酸雨环境下约束混凝土本构关系试验.pdf
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1、第 1 9卷第 2期 2 0 1 6年 4月 建筑材料学报 J OURNAL 0F B UI L DI NG MATE RI ALS Vo L 19。 NO 2 Ap r , 2 01 6 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 2 3 7 0 6 酸雨环 境下约束 混凝土本构关 系试 验 郑山锁 , 关永 莹 , 黄 莺歌 , 周京 良, 郑 捷 ( 西安 建筑 科技 大学 土木工 程 学 院 ,陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 :为研 究酸 雨环境 下箍 筋 约束 混凝 土( 以下 简称 约束 混凝 土) 的应 力一 应 变关
2、系, 配 置 不 同浓度 的酸 液 , 对配箍 特征 值 分别 为 0 1 9 5 , 0 1 2 5的 5 0个 1 5 0 mmX1 5 0 mm4 5 0 mm 钢 筋 混凝 土棱 柱 体试 件进行 酸 液周 期浸 泡侵蚀 及 轴 压 加 载 试验 , 研 究 了侵 蚀 程 度 、 配箍 特 征 值 对 混凝 土峰 值 应 力 及峰值应 变等力学性能的影响, 得到约束混凝土的应力一 应变全 曲线 结果表 明: 酸雨环境下, 约束 混凝土的受压应力一 应 变全曲线呈扁平状 ; 在配箍特征值相 同的情况下, 随着酸液浓度的增加, 混凝 土峰值应力呈线性降低 , 而峰值应 变相应增大 ; 在
3、酸液浓度相 同的情 况下, 混凝土峰值应力降低程 度 及峰 值 应 变增 大程 度 均 随混凝 土 强度 的 增 大而减 小 关 键 词 :酸 雨环境 ;箍筋 约束 混凝 土 ;轴压 加载 试验 ;应 力一 应 变全 曲线 中图分 类 号 : TU5 2 8 0 1 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 2 0 0 5 Ex p e r i me nt o n t he Co ns t i t u t i v e Re l a t i o n o f Co nf i n e d Co nc r e
4、 t e u n d e r Ac i d Ra i n Env i r o n m e n t Er o s i o n ZHENG S h a n s u o, GUAN Yo n g y i n g,H UANG Yi n g g e, ZH OU J i n gl i a n g, ZHENG J i e ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ,Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y ,Xi a n 7 1 0 0
5、 5 5,Ch i n a ) Ab s t r a c t :I n o r d e r t o s t u d y t h e 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 s t i r r u p s c o n f i n e d c o n c r e t e u n d e r a c i d r a i n e n v i r o nme n t e r o s i on,t h e d i f f e r e n t c on c e n t r a t i o ns o f a c i d l i q uo r wa
6、 s pr e p a r e d t o s i mu l a t e t h e a c i d r a i n e nv i r o n me n t 5 0 r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s o f 1 5 0 mm 1 5 0 mm 4 5 0 mm wi t h s t i r r u p c h a r a c t e r i s t i c v a l u e 0 1 9 5 a n d 0 1 2 5 we r e s o a k e d b y a c i d s o l u t i o n,a x i
7、 a l c o mp r e s s i o n l o a d i n g e x p e r i me n t wa s c a r r i e d o u t Th e i nf l u e n c e o f e r o s i o n de gr e e a nd s t i r r u p c ha r a c t e r i s t i c v a l ue o n t he m e c ha ni c a l pr o pe r t i e s s u c h a s p e a k s t r e s s a nd p e a k s t r a i n o f c o n
8、c r e t e we r e i n ve s t i ga t e d a nd t he s t r e s s s t r a i n c u r ve o f c on f i n e d c o nc r e t e wa s o bt a i ne d Th e e x p e r i me n t a 1 r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o mp r e s s i v e s t r e s s s t r a i n c u r v e o f c o n f i n e d c o n c r e t e i S f l a
9、t ,i n t h e c a s e o f t h e s a m e s t i r r up c ha r a c t e r i s t i c v a l u e, wi t h t he i nc r e a s e o f a c i d c on c e nt r a t i on, t he p e a k s t r e s s o f c o nc r e t e de c r e a s e s l i ne a r l y,a n d pe a k s t r a i n of c o nc r e t e i n c r e a s e s U n de r t
10、 he s a me s o l u t i o n c on c e nt r a t i o n, t h e d e c r e a s e d d e g r e e o f p e a k s t r e s s a n d t h e i n c r e a s e d d e g r e e o f p e a k s t r a i n d e c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f c o nc r e t e s t r e ng t h l e v e 1 Ke y wo r ds :a c i d r a i n e
11、 nv i r o nme nt ;s t i r r up c o n f i ne d c on c r e t e;a xi a l c o mpr e s s i o n l o a d i ng e x pe r i m e nt ;s t r e s s s t r a j n C Ur v e 国内外 对于 钢筋 混凝 土结 构受 酸雨侵 蚀 的研 究 主要 集 中在 混凝 土 材 料 的损 伤机 理 、 宏 观微 观 性 能 及退化规律等方面, 对钢筋混凝土构件整体工作性 能研 究较 少 , 特 别 是 对 于 酸雨 环 境 下 约束 混 凝 土应 力一 应 变关 系 的研 究
12、 至今 尚未 见 到 本文 通 过设 计 4 种 浓度 的酸 液来 人 工模 拟酸 雨 环 境 , 对 酸雨 环 境 下 收稿 日期 : 2 0 1 4 1 1 2 O ;修订 日期 : 2 0 1 5 - 0 1 1 5 基金项 目: “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 3 B AJ 0 8 B 0 3 ) ;教育部高等学校博士学科点专项科研 基金资助项 目( 2 0 1 3 6 1 2 0 1 1 0 0 0 3 ) ; 陕 西省科研项 目( 2 0 1 2 K1 2 0 3 0 1 , 2 0 1 1 KTC Q0 3 0 5 , 2 0 1 3 J C1 6 ) 第一作
13、 者: 郑 山锁 ( 1 9 6 O 一) , 男 , 陕西渭南人 , 西安建筑科技大学教 授, 博士生导师 , 博士 E ma i l : z h e n g s h a n s u o 2 6 3 n e t 2 3 8 建筑材料学报 第 1 9卷 约束混凝土试件进行轴压试验 , 研究 了酸雨侵蚀条 件下约束混凝土应力一 应变曲线的特点 , 分析约束混 凝土的峰值应力 和峰值应变的变化规律 , 建立 了酸 雨 环 境下 约 束 混 凝 土应 力 一 应 变 全 曲线 方 程及 相 关 参数表达式 1 试 验 1 1 设计 参数 设计 5 O个侵蚀时间、 p H值 、 S ( ) i 一浓度
14、和配箍特 征值不同的钢筋混凝土棱柱体试件 , 配箍特征值分别 为 0 1 9 5和 0 1 2 5 , 实测钢 筋屈 服强 度为 4 7 0 MP a 试 件 尺寸及 纵筋 、 箍筋 布置图如 图 1 所示 预 留 1 0 8 个 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的立 方体混凝土试块 , 用于抗压强度和酸化深度测试_ 1 , 实测 2 8 d C 3 O , C 4 0混凝土立方体抗压强度 厂 分别 为 3 2 7 , 4 3 1 MP a 根 据 暴 露 在 酸 雨 频 发 地 区 实 际 结构 的侵 蚀程 度及 酸雨 浓度 , 设 计 4类 酸雨 环境 , 7种侵蚀时间
15、混凝土配合 比见表 1 , 约束混凝土棱 柱体试件参数见表 2 ( a ) L o n g i t u d i n a l s e c t i o n ( b ) S p e c i me n d e t a i l 图 1 试件尺寸及纵筋 、 箍 筋布置图 Fi g 1 S i z e a n d l o n g i t u d i n a l b a r ,s t i r r u p l a y o u t d i a g r a m o f s p e c i me n( s i z e : mm) 表 1 混凝土配合 B T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i
16、 o n o f c o n c r e t e k g m。 表 2 约束混凝土棱柱体试件参数 Ta b l e 2 P a r a me t e r s o f c o n fine d c o n c r e t e s p e c i me n s 1 2酸 雨环 境模拟 为缩短 试 验周期 , 近年来许 多 学者 _ 3 通 过 提高 H 浓度 ( 降低 p H 值) 、 增加 s o 一浓度来模拟酸雨 环 境 本 文 设 计 的 4类 酸 液 采 用 浓 HNO。和 Na S O 进行 配 置 对 试 件 采 用 周 期 浸 泡 法 处 理 , 将 试 件 浸 入溶 液 4 d后
17、取 出 , 置 于干 燥 环 境 中 自然 干燥 1 d , 以 5 d作为 1次干湿交替循环周期 为保证 人工模拟酸雨环境箱 中离子浓度恒定 , 每天用酸度 计 测 定 , 通 过增 加浓 HNO。 的浓度 来 调整 p H 值 , 通 过 增加 Na S O 来 调整 S Oi 一浓度 1 3 轴压 试 验加 载方 式 试 验加 载 装 置采 用 YAW一 5 0 0 0微 机 控 制 电液 伺服压力 试验 机 , 该试 验 机 的最大静 载输 出值 为 5 0 0 0 k N 试验 加载 方式采 用 等速 位 移 控 制 , 速 率 选 为 0 3 mm mi n , 单调 递增 直 至
18、试件 受压破 坏 2试验结果与分析 2 1 环境 试 验现 象 人工模 拟 酸雨 环 境 侵 蚀作 用 下 , 不 同侵 蚀 阶段 试件 的表 观形态 如 图 2 所 示 由图 2可 见 , 试 件表 观 形态变化大体分为 4个 阶段 : 第 1阶段混凝 土中 含有 的大量碱性 物质与酸液 中的 H 。 发生 中和反 应 , 初 期混 凝 土外观 颜 色未发 生 大 的变 化 , 但 是 混 凝 土表 面 出现 大量 白色泡 沫 物 质 ; 第 2阶段 试 件 表 面有部分结晶体析 出, 呈黄褐色 , 且有逐渐加深的变 化趋势 ; 第 3阶段试件 由前阶段的黄褐色变成灰 2 4 0 建筑材料学
19、报 第 1 9卷 图 5 峰值应变与酸化深度 的关系 F i g 5 Re l a t i o n o f p e a k s t r a i n a n d a c i d d e p t h 3 约束 混凝土应力一 应变全 曲线 3 1 混凝 土应 力一 应 变 曲线拟合 本文建立的酸雨环境侵蚀下约束混凝土本构方 程 ( 式( 5 ) ) 结合曲线上升段与下降段 的特点, 上升段 参 考过 镇 海研 究 成 果l_ 8 , 下 降 段 选 择 有 理 式 Y一39 a ( z一1 ) + 作为本构方程形式 f + ( 3 2 A) + ( A 一 2 ) z 。 , z 1 = = z 1
20、 ( 5 ) l 口 ( z一 1 ) + z , 式中: A, 分别为受酸雨侵蚀 的约束混凝土应力一 应 变 曲线 上升段 和 下降段 控制 参数 由以上方法建立的酸雨环境侵蚀下约束混凝土 本构方程更加符合试验结果 , 利用 O r i g i n软件 回归 分析, 得到 上升 段 和下 降段 相关 参数 A A。 , D o ( A。 , 分别表示未受侵蚀约束混凝土试件的应力一 应变 曲线上升段及下降段控制参数) , 它们与酸化深 度 D 的关 系见 图 6 , 7 图 6 A A。酸化 深 度 的关 系 Fi g 6 Re l a t i o n o f A Ao a n d a c i
21、 d d e p t h 对试验数据进行回归 , 得到 A Ao , D D o与酸化 深 度 D 的关 系 : 一 1 0 0 7 2 D ( 6 ) fl _ 。 一 1 + 0 3 3 D ( 7 ) 图 7 与酸化深度 的关 系 F i g 7 R e l a t i o n o f fl 岛 a n d a c i d d e p t h 3 2试 验结 果 与回归 应力一 应 变全 曲线对 比 图 8 ( a ) ( d ) 为在 4 类酸雨环境 、 5种侵蚀时间 ( O , 3 0 , 9 0 , 1 2 0 , 1 8 O d ) 条 件 下 , 箍筋 形 式 为 6 6 O
22、, 配箍特征值为 0 1 9 5 , 强度等级为 C 3 0的约束混凝 土应力一 应变 曲线 由图 8 ( a ) ( c ) 可见 : 侵蚀期为 3 O , 9 0 d时 , 混 凝 土 强 度 有 所 增 加 , 刚度 增 加 , 由 于 A, B, C类 酸 雨 环 境 p H 值 、 S O : 一浓 度 均较 D类 环 境 低 , 酸液 中 H 与 混 凝 土 内碱 性 介 质 发 生 化 学 反 应 , 生成产物填人混凝土空隙中导致强度短暂增长 ; 侵蚀期为 1 2 0 , 1 8 0 d时 , 大量生成产物堆积在混凝 土 中 , 导 致混 凝 土 胀 裂 , 内部 出现裂 缝 ,
23、 强 度快 速 下 降, 刚度明显退化, 整个过程约束混凝土效应减弱, 钢 筋与混凝 土之间黏结作用有 一定损伤 ; 其 中 C类 环境 下 S 一浓度相对较高, 反应生成 的大量钙矾石和少 量石膏使混凝土密实 , 故随混凝土内部裂缝发展 , 试 件峰值应力的增加趋势减弱 , 约束混凝土效应减弱; 由图 8 ( d ) 可见 : D类 酸 雨环 境 溶液 中 H 浓 度 、 S 一 浓度达到 4类酸雨环境的最高值, 侵蚀 3 0 d的试件峰 值应力出现明显下降, 曲线 向右下角移动, 刚度减小 , 约束混凝土效应与 A, B, C类环境相比明显减弱 图 8中( e ) ( h ) 为 在 4类
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- 酸雨 环境 约束 混凝土 关系 试验
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