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混凝土剪切力學性能試驗研究

2020-05-12 06:16
關(guān)鍵詞:軸壓剪切應力單軸

唐 鵬

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學院 市政與交通工程學院,安徽 合肥 231603)

混凝土作為目前建筑領(lǐng)域應用最為廣泛的建筑材料,受到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注,對于混凝土配合比、力學性能、耐久性能以及工作性能展開大量的試驗研究和理論分析,其中力學性能研究是混凝土研究方向最為重要的部分之一[1-2]。

對于混凝土力學性能的研究,一般以受壓和受拉加載方式為主,目前有大量文獻從混凝土多軸加載方式,即受壓和受拉加載方式三向組合形成的受力方式對混凝土力學性能展開分析,該種受力方式更符合混凝土實際工程受力形態(tài)[3]。Gabet等[4]從不同加載路徑角度對混凝土多軸受力性能展開研究,F(xiàn)ujikake等[5]考慮動力率效應對混凝土多軸力學性進行分析,過鎮(zhèn)海[1]對不同加載方式混凝土多軸力學性能展開分析并提出相應的破壞準則,宋玉普[6]對不同類別混凝土多軸力學性能展開分析并提出不同的本構(gòu)關(guān)系。然而在實際工程中,混凝土不僅可能受到壓力和拉力的作用,而且還可能受到剪切荷載的作用,對于混凝土受壓和受拉力學性能的研究,國內(nèi)外均有標準的試驗方法和流程,但尚未提出對混凝土受剪方式的標準試驗方法,一般采用矩形短梁剪切、Z形柱單剪以及雙軸拉、壓受力轉(zhuǎn)化方式等,上述傳統(tǒng)剪切試驗方法采用間接剪切試驗技術(shù)所得到的混凝土剪切強度值一般受到軸向摩擦作用影響、剪切過程中的旋轉(zhuǎn)作用影響和剪切過程中的彎曲作用影響。應用直接剪切試驗技術(shù)對混凝土剪切力學性能的研究對于進一步完善混凝土力學性能具有重要意義[7-9]。

本文應用材料直接剪切液壓伺服機,對混凝土展開剪切試驗研究,通過試驗得到混凝土剪切破壞形態(tài)和剪切應力—應變曲線,通過提取剪切應力—應變曲線峰值應力,結(jié)合受壓和受拉強度,研究混凝土剪切力學性能,同時考慮兩種不同軸壓力作用,對混凝土剪切多軸力學性能進行初步探究。

1 試驗方案

1.1 試件設計

本文對普通混凝土剪切力學性能展開試驗研究,設計混凝土強度等級為C35,根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》[10]確定該強度等級混凝土配合比,如表1所示。普通混凝土原材料分別為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5,細骨料采用天然河沙,細度模數(shù)為2.6,粗骨料采用粒徑范圍4~20 mm天然骨料碎石以及城市自然水,不摻含外加劑成份。

表1混凝土配合比
Table1Concrete Mix Ratio kg/m3

試件設計尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,將上述混凝土拌合料放置在標準模具中振動密實,待1 d后脫模,放置在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d,隨即脫模開展試驗。

1.2 加載方案

混凝土剪切加載主要采用材料剪切加載設備,由上下錯動剪力盒組成,剪力盒剛度極大,能夠滿足試驗加載要求,將剪力盒放置在固定滑動軌道中,使其按照固定路線滑動,在橫向荷載作用下,上下剪力盒錯動,完成剪切試驗[3]。本文考慮3種不同加載工況,主要有單軸剪切、軸壓比0.05壓—剪和軸壓比0.1壓—剪試驗(本文混凝土單軸受壓強度為31.23 MPa),軸向荷載根據(jù)單軸受壓荷載確定,取單軸受壓荷載的5%和10%。

加載首先對軸向荷載進行加載,加載速率為0.05 MPa/min,待軸向荷載加載至規(guī)定荷載后停止加載,開始橫向剪切荷載加載,加載速率為0.5 mm/min,考慮混凝土材料隨機性和離散性,每種加載工況設置3個試件,取3個試件混凝土測量值均值進行分析,設備裝備荷載傳感器和變形傳感器,滿足試驗測量要求,如圖1所示。

圖1 材料剪切設備[7]Fig 1 Material Shearing Equipment [7]

2 試驗結(jié)果

2.1 剪切位移—荷載

根據(jù)本文試驗加載方案,通過設備荷載傳感器和位移傳感器,得到不同加載工況混凝土剪切位移—剪切荷載曲線,如圖2所示。

圖2 混凝土剪切位移—剪切荷載曲線Fig 2 Shear displacement-shear load curve of concrete

根據(jù)圖2混凝土剪切位移—剪切荷載曲線分析,無軸壓比混凝土剪切位移—剪切荷載曲線發(fā)展趨勢分為兩個階段,分別為:彈性階段和下降階段,彈性階段即隨著變形的提高,混凝土剪切荷載線性增大,下降階段即隨著變形提高,混凝土剪切荷載瞬間下降,趨勢明顯,發(fā)展趨勢與混凝土劈拉加載發(fā)展應力—應變關(guān)系曲線相類似;當軸壓比不為零時,曲線發(fā)展趨勢分為3個階段,分別為:彈性階段、下降階段和荷載穩(wěn)定階段,彈性階段和下降階段與無軸壓比混凝土剪切位移—剪切荷載曲線相同,荷載穩(wěn)定階段主要是隨著剪切變形的增大,剪切荷載基本穩(wěn)定不變,主要是由于剪切面互相錯的摩擦荷載作用形成。隨著軸壓比的提高,混凝土剪切荷載明顯增大,剪切變形有增大的趨勢。

2.2 剪切特征參數(shù)

由如圖2所示,混凝土剪切位移—剪切荷載曲線提取剪切應力和剪切位移特征值,分析軸壓比對剪切特征值影響,如圖3所示。

根據(jù)圖3a分析,隨著軸壓比提高,混凝土剪切應力明顯增大,當軸壓比為0時,混凝土剪切應力為1.91 MPa,當軸壓比為0.05時,混凝土剪切應力為2.82 MPa,相比單軸剪切工況提高了47.64%,當軸壓比為0.1時,混凝土剪切應力為3.80 MPa,相比單軸剪切工況提高了1倍,軸壓比與剪切應力基本呈線性變化關(guān)系,根據(jù)數(shù)學軟件回歸分析得到公式(1)所示剪切應力τ與軸壓比ξ關(guān)系方程。

圖3 軸壓比與剪切特征值關(guān)系Fig 3 Relation between Axial Compression Ratio and Shear Eigenvalue

τ=1.898+1.89ξ

R2=0.999

(1)

如圖3b所示為軸壓比與剪切位移關(guān)系,隨著軸壓比提高,混凝土剪切位移明顯增大,當軸壓比為0時,混凝土剪切位移為0.978 mm,當軸壓比為0.05和0.1時,混凝土剪切位移分別為1.317 mm和1.928 mm,相比單軸剪切工況提高了34.66%和97.14%。分析原因主要在于軸壓荷載作用,增強了骨料之間的咬合作用和剪切界面之間互相作用,使得剪切應力和剪切位移得到明顯增大。

2.3 破壞形態(tài)

根據(jù)本文試驗方案得到普通混凝土單軸剪切和考慮軸向壓力作用下的壓—剪復合受力作用破壞形態(tài),考慮全文篇幅,選取單軸剪切和軸壓比0.1普通混凝土剪切破壞形態(tài),如圖4所示。

圖4 普通混凝土剪切破壞形態(tài)Fig 4 Shear failure modes of ordinary concrete

根據(jù)圖4a分析,當軸壓比為0,即單軸剪切加載工況,垂直剪切向形成條筆直的裂縫,該裂縫形成主要是由上下剪力盒互相錯動形成,平行剪切向裂縫波動明顯,相對較為不平直,但基本在一條直線上下浮動,主要由于混凝土材料的組成特性屬于多相復合型材料的原因?qū)е拢谡麄€加載過程中,剪切荷載是混凝土破壞的主要成因,最終使得其基本在一條直線上下浮動。當混凝土有軸向荷載作用時,與單軸剪切相比,存在主要不同的地方在于平行剪切方向混凝土側(cè)向有一定量的斜向裂縫,成因主要是由于混凝土軸向荷載與剪切荷載的耦合作用形成該破壞形態(tài),垂直剪切向破壞形態(tài)與單軸剪切破壞形態(tài)相類似,如圖4b所示。受力機理在于混凝土剪切荷載主要是由混凝土剪切面之間的范德華力、化學膠著力、機械咬合力和摩擦力作用,軸向荷載使得混凝土剪切面之間的機械咬合力和摩擦力得到有效提高,最終得到混凝土剪切荷載隨著軸向荷載的提高而逐步增大,同時剪切破壞面的作用隨著軸向荷載的提高,在混凝土平行剪切向形成一定量的斜裂縫。

3 結(jié)論

(1)軸壓作用使得混凝土破壞形態(tài)與無軸壓比作用存在明顯差異,有軸壓比作用使得平行混凝土剪切方向存在明顯的斜向裂縫,不同于無軸壓比工況,但垂直于剪切方向混凝土面的破壞形態(tài)不受軸壓比影響。

(2)混凝土剪切荷載—剪切位移曲線發(fā)展趨勢受軸壓比影響明顯,無軸壓比工況,混凝土剪切荷載—剪切位移曲線分為彈性階段和下降階段,有軸壓比工況,相比而言分為3個階段分別為彈性階段、下降階段和荷載穩(wěn)定階段。

(3)隨著軸壓比的提高,混凝土剪切應力和剪切位移明顯增大,根據(jù)本文試驗研究而結(jié)果表明當軸壓比為0.1時,混凝土剪切應力和剪切位移相比于無軸壓比工況分別提高了98.95%和97.14%,分析機理主要在于軸向荷載作用使得骨料咬合作用和剪切界面互相作用得到提高,最終導致混凝土剪切應力和剪切位移隨著軸向荷載的提高而增大。

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