 7 、 3 0 mm 的H6 2黄铜波形整形器。 同时, 通过在试件以及压杆的接触端面 涂抹一层薄薄的润滑剂来尽量减弱端面摩擦效应。 在满足了 S H P B试验的两个假定后, 通过应变片得到的信 号数据 , 经过处理 , 可以计算出试件的
19、应变率毒 ( t ) 、 平均应变 ( t ) 、 试件两端面应力的平均值 ( ) 。 本试验采用三波法对数 据进行处理 , 具体公式如下: 暑 一 ) ( t ) c Ii (e ,- e - e ,)出 ( 1 ) ( f ) A E ( P 啦 t) 式中: C 压杆的弹性波波速; E压杆的弹性模量; A压杆的截面积; z 试件的长度; A 。 试件的截面积 ; 测得的入射波; 测得的反射波; B测得 的透射波 。 2 试验结果与分析 2 1 动 态抗压 强度 图 1 所示为经历不同温度作用后? 昆凝土的动态抗压强度 】 2 对 羔 、 强 粕 需 应 变率 s 图 1 动态抗压强度与应
20、变率的关系 与应变率之间的关系。 从图 1中可以看出, 动态抗压强度随着应 变率的增长而提高迅速。 高温对于混凝土动态抗压强度影响显 著, 4 0 0以前 , 动态抗压强度下降不明显 , 甚至在 4 0 0是有 所回升; 4 0 0以后 , 混凝土动态抗压强度随着温度的增加而迅 速下降。 将两者进行线性拟合 , 方程如下: d, 6 4 2 7 k + 4 6 4 1 ( = O 9 5 0 7 3 ) d , 2 0 o - 0 3 0 4 4 k + 5 6 8 1 ( R = 0 9 8 4 0 8 ) d, 0 1 2 3 2 k + 8 2 5 3 ( R = 0 9 4 4 6 8
21、 ) ( 2 ) 【 ,d 。 6 0 o = 0 6 3 2 1 杏 一 1 3 6 0 ( 尺 = 0 9 3 3 6 0 ) d 8 0 3 0 3 l k - 3 9 5 ( R= 0 9 5 2 3 5 ) 式中 , 动态抗压强度; 杏 应变率 ; R决定系数。 从拟合方程的决定系数 R可以看出, 经历不同温度作用后 的混凝土动态抗压强度与应变率之间存在较好的线性关系。 从 拟合直线的斜率可以看出, 经历高温作用后的混凝土应变率增 强效应降低 , 其中以 4 0 0最为明显。 2 2 峰 值 应 变 图 2 所示为峰值应变与应变率的关系。 从图 2 中可以看出, 4 0 0以下的高温
22、对混凝土峰值应变影响较小, 保持在 0 0 0 7 左右, 并随着应变率的增加而稍有提高 ; 4 0 0以上的高温作用 将使混凝土峰值应变有较大幅度的提高, 并使峰值应变随着应 变率的增加而明显提高。 尤其是经 8 0 0高温作用后 的试件, 应变率在 5 7 5 2 S 时, 峰值应变达到 0 0 1 2 2 4 , 当应变率提高到 1 7 2 2 5 S 时, 峰值应变达到 0 0 2 4 1 2 , 增加非常明显。这主要是 因为4 0 0以上的高温将使混凝土发生结合水失去、 骨料分解 等物理 、 化学变化 , 导致试件内部产生大量裂缝和孔洞 , 从而变得 非常疏松。 将两者关系采用二次多
23、项式拟合, 得到关系式如下 : 8p n = = 2 7 6 X 1 0 - v k 。 - 1 8 8 1 0 k + 0 0 0 6 6 0 ( R = 0 9 8 7 6 5 ) p , : - 2 1 l x l 0 - 7 k - 1 8 1 x l 0 - S k + 0 0 0 6 5 4 ( R = 0 9 5 4 6 3 ) ,4 一6 3 7 x 1 0 - 3 2 3 x 1 0 - s k + 0 0 0 4 6 3 ( R = 0 9 5 7 2 2 ) ( 3 ) 8。 6 0 0 = 一 1 0 6 x t 0 - 7 k 2 + 6 9 0 x l 0 k +
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