塑性混凝土应力应变特性的试验研究_宋力1_2_常芳芳1_2

第12卷 第2期2014年4月

南水北调与水利科技

S outh 2to 2North W ater Transfers and Water Science &Techn ology V ol.12N o.2

A pr.2014

收稿日期:2014200200 修回日期:2014202218 网络出版时间:网络出版地址: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 KY 2JBYW 22013210)作者简介:宋 力(19792),男,河南南阳人,工程师,硕士,主要从事混凝土结构试验、数值仿真模拟等研究。E 2mail:s on gli@https://www.360docs.net/doc/dc13855192.html,

D OI:10.13476/https://www.360docs.net/doc/dc13855192.html,ki.nsbdqk.2014.02.001

塑性混凝土应力应变特性的试验研究

宋 力1,2,常芳芳1,2

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,郑州450003;2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心,郑州450003)

摘要:为了分析塑性混凝土应力应变关系,共设计8组配合比48个试件,进行了单轴抗压试验,得到了塑性混凝土典型的应力应变曲线。通过将其与常规混凝土应力应变关系曲线进行对比,并从应变、应力、曲线切线斜率、裂缝四个方面进行分析,得到了塑性混凝土全过程的应力应变特性。研究发现,塑性混凝土应力应变曲线上升段E 2ln R 关系符合6次多项式规律,曲线下降段E 2R 可以利用L og istic 模型进行较好地模拟,据此,给出了建议的塑性混凝土应力应变曲线分段函数表达式。研究成果对塑性混凝土弹性模量测试、设计、施工等工作具有参考意义。关键词:塑性混凝土;应力应变曲线;数值拟合;指数函数;L og istic 模型

中图分类号:T U 528.01 文献标识码:A 文章编号:167221683(2014)022*******

Study On Stress 2strain C haracteristics Of Plastic C oncrete

SO NG L i 1,2,CH A NG Fang 2fang 1,2

(1.Yello w Riv er I nstitute of H y dr aulic Res ear ch ,Zhengz hou 450003,China;

2.Resear ch Center on L evee S af ety and D isaster P r ev ention M inistr y of W ater R esour ces ,Zhengz hou 450003,China)Abstract:In o rder to char acter ize the relatio nship o f str ess 2str ain of plastic concr ete,the sing le 2ax le co mpressiv e t est s w ere co nducted w ith eig ht mix pro por tio ns and 48specim ens.T hro ugh the analy sis o f the test r esults,t he ty pical str ess 2st rain cur ves w er e obta ined w hich show ed obv ious subsectio n char acter istics.T he cur ves w ere analy zed fro m the per spect ives of st rain,st ress,tang ent slo pe,and crack,and w ere co mpar ed w ith the stress 2str ain curv es o f tr aditio nal co ncrete,thus t he st ress 2stra in cha racter istics o f the w hole pro cess of plastic co ncrete w ere o btained.M o reo ver ,the reg ula rit y o f str ess 2st rain cur ves w as inv estig ated,w hich indicat ed that the E 2ln R r elat ionship o f the r ising sect ion is in line w ith the poly no mial o f de 2g r ee six and the E 2R r elationship of the declining sectio n is better r epr esented w ith the lo gistic m odel.T he funct ion ex pr essio n for each subsection w as pro posed.T he r esults ar e o f impo rtant significance to the test o f elast ic mo dulus,design,and construc 2tion of plastic concrete.

Key words:plast ic co ncr ete;stress 2strain curv e;numer ical fitting;exponential function;log istic mo del

塑性混凝土是介于土和混凝土之间的一种复合材料,具有低强度、低弹性模量、大应变和一定的抗渗能力的特点,并具有与周围土层相近的应力、应变关系曲线[1]。因此,从大坝围堰防渗墙等临时性工程,到水利水电工程覆盖层防渗处理[223],塑性混凝土均被广泛应用。我国对塑性混凝土的研究始于20世纪80年代,但大多侧重于工程实际应用研究,而缺乏较系统的理论研究,尤其是对塑性混凝土应力2应变关系的研究甚少[4]。本文通过对8个配合比下共48块试件的单轴抗压试验,探讨了塑性混凝土应力应变关系的相关特性。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验中采用的各材料如下:水泥为河南孟电生产的P #O3215号普通硅酸盐水泥,各项指标符合5通用硅酸盐水泥6(GB 17522007)标准要求;细骨料为河砂,级配曲线位于ò区,属于中砂,各项指标符合5建筑用砂6(GB/T 1468422001)标准要求;粗骨料为粒径5mm~25mm 的石灰岩碎石,级配连续,各项指标符合5建筑用卵石、碎石6(GB/T 1468522001)标准要求;水为普通自来水;考虑黏土的离散性,掺和材料全

2014-03-10 20:15https://www.360docs.net/doc/dc13855192.html,/kcms/doi/10.13476/https://www.360docs.net/doc/dc13855192.html,ki.nsbdqk.2014.02.001.html

部使用膨润土,为四川乐山生产的钠质膨润土。

试验材料共设计了8种配合比,每组仅考虑28d 龄期,见表1。

表1 塑性混凝土的配合比

T able 1 Th e mix proportion of plas tic concrete

编号水泥/kg 水/kg 砂/kg 石子/k g 膨润土/k g 水胶比砂率I 204265872603930.890.6ò1662651024686800.940.6ó160286102968780 1.020.6?2002811000668100 1.190.6?160457682682220 1.20.5?160348764764145 1.20.5

×160337800800120 1.20.5?

160

338

780

780

120

1.2

0.5

1.2 试件制作

本文试验测试的是棱柱体和圆柱体单轴抗压作用下塑性混凝土的力学特性指标,其中棱柱体试件尺寸为150mm @150mm @300mm,圆柱体试件采用尺寸为U 150mm @300mm ,每组配合比均制作6个立方体试件和6个圆柱体试件,共计48个试块。塑性混凝土采用机械拌和,振动台振捣,试模成型静置48h 后拆模,并移至标准养护室养护至28d 龄期,再按照5水工混凝土试验规程6(DL/T 515022001)进行相关试验。

1.3 试验方法

与普通混凝土相比,塑性混凝土抗压强度低、变形大,采用应变片法很难反映出塑性混凝土的应变。本文使用全标距法试验方法[5],采用微机控制的CM T 5105电子万能试验机,位移控制,加载速度012mm/min 。轴向荷载、试件的变形数据均由自动传感器采集,并自动输入计算机内绘制成应力)应变曲线。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

塑性混凝土基本力学指标除了弹性模量、峰值抗压强度外,尚应考虑初始弹性模量。

目前,对于弹性模量尚无统一规定取值方法。严格来讲塑性混凝土不具备弹性模量,而应是割线模量。但是若以试件出现第一条裂缝统计的应力及应变为依据,此前阶段可认为属于弹性模量阶段。根据试验结果统计,取峰值应力90%及对应应变,按式(1)计算试件弹性模量。

E =

p 2-p 1

A @L $L

(1)

式中:E 为试件的弹性模量(M Pa);p 2为极限破坏荷载的90%(N );p 1为试件的初始荷载,考虑预压时为预压并卸载后的荷载,不考虑预压时为0(N );A 为试件的承压面积(mm 2);$L 为试件从p 1增加到p 2时的纵向变形值,考虑预压时应扣除其预压并卸载后的试件塑性变形,不考虑预压时其变形量为累计变形(mm );L 为试件的变形测量标距(mm)。

初始弹性模量E 初主要针对未预压构件,根据试验结果

统计,初始弹性模量值应按照式(1)进行计算,其值p 2为极限破坏荷载的4.7%,单位为N ,对应的应变约为峰值应变的15%。

按照上述计算方法,8个配合比下各组试件峰值抗压强度、峰值应变、弹性模量、初始弹性模量均值的试验结果见表2。表2中,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15%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,其中棱柱体和圆柱体试件的试验值用//0隔开。

表2 试件基本力学指标试验结果表

T able 2 Th e basic mechanical properties of specimen 配合比峰值抗压强度

/M Pa 峰值应变(1023)弹性模量/M Pa 初始弹性模量

/M Pa I 0.73/0.748.3/7.887.2/87.1 4.6/4.6ò0.85/1.2910.1/5.879.1/216.7 4.1/11.3ó0.57/0.999.4/6.455.0/142.5 2.9/7.4?0.81/0.668.9/8.982.1/68.4 4.3/3.6? 2.90/2.3413.5/10.9194.6/206.810.2/10.8? 3.50/2.6210.7/8.9293.8/264.915.3/13.8× 3.26/2.8810.1/6.8292.5/381.515.3/19.9?

2.46/2.80

9.2/6.5

273.1/407.8

14.3/21.3

试验表明相同配合比下,不考虑预压因素,圆柱体的峰值抗压强度在2150~310M P a,对应峰值应变为1110@10-3

~1510@10-3;棱柱体的峰值抗压强度在2100~2175M Pa,对应峰值应变为910@10-3~1410@10-3;考虑预压因素并扣除预压段后,圆柱体的峰值抗压强度在2150~310M Pa,对应峰值应变为810@10-3~1110@10-3;棱柱体的峰值抗压强度在2100~2175M Pa,对应峰值应变为610@10-3~810@10-3。可以看出,圆柱体试件试验结果的时间离散性较小,棱柱体试件结果稍显离散,棱柱体和圆柱体峰值抗压强度均值之比为0175。

2.2 应力应变典型曲线及其特征

根据试验结果绘制应力应变典型曲线,见图1至图4。

总结上图可以绘制出一般性应力应变关系曲线,见图5。不难发现,塑性混凝土的应力应变曲线可分为4个阶段:

(1)应变从O 到第一个拐点A 处(OA 段)。该阶段的应力增长幅度小于应变增长幅度,曲线呈现凹特征。A 点结束

图1 圆柱体典型应力应变曲线(扣除预压)

Fig.1 T ypical s tres s 2s train cu rve of cylinder(Before preloadin g)

第12卷总第71期#南水北调与水利科技#2014年第2期

图2 圆柱体典型应力应变曲线(预压后)

Fig.2 Typical stress 2strain curve of cylinder(After p

reloading)

图3

棱柱体典型应力应变曲线(扣除预压)

Fig.3 Typical s tr ess 2strain curve of prism(Before pr eloading)

图4 棱柱体典型应力应变曲线(预压后)

Fig.4 Typical stress 2strain curve of prism(After preloading)

图5 应力应变典型曲线的分段性

Fig.5 T he s egmentation of stress 2strain curve

处,应变为113@10-3,为峰值应变的15%,应力约为011M Pa,为峰值应力的417%,对应试件表面无可见裂缝出现。说明在A 点之前,塑性混凝土在荷载作用下经历了受压的过程且内部结构的空隙、气泡被进一步压实,逐渐趋近于常规

混凝土的性质。

对典型曲线OB 段曲线按照相邻两个数据点求斜率,见图6。可以看出,在A 点之前,OA 段斜率一直增加,过了A 点后,斜率仍然呈增加趋势,且增加的速率加快。

图6 应力应变曲线切线斜率图

Fig.6 T he tangent slope of s tr ess 2strain curve

(2)拐点A 处到峰值应力B 处(AB 段)。该段应力增长幅度大于应变增长幅度,曲线呈现凸特征。曲线在A B 段的性质,与常规混凝土较为接近,基本呈现线性变化。对照图6可以看出,在应变为416@10-3~513@10-3之间,对应0196~113M P a 时,曲线从上升变为下降,且其下降趋势接近于直线下降。此时期应变为峰值应变的48%~56%,应力为峰

值应力的44%~60%。此时试件对应表面仍无可见裂缝出现,试件的第一条可见裂缝在达到峰值应力的90%处,即应变为717@10-3,应力为1.95M Pa 处。

(3)B 点到第三个拐点C 处(BC 段)。该段应力增长幅度小于应变增长幅度,曲线呈凹特征。在此阶段,试件开始出现大量可见细小裂缝,且裂缝宽度不断增加,一直到C 点形成贯穿性裂缝,此时试件已完全开裂,典型裂缝图见图7。C 点的应变为1215@10-3,为峰值应变的1132倍,应力为0183M Pa,为峰值应力的38%。

试件经过B 点后,应力下降非常迅速,表现出很小的应变即引起应力的大幅度下降。从图6可以看出,在BC 段,应力下降速率表现出明显的两端性,即在应变为1018@10-3

时,图5中为过峰值应力后应变增加峰值应变的14%后应力下降速率达到峰值,再增加峰值应变的18%后,应力下降速率迅速减缓。

图7 试件典型破坏形态图

Fig.7 T he typical rupture of th e sam ple

(4)拐点C 处至试件破坏(CD 段),此段应力增长速度小于应变增长速度,曲线呈现凹特征。试件经过的C 点之后,其应变迅速增大,应力下降速率变缓。试验中表现为试件在形成贯通裂缝后,沿着破坏面不断形成碎块。应力主要由破坏面之间塑性混凝土的摩擦力提供,再经过较大应变到达D 点后,其应力水平维持稳定。D 点应变为1917@10-3,应力

宋 力等#塑性混凝土应力应变特性的试验研究

为0144M Pa,试验结束时终止应变为峰值应变的211倍,终止应力为峰值应力的20%。

对比图1、图2和图3、图4,可以发现,经过预压之后,塑性混凝土试件的O A 段表现不明显。同时,对比预压前的曲线并结合工程中对塑性混凝土的应用,可以得到塑性混凝土试件在试验前应预压到拐点A 后应变约为峰值应变的50%处,此时应力控制约为峰值应变的54%,这与普通混凝土的预压控制标准不同。

2.3 曲线拟合函数

据上文分析,应力应变典型曲线可以利用分段式函数进行拟合。但在进行数据拟合时,采用常规的解析函数无法准确拟合曲线的上升段。经变化后发现,E 2ln R 的规律在上升段和下降段均符合6次多项式

规律,见图8;曲线的下降段,使用L og istic 模型可以较好地与试验数据进行拟合,见图9。

图8 棱柱体典型应力应变曲线(扣除预压)

Fig.8 8T ypical stres s 2strain cu rve of prism (Befor e preloading)

图9 棱柱体典型应力应变曲线(预压后)

Fig.9 Typical stress 2strain curve of prism(After preloading)

综上所述,应力应变曲线上升段和下降段可分别用式(2)、式(3)表示。

R =A e B E +C E 2+D E 3+E E 4+F E 5+G E

6

+K 1(2)R =

H 1+e -(J +L E )

+K

2

(3)

式中:R 为试件的应力(M Pa);E 为试件的应变,无量纲;A ~L 、K 1、K 2均为通过数值拟合得到的数值。

对经过预压后的曲线(图1、图4)进行数值拟合,发现其曲线上升段规律更符合清华大学过镇海教授等提出的分段式函数[6],在此不在赘述。

3 结论

本文主要通过试验方法研究了塑性混凝土应力应变的特性,得出如下主要结论:(1)塑性混凝土应力应变曲线具有明显的分段性,与普通混凝土相比增加了初始塑性压缩阶段(0A 段),同时在下降段具有明显的反弯点;(2)塑性混凝土应力应变曲线上升段具有明显的指数函数特点,下降段具有log istic 模型特点;(3)预压后的塑性混凝土应力应变曲线上升段与普通混凝土较为接近,可使用文献[8]推荐的模型进行描述;(4)塑性混凝土试验中采用预压的方法,可有效消除混凝土内部的孔隙,建议采用预压到峰值应力的54%的标准进行控制。

本文所提出的应力应变关系式,仅仅从数学模型上给出了相似度较高的函数,今后仍需进一步研究其物理意义。参考文献(Refer ences):

[1] 王清友.浅析混凝土防渗墙[J].中国水利,1991,41(3):38239.

(W ANG Qing 2you.A Brief In tr odu ction of Plas tic Concrete cutoff w all[J ].C hina W ater Resources,1991,41(3):41242.(in Ch ines e))

[2] 蒋凯乐,李云鹏,张如满.塑性混凝土防渗墙土反力系数反演

[J ].岩土力学,2012,33(2):3892394.(J IANG Kai 2le,LI Yu n 2peng,ZHANG Ru 2man.T he Soil Reaction Coefficient In version

of Plas tic Concr ete Diaphragm W all [J ].Chin ese Journ al of Geotechnical En gineering,2012,33(2):3892394.(in Chin ese))[3] 李青云,张建红,包承纲.风化花岗岩开挖弃料配制三峡二期围

堰防渗墙材料[J ].水利学报,2004,(11):1142118.(LI Qing 2yun ,Zhang JIAN 2hong,BAO Ch eng 2gan g.Plastic Concrete for Cu toff W all Using W eather ed Granite San d in S tage òC offer 2dam of T hree Gorge Project[J ].Journal of H ydraulic Engineer 2ing,2004,(11):1142118.(in Chin ese))

[4] 高丹盈,王四巍,宋帅奇.塑性混凝土单向受压应力2应变关系

的试验研究[J ].水利学报,2009,40(1):82287.(GAO Dan 2yin g,WANG Si 2w ei,SONG Shuai 2qi.Plas tic C on crete Single 2axle C om pres sion Exp erimental Study on th e S tr ess ?S train Relationsh ip[J ].Journal of H ydrau lic E ngineering,2009,40(1):82287.(in Chinese))

[5] 王四巍,于怀昌,高丹盈.塑性混凝土弹性模量室内试验研究

[J ].水文地质工程地质,2011,38(3):73276.(WANG Si 2w ei,YU H uai 2ch ang,GAO Dan 2ying.Ex perim ental Study on Plastic M odu lus of Elas ticity Con crete [J ].H ydrogeology and Engi 2neerin g Geology,2011,38(3):73276.(in C hinese))

[6] 过镇海.混凝土的强度和变形试验基础和本构关系[M ].北京:

清华大学出版社,1997:12215.(GUO Zhen 2h ai.T he T est of Ba 2sis and Cons titutive Relation Concrete Stren gth an d Deform a 2tion[M ].Beijin g:Tsin ghua Un iversity Press ,1997:12215.(in Ch ines e))

第12卷总第71期#南水北调与水利科技#2014年第2期