孫 雪， 謝興華

(1.金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 江蘇 南京 211169； 2.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029)

混凝土作為最常用的建筑材料之一，被廣泛應(yīng)用在建筑、橋梁、大壩等結(jié)構(gòu)上.作為多相復(fù)合性材料，混凝土相關(guān)力學(xué)特性具有非線性、隨機(jī)性和動(dòng)力率相關(guān)性三大特征[1].其中輕集料混凝土作為新型混凝土材料的一種，由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫隔熱以及耐火性好等優(yōu)勢，受到建筑領(lǐng)域的青睞.日本曾將輕集料混凝土應(yīng)用于新干線中，但對于輕集料混凝土的系統(tǒng)研究未能全面展開[2].

混凝土在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中不僅會(huì)受到靜荷載的作用，還會(huì)受到動(dòng)載作用，如地震、風(fēng)和水流沖擊等.國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土動(dòng)載作用展開了廣泛研究[3-5].Bischoff等[6]和Sparks等[7]研究結(jié)果表明混凝土具有明顯的動(dòng)力率相關(guān)效應(yīng)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線受到顯著影響；曾莎潔等[8]對混凝土單軸受壓動(dòng)力特性全曲線進(jìn)行了研究，并對其破壞形態(tài)與相關(guān)理論進(jìn)行了細(xì)致分析；施林林等[9]對不同應(yīng)變率下大骨料及濕篩混凝土單軸受壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.然而對于混凝土在動(dòng)載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征值的定量分析與輕集料混凝土動(dòng)力率相關(guān)性，仍處于定性研究層面.

本文針對普通混凝土(OPC)、輕集料混凝土(LWAC)的單軸動(dòng)力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分別設(shè)置了10種應(yīng)變率，得到動(dòng)載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，定量分析了應(yīng)變率對峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量的影響，同時(shí)對不同應(yīng)變率下普通混凝土與輕集料混凝土的破壞形態(tài)進(jìn)行了對比研究，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了應(yīng)變率與峰值應(yīng)力、彈性模量的關(guān)系方程.對普通混凝土與輕集料混凝土動(dòng)力率相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)對比研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

普通混凝土和輕集料混凝土試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為30MPa，所用水泥為P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用天然河砂(中砂)，水為城市自來水，未添加任何外加劑.其中，普通混凝土的粗骨料(CA)采用粒徑為5～10mm的碎石，輕集料混凝土的輕集料(LWA)采用粒徑為5～10mm的陶粒.2種混凝土的配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg

對普通混凝土和輕集料混凝土試件進(jìn)行單軸受壓動(dòng)力特性試驗(yàn)，試件尺寸為100mm×100mm×100mm.試驗(yàn)加載工況一共采用10種應(yīng)變率，分別為1.0×10-5，5.0×10-5，1.0×10-4，5.0×10-4，1.0×10-3，2.0×10-3，5.0×10-3，1.0×10-2，2.0×10-2，5.0×10-2s-1.其中1.0×10-5s-1為靜力加載應(yīng)變率，其余9種為考慮地震作用量級的動(dòng)力加載應(yīng)變率.考慮到混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，各應(yīng)變率下取3個(gè)試件進(jìn)行研究，如3個(gè)試件數(shù)據(jù)均離散，則進(jìn)行第4個(gè)試件試驗(yàn)，并以此類推，文中數(shù)據(jù)選取了具有代表性的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用西安力創(chuàng)WDW-600液壓伺服機(jī)對混凝土進(jìn)行應(yīng)變率影響研究.該設(shè)備由液壓加載機(jī)、荷載位移采集系統(tǒng)和中控裝置組成.該試驗(yàn)機(jī)自帶高精度荷載傳感器和高精度位移傳感器，測量數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)配套程序自動(dòng)記錄.精度滿足試驗(yàn)要求.

1.3 試驗(yàn)加載

根據(jù)本文研究目的,在加載過程中需要消除加載面混凝土的摩擦作用.本文應(yīng)用3層聚乙烯塑料薄膜再分別夾2層機(jī)械黃油對試件進(jìn)行夾持，這種減磨措施是受到國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)可的[1].

試驗(yàn)加載方法主要采用力和位移混合控制方式：首先是力控制，主要起到預(yù)壓的作用，從0MPa加載到0.05fc再卸載到0MPa，重復(fù)3次，其中fc為2種混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；然后采用位移控制，由0mm 開始，直至試件發(fā)生破壞為止.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

圖1，2給出了不同應(yīng)變率下各混凝土試件的破壞形態(tài)(考慮到篇幅原因，從2種混凝土的10種應(yīng)變率加載工況中選取5種作為典型).由圖1,2可見，在靜力加載應(yīng)變率下，2種混凝土的裂縫都在加載表面均勻分布，如圖1(a)和圖2(a)所示.普通混凝土的破壞主要是水泥膠體黏結(jié)材料的破壞，而輕集料混凝土的破壞主要是輕集料的剪切破壞，且后者與應(yīng)變率大小沒有關(guān)系.隨著應(yīng)變率的提高，普通混凝土與輕集料混凝土加載面裂縫均減少至2～3條主裂縫，并貫通至底部使試件破壞，裂縫多以斜裂縫為主.分析其原因在于：在靜力加載應(yīng)變率下，荷載作用時(shí)間較短，試件能夠受到均勻應(yīng)力作用，混凝土裂縫得到充分發(fā)展；當(dāng)構(gòu)件受到動(dòng)載作用時(shí)，試件無法在短時(shí)間內(nèi)形成均勻應(yīng)力，即裂縫無法均勻發(fā)展，從而導(dǎo)致如圖1(b)～(e)和圖2(b)～(e)所示的破壞形態(tài).

圖1 不同應(yīng)變率下單軸受壓普通混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of OPC specimens at uniaxial compression under different strain rates

圖2 不同應(yīng)變率下單軸受壓輕骨料混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of LWAC specimens at uniaxial compression under different strain rates

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

基于不同應(yīng)變率對混凝土進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，可得到混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3,4所示.通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線提取混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量特征值，分析其動(dòng)力特性.

圖3 不同應(yīng)變率下普通混凝土試件的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of OPC speciments at uniaxial compression under different strain rates

圖4 不同應(yīng)變率下輕骨料混凝土試件的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of LWAC speciments at uniaxial compression under different strain rates

由圖3,4可見：在不同應(yīng)變率下2種混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢一致，其中峰值應(yīng)力有明顯差別，而峰值應(yīng)變和彈性模量隨應(yīng)變率變化相對不明顯，需要進(jìn)一步深入剖析；在不同應(yīng)變率下，2種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均符合單軸受壓基本特性，具有良好的連續(xù)性和光滑性，并且隨著應(yīng)變率的提高，根據(jù)峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)初步分析，混凝土耗能能力明顯增加.本文普通混凝土動(dòng)力特性研究結(jié)果與曾莎潔等[8]對普通混凝土單軸受壓動(dòng)力特性的研究結(jié)論一致，同時(shí)輕集料混凝土反映出的動(dòng)力特性與普通混凝土基本相同.

2.3 峰值應(yīng)力

在混凝土動(dòng)力特性研究中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的峰值應(yīng)力是重要研究參數(shù)，一般會(huì)引入動(dòng)力提高系數(shù)αDIF[6]，以便探究普通混凝土峰值應(yīng)力受動(dòng)力率相關(guān)性的影響：

αDIF=σd/σs

(1)

式中：σs為靜力加載1.0×10-5s-1時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力；σd為動(dòng)力加載工況下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力.

為便于進(jìn)一步分析混凝土峰值應(yīng)力受動(dòng)力率相關(guān)性的影響，本文引入峰值應(yīng)力提高幅度βσ：

βσ=(αDIF-1)×100%

(2)

不同應(yīng)變率下普通混凝土和輕集料混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度如表2所示.

表2 不同應(yīng)變率下混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度Table 2 Peak stress improvement range(βσ) of concretes under different strain rates %

由表2可見，隨著應(yīng)變率的增加，混凝土峰值應(yīng)力提高，其中，輕集料混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度較大，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到5.0×10-2s-1時(shí)，輕集料混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度為54.48%，而普通混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度為34.36%.曾莎潔等[8]研究表明，不同強(qiáng)度普通混凝土動(dòng)力性能試驗(yàn)加載應(yīng)變率由1.0×10-5s-1提高到1.0×10-1s-1時(shí)，其峰值應(yīng)力提高幅度一般在30%～40%之間.本文研究結(jié)果表明，輕集料混凝土峰值應(yīng)力受動(dòng)力性能影響要明顯高于普通混凝土.

當(dāng)混凝土加載應(yīng)變率增大時(shí)，其峰值應(yīng)力提高，這符合混凝土損傷力學(xué)的關(guān)系，即在高應(yīng)變率作用下，混凝土的損傷演化會(huì)出現(xiàn)一定的遲滯效應(yīng)，導(dǎo)致其峰值應(yīng)力相對于靜力狀態(tài)有明顯的提高，并且隨著加載應(yīng)變率的提高而提高[9].這在圖1，2中2種混凝土的破壞形態(tài)中有明顯體現(xiàn).

圖5 不同應(yīng)變率下混凝土動(dòng)力提高系數(shù)Fig.5 Increase coefficient of peak stress of concretes under different strain rates

由圖5可見，普通混凝土擬合曲線的斜率(即變化率)明顯低于輕集料混凝土擬合曲線的斜率，說明輕集料混凝土峰值應(yīng)力受動(dòng)力特性的影響要明顯高于普通混凝土.

2.4 彈性模量

為了便于準(zhǔn)確定量研究混凝土材料的彈性模量，本文采用50%峰值應(yīng)力和10%峰值應(yīng)力的割線模量作為彈性模量E[8]，即：

(3)

式中：σ0.5和σ0.1分別為50%，10%的峰值應(yīng)力；ε0.5，ε0.1分別為50%，10%峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變.

按照式(3)計(jì)算得到各混凝土的彈性模量，同時(shí)參照2.3節(jié)所提出的峰值應(yīng)力提高幅度公式，提出彈性模量提高幅度(βE)的計(jì)算式(見式(4))，其結(jié)果如表3所示.

(4)

式中：Es為靜力加載1.0×10-5s-1時(shí)試件的彈性模量；Ed為動(dòng)力加載工況下試件的彈性模量.

表3 不同應(yīng)變率下混凝土的彈性模量提高幅度Table 3 Elastic modulus improvement range(βE) of concretes under different strain rates %

根據(jù)表3，相對于靜力加載時(shí)試件的彈性模量(Es)，當(dāng)應(yīng)變率增加時(shí)2種混凝土平均彈性模量均增加，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到5.0×10-2s-1時(shí)，普通混凝土彈性模量提高幅度為23.15%，輕集料混凝土彈性模量提高幅度為28.75%，輕集料混凝土彈性模量受動(dòng)力特性影響高于普通混凝土.與表2相比，應(yīng)變率對2種混凝土彈性模量的影響均低于其對混凝土峰值應(yīng)力的影響.

圖6 不同應(yīng)變率下混凝土彈性模量提高系數(shù)Fig.6 Increase coefficient of elastic modulus of concretes under different strain rates

由圖6可見，隨著應(yīng)變率的提高，混凝土彈性模量呈明顯提高趨勢.根據(jù)不同混凝土擬合曲線的斜率可知，輕集料混凝土彈性模量受動(dòng)力特性的影響要明顯高于普通混凝土.

2.5 峰值應(yīng)變

根據(jù)本試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線提取不同應(yīng)變率下2種混凝土的峰值應(yīng)變，參照峰值應(yīng)力提高幅度與彈性模量提高幅度公式，提出峰值應(yīng)變變化幅度βε的計(jì)算式(見式(5))，結(jié)果如表4所示.

(5)

式中：εs為靜力加載1.0×10-5s-1時(shí)試件的峰值應(yīng)變；εd為動(dòng)力加載工況下試件的峰值應(yīng)變.

表4 不同應(yīng)變率下混凝土的峰值應(yīng)變變化幅度Table 4 Peak strain change range(βε) of concretes under different strain rates %

由表4可見，混凝土峰值應(yīng)變受應(yīng)變率的影響沒有明確的規(guī)律，目前主要有3種觀點(diǎn)：(1)混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的提高而提高；(2)混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率變化基本沒有變化；(3)混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的提高而降低[8].其主要原因在于混凝土材料的隨機(jī)性和離散性導(dǎo)致其在應(yīng)變研究中存在不規(guī)律的現(xiàn)象.

圖7 不同應(yīng)變率下混凝土峰值應(yīng)變提高系數(shù)Fig.7 Increase coefficient of peak strain of concretes under different strain rates

由圖7可見，當(dāng)應(yīng)變率從1.0×10-5s-1增大到5.0×10-2s-1時(shí)，普通混凝土動(dòng)力加載工況下的峰值應(yīng)變變化幅度從減少3.02% 到增加17.17%，輕集料混凝土動(dòng)力加載工況下的峰值應(yīng)變變化幅度從減少12.64%到增加12.36%.混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率變化沒有明確的變化規(guī)律，但整體趨勢隨著應(yīng)變率的提高而提高，基本符合上述觀點(diǎn)(1).由圖7還可見，2種混凝土的峰值應(yīng)變相類似，均具有明顯的隨機(jī)性，這是由于混凝土材料的隨機(jī)性和率相關(guān)效應(yīng)的耦合作用所導(dǎo)致的.

3 結(jié)論

(1)普通混凝土和輕集料混凝土的破壞形態(tài)相似，裂縫均由靜力狀態(tài)下的豎向裂縫逐步發(fā)展成為受動(dòng)力影響的斜向裂縫.但普通混凝土的破壞主要是黏結(jié)材料的破壞，而輕集料混凝土的破壞主要是輕集料的剪切破壞，后者破壞形態(tài)不受加載應(yīng)變率的影響.

(2)隨著應(yīng)變率的提高，2種混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量都提高，其中峰值應(yīng)力提高幅度最為明顯.輕集料混凝土較普通混凝土受應(yīng)變率的影響更為明顯.混凝土峰值應(yīng)變受加載應(yīng)變率的影響規(guī)律均較為離散，究其原因可能在于混凝土材料具有隨機(jī)性與率相關(guān)效應(yīng).

(3)2種混凝土峰值應(yīng)力和彈性模量的提高系數(shù)與相對應(yīng)變率的對數(shù)值成線性關(guān)系.

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