摘要:研究了頁巖陶拉與碎石按不同體積比混合配制的各組混凝土，在不同齡期時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，并經(jīng)過無量綱化處理分析。結(jié)果表明，混合骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程宜來用分段曲線的形式，其中上升段可采用與現(xiàn)行規(guī)范中普通混凝土相同的形式，但系數(shù)不同。對(duì)于同水灰比的各組混凝土，隨陶粒摻量的增加，混凝土峰值應(yīng)力幾乎呈線性趨勢(shì)降低，而其峰值應(yīng)變則變化不大;隨齡期的增長，峰值應(yīng)力均增長，而峰值應(yīng)變卻有所降低。
關(guān)鍵詞: 頁巖陶粒; 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€;峰值應(yīng)力
中圖分類號(hào): TＵ528.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1671－4431(2007)07－0018－04
混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€是其力學(xué)性能的綜合性宏觀反應(yīng)，是研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形的主要依據(jù)。國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€開展了大量的研究〔1-2〕，得出高強(qiáng)混凝土與普通混凝土相比，其應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上升段更接近于直線，相應(yīng)于最大應(yīng)力處的應(yīng)變值增大，下降段更陡的結(jié)論。對(duì)于輕骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€國內(nèi)外也做了很多試驗(yàn)工作[3-5]，發(fā)現(xiàn)在同等峰值應(yīng)力情況下，輕骨料混凝土的峰值應(yīng)變要大于普通混凝土的峰值應(yīng)變。而對(duì)于以輕骨料替代部分普通骨料配制的混合骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的研究還是空白，因此系統(tǒng)地研究陶粒與碎石以不同體積比混合配制的混凝土在不同齡期時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，并與同水灰比的普通混凝土和輕骨料混凝土進(jìn)行比較，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義，以期為混合骨料混凝土的應(yīng)用提供基本的本構(gòu)關(guān)系。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原材料
試驗(yàn)用哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌PO42.5水泥。哈爾濱第三發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。哈爾濱賓縣生產(chǎn)的普通型頁巖陶粒，最大粒徑16mm ，1h吸水率5.6%，筒壓強(qiáng)度6.4MPa。5-20mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石，視密度2643kg/m3。細(xì)度模數(shù)2.9、含泥量1.05%、體積密度2610kg/m3級(jí)配合理的中砂。唐山產(chǎn)UNF-5高效減水劑和上海產(chǎn)SJ-2型引氣劑。各種原材料性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.2 方案
1.2.1 配合比
試驗(yàn)配合比以普通混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比，其控制參數(shù)為:水灰比0.29，粉煤灰摻量15%，超量取代系數(shù)1.3，調(diào)整減水劑和引氣劑的摻量，控制混凝土拌合物坍落度為30-50mm，含氣量為(5土0.5)%。在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上分別用不同比例(0、25%、50%、75%、10%)的賓縣普通型頁巖陶粒取代相同體積的碎石配制試驗(yàn)用各組混凝土，編號(hào)分別為B印、BP25、BP50、BF75、BP100。
1.2.2 方案
試件尺寸為100mm×100mm ×300mm ，試驗(yàn)標(biāo)距為200mm，試驗(yàn)在YES200普通液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并附加2臺(tái)剛度較大的剛性元件來承擔(dān)部分荷載，以提高加載系統(tǒng)的整體剛度，同時(shí)對(duì)于強(qiáng)度較高的BFC組試件，下降段采用多次重復(fù)加卸載的方法，以便測(cè)出應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段，加載應(yīng)變速率保持在5件/s。試驗(yàn)采用位移計(jì)測(cè)量混凝土的軸向變形，通過拉壓傳感器和位移計(jì)將荷載和縱向變形轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并用X-Y函數(shù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
2 結(jié)果及分析
2.1 現(xiàn)象
對(duì)于陶粒摻量較多的混凝土試件BP50、BP75和BP100，加載至試件極限荷載的90%左右，試件表面開始出現(xiàn)平行于受力方向的微細(xì)裂紋，裂縫數(shù)量基本沒有增長;對(duì)于陶粒摻量較少的試件BP0和BP25，當(dāng)荷載達(dá)到峰值應(yīng)力或超過峰值應(yīng)力時(shí)，裂縫數(shù)量則迅速增加，且裂縫寬度也增大，峰點(diǎn)過后，很快出現(xiàn)平行于荷載方向的可見裂縫，試件內(nèi)部劈裂聲更加明顯，隨后形成斜裂縫并迅速發(fā)展，貫通整個(gè)截面，大多數(shù)試件斷裂成若干分離的小柱而導(dǎo)致整體試件的最后破壞。
從斷面的破壞形式來看，未摻陶粒的混凝土BFD基本上屬于斜面剪切破壞形態(tài)，隨陶粒摻量的增加，破壞則由斜截面剪切轉(zhuǎn)為縱向劈裂。
2.2 結(jié)果
2.2.1 全曲線分析
對(duì)每組3個(gè)試件的曲線取平均值得到5組陶粒與碎石不同體積比混合配制的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，圖1為分別養(yǎng)護(hù)至28 d和150d時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€最終匯總結(jié)果。
從圖1中可以明顯看出如下特征。1)隨陶粒摻量的增加，曲線上升段的斜率依次變小，表示配制的混凝土彈性模量依次降低。這是由于輕骨料自身的彈性模量較低，剛性小，抑制水泥石基體應(yīng)變的能力弱的緣故。2)隨著陶粒摻量的增加，曲線下降段的坡度變得越緩，這一方面是由于陶粒的摻人使得混凝土的強(qiáng)度有所降低，而強(qiáng)度的大小又是決定曲線下降段形狀的最重要的因素;另一方面，當(dāng)試件所承受的荷載超過峰值應(yīng)力時(shí)，由初始裂縫形成的可見裂縫發(fā)生并不斷被新的貫穿裂縫分割直至形成主要貫通裂縫，這一形成過程中許多應(yīng)力集中使得混凝土破壞速度加快，而彈性模量較低的輕骨料的摻人延緩了這種現(xiàn)象的發(fā)生。3)隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增長，各組混凝土的上升段更接近于直線，下降段更陡，峰值應(yīng)力均增長，而峰值應(yīng)變卻有所降低。不過150d齡期時(shí)各條曲線隨陶粒摻量的變化規(guī)律與28 d的類似。
2.2.2 峰值點(diǎn)分析
從圖2和圖3中可以看出隨著陶粒摻量的增加，混凝土的峰值應(yīng)力幾乎呈線性趨勢(shì)降低，這與其強(qiáng)度變化規(guī)律類似，主要是由于陶粒自身的顆粒強(qiáng)度較低，低于水泥石的強(qiáng)度，陶粒摻量的增加，使得混凝土中易破壞的薄弱環(huán)節(jié)增多的緣故。其峰值應(yīng)變隨著陶粒摻量的增加略微降低，這是由于輕骨料混凝土的峰值應(yīng)變比相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土大，且峰值應(yīng)變隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而有所增大[5]，所以隨著陶粒摻量的增加，一方面由于輕骨料的摻人使得其配制的混凝土峰值應(yīng)變?cè)黾?，而另一方面其帶來的混凝土?qiáng)度降低又導(dǎo)致應(yīng)變變小，兩方面的綜合作用使得混合骨料混凝土的峰值應(yīng)變與同水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土相比變化不大。
隨著齡期的增長，各組混凝土的峰值應(yīng)力都增長，而峰值應(yīng)變卻有所下降。這是由于水泥水化程度的提高和本試驗(yàn)的各組混凝土均摻加了粉煤灰，粉煤灰的二次水化效應(yīng)使得后期水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度逐漸增長，峰值應(yīng)力增加;而水化產(chǎn)物的充分填充也使得水泥石總孔隙率變小，脆性變大，所以峰值應(yīng)變均有所降低。
2.2.3 數(shù)據(jù)擬合
對(duì)試驗(yàn)的所有曲線無量綱化，無量綱坐標(biāo)用x＝ε/εc，y=σ/σc表示，得到的典型曲線如圖4所示。
上升段采用過鎮(zhèn)海等提出的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型(2)進(jìn)行擬合，無量綱化以后各組混凝土上升段的試驗(yàn)點(diǎn)差異不大，因此可對(duì)所有試驗(yàn)點(diǎn)用一條曲線擬合，擬合后的參數(shù)A為1.2143，方程式為
y= 1 .2143x + 0.5714x 2 －0 .7857x 3 (1)
曲線與試驗(yàn)點(diǎn)吻合良好，其相關(guān)系數(shù)R2為0.9871。
對(duì)于曲線下降段目前較為常用的形式是有理式，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，當(dāng)1≤x≤1.2時(shí)，各曲線方程也采用三次多項(xiàng)式(3)和試驗(yàn)結(jié)果較吻合;當(dāng)1.2≤x≤5.0時(shí)，采用公式(4)來對(duì)各組混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行Sigmoidal有理函數(shù)形式的數(shù)值逼近。擬合后的曲線見圖5，系數(shù)見表1。
從圖5中可以看出，各段的試驗(yàn)結(jié)果與擬合曲線均吻合良好，其相關(guān)系數(shù)R2≥0.915。并且當(dāng)陶粒摻量不少于50%時(shí)，配制的各組混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€基本不受齡期的影響。
3 結(jié)論
a. 混合骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程宜采用分段曲線的形式，其中上升段仍可采用與GB50010-2002中普通混凝土全曲線相同的形式，但其中系數(shù)不同。
b. 對(duì)于同水灰比的各組混凝土，隨陶粒摻量的增加，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的上升段斜率變小，下降段的坡度變緩，峰值應(yīng)力幾乎呈線性趨勢(shì)降低，而其峰值應(yīng)變則變化不大;隨齡期的增長，各組混凝土的上升段更接近于直線，下降段更陡，峰值應(yīng)力均增長，而峰值應(yīng)變卻有所降低。
c. 對(duì)于同強(qiáng)度等級(jí)的各組混凝土，當(dāng)陶粒摻量較多時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€基本不受齡期的影響。
