范向前， 胡少偉,， 陸 俊， 陳啟勇

(1. 南京水利科學研究院，南京 210024； 2. 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098； 3. 河海大學，南京 210098 )

不同初始靜載混凝土軸向拉伸試驗研究

范向前1,2， 胡少偉1,2,3， 陸 俊1,2， 陳啟勇3

(1. 南京水利科學研究院，南京 210024； 2. 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098； 3. 河海大學，南京 210098 )

為研究混凝土材料的動態(tài)性能，利用MTS-810NEW液壓伺服試驗機對尺寸為100 mm×100 mm×510 mm棱柱體混凝土材料試樣進行了初始靜態(tài)荷載為0～20 kN的動態(tài)軸向拉伸試驗，研究了混凝土材料經歷不同初始靜態(tài)荷載后的動態(tài)拉伸破壞特征、應力應變關系和動態(tài)抗拉強度。結果表明：荷載值由靜態(tài)過渡到動態(tài)荷載時，混凝土材料的動彈性模量發(fā)生較大變化，且隨著初始靜態(tài)荷載值的增加，混凝土材料動彈性模量有增大趨勢；混凝土材料動態(tài)應力應變關系曲線中，峰值應力所對應的應變值與初始靜態(tài)荷載值無關；隨著初始靜態(tài)荷載的增加，混凝土材料動態(tài)拉伸破壞斷面面積逐漸增大，且粗骨料被拉斷的數(shù)目隨著初始靜態(tài)荷載的增加而先增加，后趨于平穩(wěn)；隨著初始預加靜態(tài)荷載值的增加，混凝土材料的動態(tài)軸向拉伸強度先增加，然后趨于穩(wěn)定。

混凝土;初始靜載;軸向拉伸;試驗

盡管，在以往對混凝土材料動力性能的研究中，已取得了不少成果。但是，已有研究資料絕大多數(shù)是在無初始靜載條件下進行的，而實際的混凝土結構，尤其是大型混凝土結構，在其工作過程中通常承擔一定的初始靜力荷載作用。鄒篤建等[1]在10-5～10-2s-1應變率范圍內研究了混凝土柱的軸心動態(tài)抗壓試驗，結果表明混凝土材料的抗壓強度也隨著應變速率的增加而逐漸增加，相對準靜態(tài)抗壓強度(應變率為10-5s-1)，當應變率為10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1時，混凝土的抗壓強度分別增加了7.45%、19.51%和29.23%。劉傳雄等[2]利用直徑100 mm的SHPB裝置對骨料尺寸為15～20 mm的混凝土試樣進行了應變率范圍30～180 s-1的動態(tài)壓縮試驗，結果表明：在動態(tài)壓縮強度附近應力區(qū)，混凝土材料表面將首先出現(xiàn)一條沿混凝土軸向的可見宏觀裂紋，而多條主裂紋的形成與擴展導致混凝土的最終破壞。范向前等[3]采用MTS動態(tài)試驗機對棱柱體混凝土試件進行軸向拉伸試驗，分析了7種不同應變速率條件下混凝土試件動態(tài)特性變化規(guī)律，結果表明混凝土動態(tài)軸拉強度、彈性模量和峰值應變均隨著應變速率的增加而逐漸增大，且混凝土動態(tài)軸拉強度、彈性模量和峰值應變增長因子同動靜態(tài)應變速率比值的對數(shù)呈線性增長關系。YON等[4]采用位移控制加載系統(tǒng)研究混凝土試件彎拉動態(tài)特性，研究結果表明，當應變速率為0.24 s-1時，相對于準靜態(tài)情況，混凝土試件抗壓強度、抗拉強度和抗拉彈性模量分別提高了41%、60%、110%。TEDESCO等[5]開展了應變速率從10-1～10-3s-1范圍內混凝土試件的劈拉試驗和單軸壓縮試驗，并給出了單軸壓縮條件下混凝土試件的動態(tài)應力-應變關系曲線。

在混凝土動態(tài)抗壓和拉伸試驗研究的基礎上，相關學者開展了荷載歷史對混凝土靜態(tài)強度特性的影響。逯靜洲等[6-8]對立方體混凝土試件進行試驗，首先讓試件經歷常規(guī)三軸受壓荷載歷史，然后測量其抗壓、劈拉強度的劣化性能。結果表明，經歷荷載歷史后，混凝土的損傷程度有一定發(fā)展。徐浩等[9]采用萬能試驗機研究應變速率以及預加初始靜態(tài)荷載對水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)動態(tài)抗壓強度和變形特性的影響，結果表明，預加初始靜態(tài)荷栽對CA砂漿的動態(tài)強度影響明顯，隨著初始荷栽的增加，CA砂漿的強度降低。在應變速率發(fā)生變化的位置，CA砂漿的切線模量發(fā)生改變。林皋等[10]用楔入劈拉試驗對混凝土試塊施加頻率為10 Hz高頻預加拉伸荷載，測出荷載-位移全過程曲線，通過與未承受加載歷史的混凝土準靜態(tài)斷裂參數(shù)比較，發(fā)現(xiàn)當預加拉伸荷載值超過某一特定值后，混凝土的抗裂能力顯著降低，從而認為混凝土的斷裂參數(shù)不是獨立于加載歷史的物理量。BALLATORE等[11]對圓柱體試件先進行30 min～2 h不等的低幅度、頻率1 Hz的預加動態(tài)循環(huán)荷載，然后量測其靜態(tài)的抗壓強度，發(fā)現(xiàn)強度增加10%～15%不等，變形能力減小86%或22%(降低程度依賴于混凝土的類型)。這些研究工作只考慮了荷載歷史對混凝土靜態(tài)強度和變形性能的影響，而沒有涉及到混凝土在動態(tài)荷載下的力學性能。YAN等[12]開展了初始靜態(tài)荷載對混凝土動態(tài)抗壓性能的影響，結果表明隨著初始預加荷載幅度的增加，混凝土的動態(tài)強度趨于降低，當應變速率發(fā)生改變時，混凝土的切線彈性模量也相應的發(fā)生變化。KAPLAN[13]在研究中考慮了初始靜態(tài)荷載對混凝土動態(tài)抗壓性能的影響作用，僅對混凝土試件的動態(tài)強度性能進行了初步考察，而有關初始靜態(tài)荷載對混凝土動態(tài)抗拉特性的影響，研究資料比較欠缺。

實際上，混凝土結構大多是在承受一定的靜態(tài)荷載的情況下而再遭受地震荷載的。在國內外的研究工作中，這一特點一直沒有得到應有的重視。有必要對有初始靜態(tài)荷載情況下混凝土的動態(tài)力學性能進行研究。

1 不同初始靜載試驗方案

試驗采用100 mm×100 mm×510 mm的模具一次澆筑完成相同棱柱體混凝土試件共計5組30根。混凝土試件初始設計強度等級為60 MPa，由規(guī)格為P.II 52.5的水泥、粉煤灰、中砂、碎石、水及外加劑JM-8拌制而成。所有試驗都采用南京水利科學研究院的MTS-810NEW液壓伺服試驗機。采用間距為250 mm的超大型號夾式引伸計放置在混凝土棱柱體試件中間，測試混凝土中間段的應力應變關系曲線，夾式引伸計測量范圍為-2.5～+2.5 mm。試驗過程中，為了保證軸向拉伸荷載不偏離試件的中心軸，將自主研發(fā)的轉動連接件連接在試件兩端預埋的鋼筋上，如圖1所示。

圖1 試驗加載裝置Fig.1 Loading test equipment

考慮到混凝土結構在地震荷載作用下對應的應變速率為1×10-3～1×10-2s-1，因此，試驗設計過程中，靜態(tài)應變速率選擇為1×10-4s-1，荷載達到設定靜載值時，穩(wěn)定15 s后，采用1×10-3s-1的應變速率加載至試件破壞。初始靜載值設計有0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN共計5種情況，具體如圖2所示。

鑒于動態(tài)軸向拉伸試驗過程較短，難免存在有一定誤差，為更加真實地反映試驗結果，不同初始靜載對應進行混凝土軸向拉伸試驗每組設計6個，剔除偏離均值較大(±15%以外)的試驗結果，且滿足有效試驗數(shù)據(jù)不少于3個。除試驗結果為評判試驗成功與否的標準外，試件最終斷開位置也是評判試驗成功的一個重要標準，斷開位置偏離試件中點10 cm以上的試件，數(shù)據(jù)處理過程中，需要將其剔除。有效破壞試驗結果如圖3所示。

圖2 不同初始靜載軸拉試驗加載圖Fig.2 The dynamic axial tensile test programs on different initial static load of concrete

圖3 試驗有效破壞結果圖Fig.3 Effective test results

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變關系曲線

試驗測得不同初始靜載(0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN)棱柱體混凝土動態(tài)軸向拉伸試件應力應變關系曲線如圖4所示。

通過對圖4不同初始靜載混凝土軸拉試件應力應變關系變化曲線進行線性回歸，表1給出了不同初始靜載動態(tài)軸向拉伸下，混凝土棱柱體試件的初始彈性模量、動態(tài)彈性模量、峰值應力和峰值應力對應的應變值。

圖4 不同初始靜載混凝土軸拉試件應力應變曲線Fig.4 The axial tensile stress-strain curve on different initial static load of concrete

0kN5kN10kN15kN20kN初始荷載下應力應變曲線斜率0．08770．10460．17450．1411動態(tài)荷載下應力應變曲線斜率0．18990．15690．18230．23370．2161峰值應力/MPa3．43453．73963．76154．75183．8592峰值應力對應的應變值×10-632．806035．923533．697928．932524．0184

由圖4和表1可知，初始靜態(tài)荷載對混凝土動態(tài)軸向拉伸應力應變關系曲線斜率具有一定影響。對比無初始靜態(tài)荷載狀態(tài)下混凝土試件應力應變關系曲線圖4(a)，經歷初始靜態(tài)荷載后，混凝土棱柱體試件動態(tài)拉伸應力應變曲線均發(fā)生不同程度的變化。在應變速率發(fā)生變化的位置，應力應變曲線的斜率表現(xiàn)出顯著變化趨勢，由表1結果可知，初始靜載值為5 kN、10 kN、15 kN、20 kN時，其動態(tài)應力應變關系曲線斜率值相對于初始靜態(tài)應力應變關系曲線斜率值，分別增加了0.069 2、0.077 7、0.059 2、0.075 0。

進一步分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，初始靜態(tài)荷載較小時，混凝土動態(tài)應力應變曲線上，動態(tài)拉伸段混凝土動態(tài)荷載下應力應變曲線斜率值相對較小，初始靜載5 kN、10 kN對應試驗結果分別為0.156 9和0.182 3；當初始靜態(tài)荷載較大時，施加動態(tài)荷載后，動態(tài)拉伸段混凝土動態(tài)荷載下應力應變曲線斜率值相對較大，初始靜載15 kN和20 kN對應試驗結果分別為0.233 7和0.216 1。在混凝土結構的動力計算中應該充分注意這一特點。

除初始靜載為15 kN所對應的峰值應力較大外，其余情況下，混凝土動態(tài)軸向拉伸所對應的峰值應力差別不大。應力應變關系曲線中峰值應力所對應的應變值隨著初始靜態(tài)荷載值的增加先增大，然后逐漸減小，說明初始靜態(tài)荷載不僅對軸向拉伸棱柱體混凝土試件的應力應變曲線斜率有一定影響，同時對混凝土試件開裂破壞時所對應的延性也存在有一定影響。

2.2 試驗現(xiàn)象

如圖5所示，由不同初始靜載(0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN)棱柱體混凝土動態(tài)軸向拉伸試件破壞試驗照片可知，初始靜態(tài)荷載大小的不同，對混凝土棱柱體試件的斷裂破壞現(xiàn)象具有一定影響。

圖5 不同初始靜載混凝土軸拉試件破壞截面圖Fig.5 The axial tensile specimen damage photos on different initial static load of concrete

由圖5可知，初始預加靜態(tài)荷載值的不同，導致混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞結果有所不同。隨著初始預加靜態(tài)荷載值越大，混凝土動態(tài)拉伸破壞所經歷的時間越長，破壞時裂縫擴展越充分，裂縫有充足時間沿著試件相對薄弱位置開裂擴展，因此，圖5(a)～圖5(e)中，初始預加靜態(tài)荷載值越大，混凝土棱柱體試件動態(tài)破壞后，破壞斷面面積就越大。另外，由于初始靜態(tài)荷載僅增加了砂漿的損傷程度，對混凝土試件的骨料影響較小，因此，遭受初始靜態(tài)荷載混凝土試件的動態(tài)破壞結果仍然由動態(tài)應變率來決定，從而圖5中，相對于初始擬靜載為0 kN的混凝土試件，經歷初始靜態(tài)荷載后，混凝土動態(tài)破壞時粗骨料被拉斷的數(shù)量明顯增加，當初始靜態(tài)荷載增加到一定量值時，混凝土棱柱體試件動態(tài)破壞時，粗骨料被拉斷的數(shù)量增加不再明顯，如圖5(c)～圖5(e)。

2.3 軸拉強度

混凝土棱柱體試件軸向拉伸強度隨試驗設計5組不同初始靜載變化曲線如圖6所示。

圖6 不同初始靜載混凝土試件軸拉強度變化曲線Fig.6 The axial tensile strength curve on different initial static load of concrete

由圖6可知，隨著初始靜態(tài)荷載值的逐漸增加，混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸強度先增加，后趨于平穩(wěn)。這一現(xiàn)象說明，混凝土材料的動態(tài)抗拉強度，不僅與混凝土試件破壞時的動態(tài)荷載形式有關，還與動態(tài)荷載的作用歷史有關?；炷了俾拭舾行缘漠a生與混凝土內部自由水的黏滯性以及混凝土破壞形式的改變有關[12,14]。在初始靜態(tài)荷載作用下，隨著荷載值的增加，混凝土內部微裂紋得到不斷發(fā)展，相互連通裂縫的發(fā)展途徑選擇在該應變速率下的最為薄弱環(huán)節(jié)，當有較高應變速率施加到混凝土試件上時，由于速率的改變，在現(xiàn)有狀態(tài)下裂縫的發(fā)展規(guī)律不一定沿原來(靜態(tài)荷載下)所選的路徑繼續(xù)發(fā)展下去，而是重新選擇當前的最薄弱路徑進行發(fā)展，應變速率越高，微裂縫通過試件內部強度較高區(qū)域的可能性越大。這是因為加載速率提高后，穿越較高強度區(qū)域的途徑較短，所消耗的總能量可能更少，宏觀上表現(xiàn)為材料強度的提高。當初始靜態(tài)荷載較大時，如圖6中初始靜態(tài)荷載超過10 kN時，隨著荷載的逐漸增加，混凝土內部微裂紋可以得到充分發(fā)展，甚至可形成相互連通裂縫，因此，達到較大初始靜態(tài)荷載后再進行動態(tài)拉伸試驗時，混凝土動態(tài)破壞過程將延續(xù)初始靜態(tài)荷載形成的連通裂縫，從而，混凝土棱柱體試件動態(tài)抗拉強度增加幅度逐漸減小，或趨于平穩(wěn)。

初始預加靜態(tài)荷載較小時，混凝土試件的破壞過程主要受動荷載的影響，靜態(tài)荷載值越大作用時間越長，從而混凝土動態(tài)軸向拉伸強度值提高的幅度相對越大。當初始靜態(tài)荷載較大時，微裂紋在混凝土內部已經得到充分的發(fā)展，當施加動態(tài)荷載作用時，裂縫穿過強度較高的區(qū)域較少，從而動態(tài)抗拉強度提高的幅度便不再繼續(xù)增加。

3 結 論

(1)在加載過程中，當應變速率發(fā)生變化時，即由靜態(tài)加載轉化為動態(tài)加載時，混凝土的動彈性模量也相應的發(fā)生變化。初始靜態(tài)荷載較大時，混凝土動彈性模量的變化規(guī)律應該引起足夠重視。

(2)混凝土材料動態(tài)應力應變關系曲線中，初始靜態(tài)荷載值對峰值應力所對應的應變值影響較小。

(3)混凝土棱柱體試件動態(tài)軸向拉伸破壞斷面隨著初始靜態(tài)荷載的增加而逐漸增大，且粗骨料被拉斷的數(shù)目越多，當初始靜態(tài)荷載達到一定量值時，試件破壞時，被拉斷的粗骨料數(shù)增加不再明顯。

(4)預加初始靜態(tài)荷載對混凝土的動態(tài)性能產生重要的影響，隨著初始預加荷載幅度的增加，混凝土的動態(tài)軸向拉伸強度先增加，然后趨于平穩(wěn)。

[1] 鄒篤建, 劉鐵軍, 滕軍, 等. 混凝土柱單軸動態(tài)抗壓特性的應變率效應研究[J].振動與沖擊, 2012, 31(2): 145-150. ZOU Dujian, LIU Tiejun, TENG Jun, et al. The research on strain rate effect of compressive behaviour of concrete column[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(2): 145-150.

[2] 劉傳雄, 李玉龍, 吳子燕, 等. 混凝土材料的動態(tài)壓縮破壞機理及本構關系[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(5): 1-5. LIU Chuanxiong, LI Yulong, WU Ziyan, et al. Failure mechanism and constitutive model of concrete material under dynamic compressive loding[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(5): 1-5.

[3] 范向前, 胡少偉, 陸俊, 等. 混凝土靜動態(tài)軸向拉伸力學性能[J]. 硅酸鹽學報, 2014, 42 (11): 1349-1354. FAN Xiangqian, HU Shaowei, LU Jun, et al. Static and dynamic axial tension properties of concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2014, 42(11): 1349-1354.

[4] YON J H, HAWKINS N M, KOBAYASHI A S. Strain rate sensitivity concrete mechanical properties [J]. ACI Materials Journal, 1992,89(2):146-153.

[5] TEDESCO J W, POWELL J C, ROSS C A, et al. A strain-rate-dependent concrete material model for ADNIA[J]. Computers and Structures,1997,64(5/6):1053-1067.

[6] 逯靜洲. 三軸受壓混凝土損傷特性理論與試驗研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2001.

[7] 逯靜洲,林皋,肖詩云,等.混凝土材料經歷三向受壓荷載歷史后抗壓強度劣化的研究[J]. 水利學報, 2001(11):8-14. LU Jingzhou, LIN Gao, XIAO Shiyun, et al. Study on the reduction of concrete compressive strength due to triaxial compressive loading history[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001(11):8-14.

[8] 逯靜洲,林皋,肖詩云,等.混凝土經歷三向受壓荷載歷史后強度劣化及超聲波探傷方法的研究[J].工程力學,2002,19(5):52-57. LU Jingzhou, LIN Gao, XIAO Shiyun, et al. On the reduction of strength of concrete and supersonic inspection due to triaxial compressive loading history[J]. Engineering Mechanics, 2002,19(5):52-57.

[9] 徐浩, 李悅, 趙坪銳, 等. 不同初始靜態(tài)荷載下CA砂漿動態(tài)抗壓特性試驗研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2014,11(2):71-75. XU Hao, LI Yue, ZHAO Pingrui, et al. Experimental study on dynamic compressive properties of CA mortar with different initial static loading[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(2):71-75.

[10] 林皋,陳健云.混凝土大壩的抗震安全評價[J].水利學報,2001,32(2):8-15. LIN Gao,CHEN Jianyun. Seismic safety evaluation of large concrete dams[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001,32(2):8-15.

[11] BALLATORE E,BOCCA P.Variations in the mechanical properties of concrete subjected to cyclic loads[J].Cement and Concrete Research,1997,27(3):453-462.

[12] YAN Dongming, LIN Gao. Dynamic properties of concrete in direct tension[J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(7): 1371-1378.

[13] KAPLAN S A. Factors affecting the relationship between rate of loading and measured compressive strength of concrete[J]. Magazine of Concrete Research, 1980, 32(111): 79-88.

[14] YAN Dongming, LIN Gao. Influence of initial static stress on dynamic properties of concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(4): 327-333.

Effects of initial static loads on the tensile strength of concrete

FAN Xiangqian1,2, HU Shaowei1,2,3, LU Jun1,2, CHEN Qiyong3

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024，China；2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210098，China；3. Hohai University, Nanjing 210098，China)

In order to investigate the dynamic uniaxial tension behavior of concrete material, dynamic tests on its specimens with the sizes of 100 mm×100 mm×510 mm were performed under initial static axial tensile load from 0 kN to 20 kN using the MTS-810NEW hydraulic servo testing machine. The dynamic tensile failure characteristics, the stress-strain relation and the dynamic tensile strength of concrete material under different initial static loads were studied. The results show that the dynamic elastic modulus of concrete material will have a big change when the load transits from quasi static state to dynamic state, and the dynamic elastic modulus of concrete material shows an increasing tendency with the increase of initial static load. The peak strain of concrete material is unrelated to the initial static load according to the dynamic stress-strain curves. With the increase of initial static load, the dynamically fractured sectional area of concrete specimen increases gradually, the number of fractured coarse aggregates first increases and then keep constant, and the dynamic axial tensile strength of concrete material first increases gradually and then keep constant.

concrete; initial static load; uniaxial tension; test

國家杰出青年科學基金(51325904)；國家自然科學基金(51409162; 51679150)；國家重大科研儀器研制項目(51527811)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140081)；國家重點研發(fā)計劃資助(2016YFC0401907)；水利部公益性行業(yè)專項經費項目(201501036)；南京水利科學研究院基金(Y415005)

2015-08-13 修改稿收到日期：2015-11-26

范向前 男，博士后，1982年生

胡少偉 男，博士，教授，博士生導師，1969年生

TV331;TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.013