高温后机制砂混凝土的本构关系试验研究.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 1 2期 (总 第 2 9 0期 】 Nu mb e r1 2i n 2 01 3( To t a l No 2 9 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH 高温后机制砂混凝土的本构关系试验研究 陈正发,秦彦龙 ,刘桂凤 ,李世超 ( 山东理T大学 建筑工程学院 ,山东 淄博 2 5 5 0 4 9 ) 摘要 : 对常温及高温( 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0) 后机制砂混凝土的力学性能进行 了试验研究。 结果表明, 机制砂混凝土的应力应变关 系呈现非线性表征 , 且非线性程度受温度影响明显。
2、 基于 J o n e s N e l s o n Mo r g a n 模型并引入温度系数 , 将机制砂混凝土的力学性能 表达为与应变能相关的函数, 建立了机制砂混凝土单轴压本构模型。 模型的预测结果与试验测得的应力应变曲线吻合较好, 表明 建立 的本构模型可以有效的描述高温后机制砂混凝土的力学性能。 关键词: 机制砂 ;混凝土 ;本构模型 ;高温 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: l 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 l 3 ) 1 2 0 0 7 2 0 3 Ex pe r i m e nt a l s t udy on c ons t i
3、t u t i ve r el a t i on o f c onc r et e w it h manuf ac t ur ed-s a nd a f t e r hi gh t e m per a t ur es C HE NZ h e n g f a , QI N Ya n l o n g , L I UGu i f e n g, LI S h i c h a o ( S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g, S h a n d o n gUn i v e r s i t yo f T e c h n o
4、l o g y, Z i b o 2 5 5 0 4 9 , Ch i n a ) Abs t r act: Me c ha n i c a l p r o pe rti e s o f t h e c o n c r e t e wi t h ma n uf a c tur e d s a n d we r e i n v e s t i g a t e d e x pe r i me nt a l l y a t r o o m t e mp e r a t u r e a n d h i g h t e mp e r a tur e s( 1 0 0 , 2 0 0。 3 0 0 ) T
5、 h e r e s u l t s h o ws t h a t s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f t h e c o n c r e t e wi t h ma n u f a c tur e d s a n d a p p e a r s n o n l i n e a r c ha r a c t e r i s t i c s , a n d the d e g r e e o f n o n l i n e a r i t y i s s i g n i fic a nt l y a f f e c t e d
6、b y t e mp e r a tur e A u ni a x i a l c o mp r e s s i v e c o ns t i tut i ve mod e l of c o n c r e t e wi t h manu f a c tur e d s a n d wa s d e v e l o p e d b a s e d on t he i n c o r p o r a t i o n o f t e mpe r a tur e c o e ffic i e n t i n t o J o ne s Ne l s o n M o r g a n mo d e 1 i
7、 n whi c h the me c h a ni c a l p r o p e r t y o f t he c o nc r e t e wi t h ma n u f a c t u r e d s an d wa s e xp r e s s e d a s a fimc t i o n o f s t r a i n e n e r g y P r e d i c t i o n s o f t he mo d e l we r e a gre e d we l l wi th t he s t r e s s s t r a i n c ur ve s me a s u r e
8、 d e x p e r i me n t a l l y, wh i c h s ho ws that the c o n s t i tut i v e mo de l c a n d e s c r i be e f f e c t i v e l y the me c h a n i c a l p r o pe r t i e s of c o n c r e t e wi t h ma n u f a c tur e d s a n d a f t e r hi【g h t e mpe r a tur e s Key wor ds : ma n u f a c tur e d s
9、a nd; c o n c r e t e; c o n s t i tut i v e mo d e l ; hi g h t e mpe r a t u r e 0 引 言 近年来 , 关 于高温后混凝土的试验研究多是针对天然 砂混凝土_ 1_ 3 , 对机制砂混凝土在高温后的强度和耐久性能 的研究还不多见 。 随着天然砂资源 的大量减少和人们对 环境保护的高度关 注 , 在政府的大力倡 导和推广下 , 机制 砂混凝土在工程 中得 以广泛应用 , 因此针对机制砂混凝土 在高温环境下 的强度和耐久性能研 究逐渐受到重视。 机制 砂混凝土采用机制砂作为细骨料 , 与天然砂存在材料差异 , 材料
10、的耐热性能和高温后的性能变化不 同, 因此有必要开 展高温后机制砂混凝土本构关系试验研究 , 为机制砂混凝 土的高温应用提供参考。 目前 , 国内外有关机制砂混凝土本构关系的研究十分 缺乏 , 大都是关于天然砂 混凝土材料本构关系的研 究 。 已有 的混凝 土本构关系可分为线 弹性 、 非线性弹性 、 塑性 理论 、 内蕴时间模型 、 损伤力学模 型等多种模型。 但 由于学 术观点 和研究方法 的不同 , 其计算结果存在差异 , 得到的 理论模型各有利弊和一定的适用范围。 弹性模型简单但 只 适合单调加载 , 针对混凝土仅在低应力弹性 阶段适用 ; 经典 塑性模型数学上较严格但与混凝土材料破坏
11、机理不协调 , 塑性势函数难确定 ; 内时模型摆脱 了屈服面的约束 , 在实 际问题 的计算 中能用一个统一的公式描述全过程 , 但 由于 表达式过多 , 确定参数又不容易 , 所 以对其推广和应 用仍 需做许多工作 ; 损伤模 型物理含 义清晰 , 但损伤变量 的定 义与损伤演化方程的确定等都存在着问题 , 故也很难在实 际丁程中应用。 本研 究结合 C 6 0机制砂混凝土在 常温下 和高温后 的 单 轴压缩试验结果 , 对 J o n e s Ne l s o n Mo r g a n 模 型 1 】 ( 以下 简称 J N M 模型) 进行了改进 , 并应用于机制砂混凝 土的本 构关 系
12、研究 。 1 试验研 究 1 1 原材料性 能试验 试验用机制砂为 山东万泰建筑骨料有 限公 司生产的 收 稿 日期 :2 0 1 3 0 6 1 2 基金项 目:水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助课题( s k l h s e 一 2 0 1 3 一 C 一 0 1 ) ; 山东省高等学校科技计划项 目( J 1 3 L G 1 0 ) 山东省 自然科学基金项 目( Z R 2 0 0 9 F M0 2 0 ) 7 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机制砂。 根据 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 1 l 建筑用砂 对机制砂的颗 粒
13、级配 、 表观密度 、 堆积密度 、 含泥量及石粉含量等性能指 标进行了测试。 机制砂为二区级配, MB值为 0 9 ( 1 4 ) , 压 碎指标为 2 4 6 , 机制砂主要性能指标如表 1 所示 。 表 1 机制砂的主要性能指标 碎石也是取 自实际工程现场 , 按 照 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 1 1 建筑用卵石 、 碎石 的规定对碎石的颗粒级配 、 表观密度 、 堆积密度和含水率等进行 了测试 , 均符合要求 。 水泥采用 P O 5 2 5 级水泥 , 经检测 , 其性能指标均达标准要求 。 本试验将 C 6 0 机制砂混凝土的坍落度设定为 8 0 9 0 mm。 先
14、参照 J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝土配合 比设计规程 , 按天 然砂混凝土来设计 C 6 0 机制砂混凝土配合 比, 然后根据天 然砂与机制砂的性 能差异及试 配结果 , 对配合 比进行适当 调整。 C 6 0 机制砂混凝 土的最终配合 比为: m ( 水泥 ) : m ( 砂 ) : m( 石 ) : m ( 水 ) = 1 : 0 7 5 : 1 2 8 : 0 4 。 1 2高 温试 验 高 温试 验抗 压强 度试 件 尺 寸 为 1 5 0 mm 1 5 0 m m 1 5 0 m i l l , 静 力受压 弹性模 量试件 尺寸 1 5 0 m mx 1 5 0 mm
15、x 3 0 0 m r l 。 高温试验试件按 常温 ( 2 0) , 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0共 分 4组 , 每组各 9 个试件( 其 中 3个 1 5 0 m m 立方体试块 , 其余 为长 3 0 0 mm的棱柱试块 ) , 采用箱式高温炉进行加热。 试件 的加热方式为 : 每次 升高 1 0 0 , 然后恒 温 5 mi n , 在 炉温度达到预定温度后 , 恒温 3 h , 然后室温静置 3 d 。 最后 , 根据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标 准 ( 以下简称 标 准 ) 进行 弹性模 量 、 抗压 强度 和应力
16、应 变 的测试 。 1 3 试验结果及分析 根据 标准 测得的抗压强度和弹性模量值如表 2 所示。 表 2 高温后机制砂混凝土的抗压强度和弹性模量 由表 2可 以看 出 , C 6 0机制砂混凝土经 高温作用后 , 其抗压强度和弹性模量均显著降低 , 且随着温度的提高 , 抗压强度和弹性模量的降低幅度有增大 的趋势。 由图 1 可 知 C 6 0 机制砂混凝土的抗压 强度 和弹性模 量随温度的变 化呈现非线性表征 。 如果将常温下 的混凝土本构关系应用 到高温后混凝土的本构关系描述时, 有必要 引入温度系数 对描述模型进行调整。 应力应变关系如图 2 所示 。 图 2中 , 在低应力阶段 ,
17、混 凝土材料表现出较好 的线弹性特征 , 随着应力 的不断增大, 机制砂混凝土的 内部开始 出现损伤 , 应力一 应 变曲线 出现 非线性发展 , 并且随着应变 的增 大 , 剩余的弹性模量越小 。 从 图 2中可 以看出 , 不 同温度后混凝土 的应力应变关系曲 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 温度 , 图 1 相对强度和相对弹性模量随温度的变化 应 变 1 0 图 2 不同温度后混凝土的应力一 应变关系 线呈现非线性表征 , 因此 , 要描述高温后的机制砂混凝土 的应力应变关 系要采用非线性模型。 2 I NM 模 型的改进 与应用 2 1 J NM 模 型的介 绍 J N M 模
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- 高温 机制 混凝土 关系 试验 研究
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