不同冲击条件下早龄期混凝土的力学特性.pdf
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1、第 2 5 卷第 6期 V o l u me 2 5Nu mb e r6 中国有 色金 属学报 The Chi ne s e J our na l of Nonf e r r o us M e t al s 2 0 1 5 年 6月 J u ne 2 01 5 文章编号 :1 0 0 4 0 6 0 9 ( 2 0 1 5 ) 0 6 1 6 7 2 0 6 不同冲击条件下早龄期混凝土的力学特性 李夕兵 1 , 2 7王世呜 ,周韬 ,黄麟淇 ,周健 ( 1 中南大学 资源与安全工程学院,长沙 4 1 0 0 8 3 ; 2 中南大学 深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点试验室,长沙 4 1
2、0 0 8 3 1 摘要:利用大杆径分离式霍金森压杆( S H P B ) 试验装置,对 l 、3 、7 、1 4 、2 8 d这 5 组龄期下的混凝土进行冲击 压缩试验,研究早龄期混凝土( C 2 0 ) 在不同冲击条件下的力学特性。结果表明:龄期 7 d以前,各龄期 5 0 临界入 射能的冲击有助于提高混凝土的强度 和弹性模 量;龄期 7 d以后 ,无论是 7 5 还是 5 0 1 界入射 能的冲击,都会 使混凝土的强度和弹性模量降低;在单次冲击条件下,混凝土的变形能力和单位体积吸收能与龄期呈对数关系增 长;在多个龄期冲击条件下,混凝土的变形能力和单位体积吸收能都受到不同程度的影响,其中单
3、位体积吸收能 下降 了 5 0 。 关键词:混凝土;力学特性;早龄期;分离式霍普金森杆 中图分类号:T U 5 2 8 文献标志码:A M e c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f e a r l y a g e s c o n c r e t e un de r d i f f e r e n t i m pa c t l o a d i n g c o n d i t i o n s LI Xi b i n g 一, WANG S h i mi n g , ZHOU Ta o , HUANG Li n q i , ZHOU J i a n ( 1 S
4、 c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty, C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 , C h i n a ; 2 Hu n a n Ke y La b o r a t o r y o f Re s o u r c e s Ex p l o i t a t i o n a n d Ha z a r d Co n t r o l f o r De e p M e t a l M i n e
5、 s , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 , C h i n a ) A b s t r a c t : I n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f e a r l y a g e c o n c r e t e ( C 2 0 ) u n d e r d i ff e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n s
6、s y s t e ma t i c a l l y ,t h e i mp a c t c o mp r e s s i o n t e s t s o f fi v e e a r l y a g e c o n c r e t e we r e c o n d u c t e d wi t h a l a r g e d i a me t e r s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r Th e r e s u l t s s h o w t h a t , the d y n a mi c s t r e n g t h a n
7、 d e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e a r e i mp r o v e d u n d e r t h e i mp a c t l e v e l o f 5 0 o r 7 5 c o r r e s p o n d i n g c r i t i c a l i n c i d e n t e n e r g y b e f o r e a g e o f 7 d , wh i l e t h e y wo u l d d e c r e a s e i f c o n c r e t e s u ffe r e d a
8、n y i mp a c t a f t e r a g e o f 7 d T h e g r o wt h t r e n d o f d e f o r ma t i o n c a p a c i ty a n d u n i t v o l u me a b s o r p t i o n e n e r g y o f c o n c r e t e wi t h a g e c a n b e p r e s e n t e d wi t h a l o g ari t h mi c f u n c t i o n u n d e r s i n g l e i mp a c t
9、 Wh i l e t h e d e f o r ma t i o n c a p a c i ty and un i t v o l u me a b s o r p t i o n e n e r gy o f c o n c r e t e a r e a ffe c t e d wh e n t h e c o n c r e t e s u ffe r s i mp a c t a t mu l t i p l e a g e s , a n d t h e l a t e r i s e v e n d e c l i n e d b y 5 0 K e y wo r d s :
10、 c o n c r e t e ; m e c h a n i c a l p r o p e r t y ; e a r l y a g e ; S p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r 混凝土作 为应用 最广泛 的建筑 材料之一 ,在基础 工程建设中发挥着重要的作用。随着社会的进步,高 效建设 已是现代建筑理念的核心 ,在建设过程 中,为 了加快施工进度,混凝土在养护期间不可避免受到外 界 间断性甚至是持续性 的影 响,例 如隧道施 工过 程的 爆破工序以及矿山工程的爆破开挖都会对刚浇筑混凝 土结构产生冲击扰动,影响其整体功效。自
11、1 9 7 8年 L E W 等【 1 开始研究混凝土早龄期 的抗压 、劈裂强度和 粘结强度之后,大量学者开始关注早龄期混凝土的力 学特性。NAG Y 采用无损检测法测量早期混凝土的 弹性模量,并提出了静态弹性模量的预测模型,该模 型与实际测量结果能很好 的吻合 。K I M 等 研 究了养 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项 目( 2 0 1 0 C B 7 3 2 0 0 4 ) ;国家 自然科学基金资助项目( 5 0 9 3 4 0 0 6 ) 收稿 日期:2 0 1 4 - 0 2 - 2 5 ;修订日期 :2 0 1 4 1 2 2 0 通信作者:李夕兵,教授,博士;电话:0
12、7 3 1 8 8 8 7 9 6 1 2 ;E ma i l : x b l i ma i l C S U e d u e l l 第 2 5 卷第 6期 李夕兵,等:不同冲击条件下早龄期混凝土的力学特性 1 6 7 3 护温 度、龄期和水泥种类对混 凝土强度 、抗压强度和 弹性模量之 间的关系,并在试 验的基础上提 出了根据 温度和龄期来预测混凝土力学参数的模型。Y I 等【 4 J 研 究 了混凝 土 强度 和龄 期对 混凝 土应 力应 变 曲线 的影 响,提出以强度和龄期作为变量的新模型,能较好的 拟合各种实测曲线。 Z R E I K I 等l 5 】 研究了结构中早龄期 混凝土力
13、学特性 来预测裂纹扩展风 险和残余应 力,并 采用 热一 化 一 力 三者耦 合 的模 型来预 测早龄 期 混凝土 应变 、 残余强度 以及裂纹扩 展风 险评估。 Z H A NG 6 J 在统计和分析前 人大量实验结果 的基础上 ,提 出了一 个基于早龄 期混凝土强度 、弹性模量及两者 的变化系 数 的预测模 型,该模型能很好地反映混凝土力 学性质 随龄期的变化。在工程实践中,混凝土骨料替代品的 使用使得混凝土早期强度降低,K H O K HA R等 17 】 通过 配 料设 计 ,优化 早 期混凝 土 强度 。B E US HA U S E NA 等 I 8 研 究了不 同水灰 比和不 同
14、炉渣 替代 品对早龄 期混 凝土强度增 长的影响 。WA NG等 9 】 研究 了采用温度 匹 配养护和恒温养护来研究实际工程中温度对结构中早 龄期混凝土 力学性质的影响 。金贤玉等l 】 u 研 究 了静 载下混凝 土早期受力对混凝土后期强度 的影响 ,得 出 了早期混凝土受力时间及受力后养护条件对混凝土后 期力学特性有影响的结论,并在分析普通混凝土和高 性能混凝土结构早期裂缝的成因机理和控制措施基础 上 ,建立 了裂缝扩展过程 的损伤模型 ,总结了混凝土 早龄 期的水化、温度 、收缩 、徐变 、力学性能和断裂 性 能随时间的变 化规律 。 上述研 究表 明 ,大多研究者都专注 于早龄 期混
15、凝 土在静载下力学特性及静载作用对其后期力学影响的 研 究,较 少涉 及动载作用对早龄期混凝 土后期力学特 性影 响的研 究 。基于工程和科学研 究的需要,本文作 者 以 C 2 0混凝土 为研 究对 象,研 究多个龄 期冲 击后对 其后期力学特性的影响,并与单次冲击下的力学特性 进行 比较 。 1 早龄期 混凝 土冲击试验 为 了更好地 反映混凝土真实 的力学特性 ,试验采 用试样的直径为 7 5 m m_ 1 ,高径比为 0 5 ,其制备过 程严格按照标准规程u 3 进行,制作过程如下:拌浆、 捣实、抹平、养护、拆模、抹平、养护,其中第二次 抹平主要是抑制混凝土度件的不平整度,采用水泥砂
16、浆抹平。参照某实际隧道工程,混凝土试件配比设计 强度为等级为 C 2 0 ,详细配比见表 1 ,其中水泥采用 4 2 5级普通水泥 , 碎 石为变质砂岩 , 砂 子为普通河砂 , 并根据规范要求 , 采用 1 6 n l r n筛子筛分骨料,控制最 大骨料直径小于模具直径 1 4 E 1 引 。 表 1 混凝土配 比设计 Ta bl e 1 Co nc r e t e m i xt u r e pr o p or t i o ns w c i n d i c a t e s wa t e r c e me n t ma s s r a t i o ; W a c i n d i c a t e
17、 s a c c e l e r a t o r m a s s f r a c t i o n 冲击试验装置采用 7 5 1 T I 1 T I 直径 的 S H P B装置 , 其 示意图见图 1 。该试验系统具有适应非均质脆性材料 的中高应变率加载特点,加载应力通过采用纺锤形冲 头实现了恒应变率的半正弦应力波加载 H 】 。 冲击试验方案如下: 1 1确定每一龄期单次冲击下 混凝 土试 件 发生 破坏 时 的临界 入射 能和 临界 破坏 强 度L l ( 见表 2 ) 。此处试件 破坏指 的是试件 受冲 击后破 碎成几个大块 的临界破坏状 态。当入射 能小于临界入 射能时, 试件极有可能
18、不会破坏, 从而可以继续养护; 2 )确定 每个龄期冲击试验所需的入射能 。 本文作者 以 早龄期 中每龄期 临界入射 能的 5 0 和 7 5 水平作为冲 击入射 能依据 ,通 过调节气压 ,确保每次冲击入射能 接近设定要求 ; 3 )以步骤 2 ) 确定每一龄期的入射能为 基础,通过控制冲击气压值和冲头的位置,尽量确保 每次入射能相近; 4 )放置试样,做好试样与弹性杆问 的润滑;5 )调节至所需入射能的气压值进行冲击,达 到预定效果后 ,数据采集系统采集信 号、存盘 ;6 )根 据试验需要 ,尽可能使试件在 1 、3 、7 、1 4和 2 8 d龄 期都受到冲击,完成冲击后,试件没有损坏
19、,则放入 养护箱继续养护 ,同时为了对 比,分别对混凝 土在龄 图 1 S HP B试验系 统示意图 Fi g1 Sc he m a t i c di a g r a m of SHPB e x pe r i m e nt a l s y s t e m ba r 1 6 7 4 中国有色金属学报 2 0 1 5年 6月 3 、7 、1 4和 2 8 d 混凝土相应冲击条件下进行单次 击 ,试验过程 中记录 典型单次冲击波 形 曲线如图 2 示 ,采 用三 波法 间接 地计 算 出试样 的动 态 力学参 卅 ,试验结果见表 3和 4 。 表 2 动载下不 同龄期临界破坏强度 T a b l e
20、 2 Cfifi c f a i l u r e s t r e n g t h o f d i ffe r e n t a g e s c o n c r e t e u n d e ri mp a c t l o a d 童 萤 T i me l 0 S 图 2 典型 的压缩试验波形 图 Fi g 2 T y p i c a l wa v e f o r r n o f c o mp r e s s i o n t e s t 表 3 多次冲击荷载下早龄期混凝土力学特性 Ta b l e 3 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f e a r
21、 l y a g e c o n c r e t e u n d e r mu l t i p l e i mp a c t l o a d i n g 期 冲 所 数 第2 5 卷第6 期 李夕兵, 等:不同 冲击条件 龄期混凝土 力 堑 1 6 7 5 表 4 单次冲击荷载 下早龄期混凝 土力学特 性 Ta bl e 4 M e c ha ni c a l pr o pe r t i e s o f e a r l y a ge c o nc r e t e und e r s i g na l i mp a c t l o a di ng 2 结果与讨论 2 1 强度特性分析 在 多个龄
22、 期冲击试验 中,试件每 次冲击 完成后放 入养护箱养 护至下龄期再进行冲击 。从表 3可 以看 出,经过 多龄期冲击后 ,当冲击入射 能大于该冲击龄 期 临界入射 能的 7 5 时 ,试件就会发生破坏 。因此 , 为确保试件 能在 5个设定龄期都 能完成冲击 ,每 次冲 击 的冲 击入 射 能须 控制 在 该冲击 龄 期 临界入 射 能的 7 5 以 内。 图 3和 4所示分别 为不 同冲击 条件 下混凝土强度 ( o - ) 和弹性模量( 日随龄期( 的变化 。从 图 3 和 4可 以 看 出,在 不同冲击条件下 ,混凝土 强度和 弹性模量与 龄期都呈对数关系增长,且两者随龄期的变化类似。
23、 在 7 d以前,受多个龄期冲击混凝土试件 的强度 和弹 性模量增长速度 高于在相 同冲击条件下 单次冲击 试件 的强度和弹性模量 ;而在 7 d以后 ,受 多个龄 期冲击 混凝土试件 的强度和弹性模量增长速度 则小于单次冲 击试件的强度和弹性模量,且随着龄期的增长,差距 越 来越大 。这表 明,在龄期 7 d以前 ,由于混凝 土具 有一定 的黏弹性 ,适 当的冲击压缩( 5 0 临界入射能1 。 提高了混凝土的密实度,有助于提高混凝土的强度和 弹性模量,这与早龄期混凝土受静载作用后对后期混 凝 土强度影 响相似 【 J 0 】 ;在龄 期 7 d以后 , 由于混 凝土 开始逐渐显露准脆性材料
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- 不同 冲击 条件下 早龄期 混凝土 力学 特性
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