循环加载下塑性混凝土的应力－应变曲线分析.pdf

第3 2 卷第1 0 期 2 0 1 5年 1 0月 长江科学院院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e Ri v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo L 3 2 N o 1 0 Oc t 2 0 l 5 d o i ： 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 0 1 4 0 8 6 3 2 0 1 5 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 1 1 6 - 1 2 0 循环加载下塑性混凝土的应力一 应变曲线分析 璐璐 。 常芳芳 。 解伟 。 王雪奎 ( 1 华北水利水电大学 土木与交通学院， 郑州4 5 0 0 1 1 ； 2 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院， 郑州4 5 0 0 0 3 ) 摘要： 通过设置 4组配合 比浇筑圆柱体和棱柱体试件 ， 进行了抗压强度和弹性模量试验。试验分析了应力一 应变 曲线、 预压段和未预压段以及循环段的应力一 应变曲线的特点 ， 比较了预压段与未预压段的应力一 应变曲线。通过 对曲线斜率的分析， 了解试件孔隙存在的微观性， 明确预压时循环次数对应力一 应变曲线的影响。试验结果表明： 塑性混凝土应力一 应变曲线的上升段较普通混凝土有明显的不同， 预压段的应力一 应变曲线的斜率先增加后减小， 而未预压段的曲线斜率一直增加。同时， 可以宏观地明白试件内部孔隙存在的微观性， 得出预压次数对应力一 应变 曲线的影响并不大。所得出的结论对塑性混凝土今后的科学研究与工程应用具有一定的借鉴。 关键词： 塑性混凝土； 循环加载； 弹性模量； 应力一 应变曲线 ； 峰值应力 中图分类号 ： T V 3 3 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 - 5 4 8 5 ( 2 0 1 5 ) 1 0 - 0 1 1 6 - 0 5 1 研 究进展 普通混凝土具有抗压强度高、 耐久性能好等诸 多优点 ， 被广泛应用 于建 筑领域 J ， 但是 普通混凝 土的应力一 应变 曲线特征与土 的应力 一 应变 曲线特 征相差比较大 ， 造成 了普通混凝土使用的局限性 。 在大坝围堰 、 除险加固及结构基础工程 中， 防渗 体与周围的土体紧密接触， 为了避免墙体内出现拉 应力 ， 并且为了使混凝土与周围土体的变形相近， 减 小结构的破坏程度 ， 延长结构的使用时间， 就需要一 种低强度 、 低弹性模量、 大应变和 防渗性好 的材料。 经过长时间的研究 ， 人们发现用膨润土或黏土代替 普通混凝土中的部分水泥可以满足这样的要求， 即 塑性混凝土。通过应力一 应变 曲线不仅可以得到混 凝土的抗压强度 ， 还 可以确定其弹性模量 、 峰值应 变 、 延性指数 、 破坏形态等力学特性 。 我国对塑性混凝 土的研究始 于 2 O世 纪 8 0年 代 J ， 但大多侧重于工程实 际应用 ， 缺乏较系统 的 理论研究 ， 以往 的塑性 混 凝土 应力 一 应变 曲线 研 究 主要针对的是未预压时的应力一 应变曲线 ， 而 对循环加 载下 的应 力一 应 变 曲线 的研 究并 不是太 多 ， 譬如王四巍等人 研究 了循 环加载下塑性混凝 土 的强度及变形特性。 2 试验方案 2 1 试验原材料及塑性混凝土配合比 ( 1 )水泥， 采用河南孟电生产的 P O 3 2 5 号普 通硅酸盐水泥， 各项指标符合 通用硅酸水泥 ( G B 1 7 5 -2 0 0 7 ) 标准要求。 ( 2 )细骨料为河砂 ， 级配曲线位于 区， 属于中 砂， 各项指标符合 建筑用砂 ( G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 ) 标准要求 。 ( 3 )粗骨料粒径 5 2 5 m m的石灰岩碎石， 级配 连续， 各项指标符合 建筑用卵石、 碎石( G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 ) 标准要求 。 ( 4 )水为 自来水 。 ( 5 )膨润土选用 四川乐山生产的钠质膨润土。 混凝土配合 比见表 1 。 表 1 塑性混凝土配合比 Tab l e 1 M i x pr o po r t i o ns o f pl as t i c c onc r e t e s 2 2 试件的制作 主要开展圆柱体和棱柱体单轴抗压力学特性指 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 0 0 9 ； 修回 日期 ： 201 4 1 2 0 9 基金项 目： 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项 目( H K Y J B Y W一 2 0 1 3 1 0 ) 作者简介 ： 刘璐璐 ( 1 9 9 0 - ) ， 男 ， 河南南阳人 ， 硕士研究生， 研究方 向为工 程结构设计与 防减灾技术 ， ( 电话 ) 1 5 2 3 8 3 0 2 1 8 2 ( 电子信箱) t i a n k o n g - c h u mo 1 6 3c o rn。 第 1 O期 刘璐璐 等循环加载下塑性混凝土的应力一 应变曲线分析 1 1 7 标试验 ， 其 中棱柱体试件 尺寸为 1 5 0 m inx 1 5 0 mm 3 0 0 m m， 圆柱体试件尺寸为 1 5 0 m m 3 0 0 m m， 每 组配合 比均 浇筑 6个棱柱 体试件 和 6个 圆柱体 试 件。每组试件中 3 个圆柱体和 3 个棱柱体试件做轴 心抗压强度试验， 另外 3 个圆柱体和 3个棱柱体试 件做弹性模量试验。 事先准备好材料， 试验开始时按照表 1中的配 合 比称取每种材料 的量 ， 拌合方式采用强制式搅拌 机拌合 ， 在往搅拌机里倒料之前先用水预湿 ， 然后依 次加入粗细骨料、 水泥 、 膨润 土开始搅拌 ， 搅拌 的过 程中加水， 2 m i n 之后出料， 同时在搅拌的过程中另 外 的试验人员对试模刷脱模剂 。试件成型静置 4 8 h 后拆模 ， 并移至标准养护室养护 ， 养护至 2 8 d龄期 后按照 水工混凝土试验规程 进行抗压强度和 弹性模量试验。 2 3 试验设备与过程 试验采 用 全 标 距 法 开 展 ， 采 用 微 机 控 制 的 C MT 5 1 0 5电子万能试验机 ， 力的加载用位移进行控 制 ， 做轴心抗 压强度试验时加载速度为 1 m m mi n ， 做弹性模量试验时加载速度为0 2 ram ra i n 。 由于膨润土的加入， 拌合出的塑性混凝土较粘， 这难免会给试件的浇筑带来影响 ， 尽管在浇筑的时 候对混凝土进行了振捣， 但混凝土之间仍存留些气 泡 。为了消除试件 内部 的孔 隙， 试验采用预压和不 预压 2 种方案， 预压的最大值为 0 4 倍的峰值荷载， 预压段共循环 2次。轴向荷载、 试件的变形位移均 由仪器 自动采集 ， 然后计算机根据采集 到的数据 自 动绘制应力一 应变曲线 。 3 试 验结果分析 3 1 基本 的试验结果 每组配合 比下试件结果 的处理方法 ： 以 3个试 件测定值的算术平均值 作为该组试 件的抗压强度 值。当 3个测定值中的最大或最小值有一个与中间 值的差值超 出中间值 的 1 5 时 ， 则把最大及最小值 一 并舍去 ， 取中间值作为该组试件 的试验值 J 。 对于弹性模 量的计算 ， 现有规范及研究成果 尚 无统一规定取值方法 J ， 大多数 的研究主要是根据 D 一D ， 水工混凝土试验规程 中的公式 E= ， 来计算 的。式 中： E为试件 的弹性模 量 ( M P a ) ； L P 为峰值应力的4 0 ( N) ； p 。 取应力为0 5 M P a 时的 荷载值( N ) ； A为试件 的承压面积 ( mm ) ； A L为试 件从 P 。 增加到 p 时的纵 向累计变形值 ( m m) ； L为 试件的变形测量标距( ra m) 。 由于本试 验混凝土的强度不高 ， 若采用上述的 公式来计算弹性模量 ， P 和 P 的取值间的距离太近 甚至会出现负值， 这样计算出来的弹性模量没有代 表性也不符合实际 ， 那么就需要一种新 的取值方法 来计算弹性模量。 初始 弹性模量的取值应为原点处的切线斜率， 但塑性混凝土的应力一 应变 曲线与普通混凝土 的应 力一 应变曲线不 同， 它有一个初始加载段 ， 原点处 的 斜率接近于 O ， 则用原点处 的斜率来计算初始弹性 模量不太合适 。 本试验试件的弹性模量和初始弹性模量按照宋 力等 提 出 的方 法 计算 ： P 为极 限 破 坏荷 载 的 9 0 ； P 为试件的初始荷载， 根据其切线斜率的变 化， 取极限破坏荷载的4 0 ； 初始弹性模量 E 初主要 针对未预压构件 ， 其 中 P ： 为极 限破坏荷载的4 7 ， 对应 的应变约为峰值应 变的 1 5 ， P 为极 限破坏荷 载的2 5 。试件的基本试验结果见表 2 。 表2 试件的基本试验结果 Ta b l e 2 Ba s i c t e s t r esu l t s 0 f s p e c i me n s 3 2 循环加载下的应力一 应变曲线 图1 为塑性混凝土循环加载下 的应力一 应变 曲 线。试验表明 ， 塑性混凝 土的循 环加载下 的应力 一 应变 曲线 的形态与单调加载下 的应力一 应变曲线形 态基本一致。再者与普通混凝土相 比， 从 曲线 的走 势看塑性混凝土的应力一 应变 曲线出现 了初始加载 段 、 反弯点和拐点， 从曲线的数值上看塑性混凝土的 峰值应力减小， 峰值应变增大， 上升段斜率减小， 进 而导致塑性 昆 凝土的弹性模量 比普通混凝土有所减 小 。造成这种现象主要是 因为混凝土中部分的水泥 被膨润土代替 ， 致使塑性混凝土既要表现水泥影响 强度的特性 同时也要表现膨 润土影 响变形的特性 ， 这样塑性混凝土的强度就会因水泥量的减少而降 低 ， 变形因膨润土的加入而明显变大 ， 进而导致弹性 模量的减小 。 塑性混凝土应力一 应变 曲线基本上可 以分 5个 阶段( 见 图 2 ) ： O A， A B， B C， C D和循环段 0 o 。O A， A B ， B C ， C D段曲线的特征， 宋力等 已作了详细的 描述。曲线在达到峰值应力之前试件表面无 肉眼可 第 1 O期 刘璐璐 等 循环加载下塑性混凝土的应力一 应变曲线分析 l 1 9 应变， 1 图5 奇异点前典型的应力一 应变曲线 Fi g 5 Ty p i c a l s t r e s s s t r a i n l r v e s b e f o r e t he s i ng ul a r po i nt O c c ur s l l 0 0 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 馨6 0 0 孺 5 0 0 4 0 0 3 0 0 20 0 1 o o 应-3 l o 图6 奇异点前的应力一 应变曲线段的斜率 Fi g 6 S l o p e o f t h e s t r e s s s t r a i n c u r v e s b e f o r e th e s i ng ul a r poi nt o c c ur s 刚开始段应变的变化速度 比应力的变化速度快， 这证 明了之前所说的孔隙的存在。同时， 预压段与未预压 段有一明显的不同， 预压段的应力一 应变曲线的斜率 先增加后减小， 而未预压段的曲线斜率一直增加。通 过分析我们更加了解试件内部孔隙的存在的微观性。 奇异点 出现的主要原因就是所设置的最大预压 应力比较小 ， 还未能完全消除试件 内部 的孔 隙。本 次试验预压应力的最大值是根据 水工混凝土试验 规程 ( S L 3 5 2 -2 0 0 6 ) 取得 的， 根据试验结果及分 析可知普通混凝土的试验规程不完全适用于塑性混 凝土。 3 2 2 循环段的应力一 应 变曲线 由图 2可知， 塑性混凝土在循环荷载作用下的加 载曲线与卸载曲线不重合 ， 加载曲线和卸载曲线形成 闭合 曲线 ， 即塑性混凝土加卸载 的路径不能完全重 合 ， 应力与应变之间不存在一一对应关系 。经过对 试验数据分析 ， 我们做出循 环段 曲线的斜率见 图 7 ， 可以看出这2 次循环曲线的斜率在走势上和数值上 基本一致 ， 这就说明了在做弹性模量试验的时候预压 次数对应力一 应变曲线的影响并不大。 应变 1 0 -3 图 7 循环段应力一 应变曲线斜率 F i g 7 S l o p e of t h e s t r e s s - str a i n c u r v e of c y c l e s e g me n t 4 结 论 本文通过试验研究塑性混凝土在加卸载作用下 应力一 应变曲线 的特点 ， 分 析了预压与未预压 以及 循环段的应力一 应变曲线的特征， 得出以下结论： ( 1 )曲线 的上升段 较普通混凝 土有 明显 的不 同 ， 从 曲线的走势看塑性混凝 土出现 了初 始加载段 和反弯点 ， 从曲线的数值上看峰值应力减小 ， 峰值应 变增大 ， 上升段斜率减小 ， 进而导致塑性混凝土的弹 性模量比普通混凝土有所减小。 ( 2 )预压段的应力一 应变曲线 的斜率先增加后 减小 ， 而未预压段 的曲线斜率一直增加 。通过分析 试件 内部 内部孔隙存在 的微观性 。 ( 3 )循环曲线的斜率在走势上和数值上基本一 致， 预压次数的多少对应力一 应变曲线的影响并不 大 。 参考文献 ： 1 于 良， 程华 ， 靳雨欣， 等 碳纤维混凝土单轴受压 应力一 应变本构关系 J 后勤工程学院学报，2 0 1 3 ， ( 4) ： 6 1 2 ( Y U L i a n g ，C H E N G H u a ， J I N Y u x i n ，e t a 1 C o n s t i t u t i v e R e l a t i o n s h i p o f S t r e s s s t r a i n o f C a r b o n F i b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e u n d e r Un i a x i a l C o mp r e s s i o n J 1 J o u r n a l of L o g i s ti c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 3 ， ( 4 ) ： 6 1 2 ( i n C h i n e s e ) ) 2 宋力 ， 常芳芳 塑性混凝土应力一 应变特性的试验研 究 J 南水北 调与水利科 技， 2 0 1 4 ， 1 2 ( 2 ) ： 6 7 7 0 ( S O N G L i ，C H A N G F a n g f a n g S t u d y o n S t r e s s s t r a i n C h ara c t e r i s t i c s o f P l a s t i c C o n c r e t eJ 1 S o u t h t o No r t h Wa t e r Di v e r s i o n a n d Wa t e r S c i e n c e T e c h n o l o g y 2 01 4 1 2 ( 2 ) ： 6 7 7 0 ( i n C h i n e s e ) ) 3 高丹盈 ， 王四巍，宋帅奇， 等 塑性混凝土单向受压应 力一 应变关系的试验研究 J 水利学报，2 0 0 9 ，4 0 ( 1 ) ：8 2 8 7 ( G A O D a n y i n g ，WA N G S i w e i ，S O N G 长江 科学 院院报 2 0 1 5丘 S h u a i - q i ，e t a 1 E x p e ri me n t a l S t u d y o n 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 Pl a s t i c C o n c r e t e u n d e r Un i a x i al C o mp r e s s i o n J J o u r n al o f H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g ，2 0 0 9 ，4 0 ( 1 ) ： 8 2 8 7 ( i n C h i n e s e ) ) 胡 良明塑性混凝土受压本构关系模 型与破 坏准 则 D 郑州： 郑州大学材料科学与工程学院， 2 0 1 2 ( H U L i a n g - m i n g C o n s t i t u t i v e Mo d e l a n d F a i l u r e C ri t e ri a o f P l a s t i c C o n c r e t e u n d e r C o m p r e s s i o n D Z h e n g z h o u ： S c h o o l o f Ma t e ri als S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g o f Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ( i n C h i n e s e ) ) P AS HA NG P I S HE H Y MI R MOHAMMAD HOS S E I NI S M S t r e s s - s t r a i n B e h a v i o r o f P l as t i c C o n c r e t e Us i n g Mo n o - t o n i c T r i a x i al C o mp r e s s i o n T e s t s J J o u rnal o f C e n t r al S o u t h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ，1 9 ( 4 ) ：1 1 2 5 11 3 1 王四巍，高丹盈 ， 刘汉东 循环加卸载下塑性混凝土 强度及变形特性 J 工业建筑， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 5 ) ： 9 2 - 9 5 ( WA N G S i w e i ，G A O D an y i n g ，L I U H an- d o n g S t u d y o n S t r e n g t h a n d D e f o r ma t i o n o f Pl a s t i c C o n c r e t e u n d e r C y c l i c L o a d i n g a n d U n l o a d i n g J I n d u s t ri al C o n s t r u e t i o n ， 2 0 0 9 ，3 9 ( 5 ) ： 9 2 - 9 5 ( i n C h i n e s e ) ) S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程 s 北京 ：中国 水利水 电出版社 ， 2 0 0 6 ( S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， T e s t C o d e f o r H y d r a u l i c C o n c r e t e s B e i j i n g ：C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 0 6 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑： 赵卫兵) L I U L u l u ，CHANG Fa n g f a n g ，XI E W e i ，WANG Xu e k u i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d C o mm u n i c a t i o n ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 01 1 ，C h i n a；2 Y e l l o w Ri v e r I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c Re s e a r c h 。 Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Pr e v i o us r e s e a r c h e s o n t he s t r e s s s t r a i n c ur v e o f p l a s t i c c o n c r e t e are f o c u s e d o n t h e c u r v e i n t he a b s e n c e o f p r e l o a d i n g I n t h i s p a p e r ，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d e l a s t i c mo d u l u s t e s t s we r e c o n d u c t e d o n c y l i n d e r a n d p r i s mo i d c o n c r e t e s p e c i me n s p o u r e d wi t h d i ff e r e n t mi x p r o p o rti o n s T h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s t r e s s s t r a i n c u r v e ，t h e s t r e s s 。 s t r a i n c u rve s i n t h e p r e s e n c e o f p r e l o a d i n g an d i n t h e a b s e n c e o f p r e l o a d i n g an d u n d e r c y c l i c l o a d i n g w e r e r e s p e c t i v e l y a n a l y z e d Mo r e o v e r ，t h e s t r e s s s t r a i n c u r v e s w i t h p r e l o a d i n g a n d n o p r e l o a d i n g w e r e c o mp a r e d Th r o u g h a naly s i s o n t h e s l o pe o f t he c u r v e s ，mi c r o p o r e s we r e p r o v e d t o e x i s t i n t h e c o nc r e t e a nd h o w t he n u mb e r o f c y c l e s d u ri n g p r e l o a d i n g a f f e c t i n g t h e c u rve s wa s o b t a i n e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r i s e s t a g e o f s t r e s s s t r a i n c u rve s 0 f p l a s t i c c o n c r e t e i s s i g n i fi c a n t l y d i ff e ren t f r o mt h a t o f n o r ma l c o n c r e t e，a n d t h e s l o p e o f s t r e s s s t r a i n C H I V E S o f p r e 1 o a di n g s t a g e f i r s t l y i n c r e a s e s t h e n d e c r e a s e s ，wh e rea s t h e s l o pe o f s t r e s s s t r a i n c u r v e s alwa y s i n c r e a s e s a t n o n e pr e l o a d i n g s t a g e At t h e s a me t i me， we c a n ma c r o s c o p i c a l l y u n d e r s t a n d t h e e x i s t e n c e o f i n n e r mi c r o p o r e s i n t h e s p e c i me n s ，and t h e n u mb e r o f p r e l o a d i n g c y c l e s h a s a l i t t l e e f f e c t o n s tr e s s s t r a i n c u rve s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r i s e o f s t r e s s 。 s t r a i n c u rve s o f p l a s t i c c o n c r e t e i s s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t t ha n t h o s e o f n o r ma l ， t h e s l o p e o f s t r e s s s t r a i n c u rve s o f p r e l o a d i n g f i r s t l y i n c r e a s e s t h e n d e c r e a s e s ，a n d t h e s l o p e o f s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f n o p r e l o a d i n g h a s b e e n i n c r e a s e dAt t h e s a lT l e t i me，we v an u nd e r s t a n d t he ma c r o o f t h e s pe c i me ns 。a nd n u mb e r o f p r e l o a d i n g h a s n o e f f e c t o n s t r e s s s t r a i n c ur v e s Th e r e s u hs h a v e r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e t o t h e s c i e n t i fic a n d e n g i n e e ring a p p l i c a t i o n s Th e r e s u h s c a n b e r e f e r e n c e f o r t h e s c i e n t i fi c r e s e a r c h a n d e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n s o f p l a s t i c c o n c r e t e Ke y wo r d s： p l a s t i c c o n c r e t e ；c y c l i c l o a d i n g ；e l a s t i c mo d u l u s ；s t r e s s s t r a i n c u r v e ； p e a k s t r e s s