C100混凝土的力學性能及應力-應變曲線

1 引言

在實際混凝土結構中，混凝土承受各種各樣的荷載，對應於不同的受力形式，混凝土有不同的強度和變形。混凝土是一種脆性材料，抗拉強度低而抗壓強度高，因而混凝土基本上用於承受壓力，所以單軸受壓狀態是混凝土最簡單、最基本的受力狀態。超高強混凝土應力-應變關係全曲線、受壓極限應變的研究則相對較少[1-4]。其原因主要在於試驗設備在進行壓力試驗時，會積聚一定的應變能，當混凝土接近或達到極限強度時，彈性模量會劇烈下降，設備中的應變能瞬間釋放，把混凝土壓碎，導致混凝土受壓全曲線的下降段不易獲得。然而，混凝土單軸受壓應力-應變全曲線是混凝土基本受

壓特性的綜合宏觀反應，又是研究鋼筋混凝土結構承載力和變形特徵的主要依據，更是進行混凝土結構非性、彈塑性全過程分析必不可少的基本材料特徵。

至今，不少學者提出了多種混凝土受壓應力-應變曲線方程[5-8]，有些文獻[9-12]還做了綜述與試驗測試。他們中的絕大多數採用上升段和下降段曲線統一的方程，按其數學函數的形式可分為多項式、指數式、三角函數式和有理分式等。應力應變曲線的上升段和下降段採用統一的方程表達，優點是參數少、形式簡單和計算方便，但是其曲線形狀很難滿足試驗曲線的全部幾何特點。

Saenz於1964 年提出用多項式來擬合全曲線，方程如下：y=c1x+c2x+c3x +c4x

Sahlin、Smith 和Young 於1955 年提出用指數式方程來擬合全曲線：y=xe1−x

Young於1960 年提出用三角函數式來擬合全曲線：y=sin (π/2 x)。

Hognestad於1955 年在ACI 中建議的上升段和下降段分別的方程如下：

Hognestad和Rusch等人建議了上升段和下降段分別的方程，形式最簡單，受工程師們的歡迎，已經納入CEB-FIP MC90等混凝土結構設計規範。事實上，這兩組曲線方程正是為滿足工程實用而提出，將複雜的、連續的應力—應變全曲線簡化成拋物線的上升段和直線的下降段，因而它們與實測曲線有一定差別。

本文主要是對C100的超高強混凝土的應力應變曲線進行測試，並對一年長養護齡期的C100混凝土的抗壓、靜壓力彈性模量等力學性能進行研究，總結一些超高強混凝土力學性能發展規律。

 

2原材料與實驗方法

2.1實驗原材料

（1）水泥和摻合料，水泥為唐山冀東525普通矽酸鹽水泥，礦物摻合料主要用山東魯新建材公司生產的超細礦粉；甘肅三遠矽材料有限公司生產的矽灰(活性Si0290%)。原材料化學分析結果如表2.1。（2）骨料，採用河北易縣產玄武巖石子G大(15mm)，G小(10mm)，採用級配G大(15mm)：G小(10mm)=4:6比例。細骨料：河北石家莊河砂，細度模數M=2.5，含泥量1.11%。（3）高效聚羧酸減水劑，北京慕湖外加劑有限公司生產，其形態為粉體，減水率40%。

2.2實驗方法

（1）應力應變曲線實驗方法：在液壓伺服實驗機上設計附加剛性元件-鋼桶來保證實驗裝置總體剛度超過高強混凝土試件破壞時的下降段的最大剛度，這樣既能保證以等應變速度加載的進行，也能實現計算機採集實驗數據，操作行對簡單準確便於分析。

試件尺寸設計，本實驗測試的混凝土強度超過100MPa，如果所測試的試件截面尺寸較大時，實驗荷載將超過所用的200t的液壓伺服萬能實驗機器的量程，所以混凝土的尺寸設計為70.7mm×70.7 mm×210.21mm。剛性輔助元件-鋼筒，鋼管採用Q345鋼材加工，內徑，外徑，高度209.5mm,成型後的混凝土長度會有所略微的差別，在混凝土套入鋼環後根據混凝土柱的實際長度通過在鋼環上添加2mm、5mm墊片在實現鋼環在混凝土在破壞前的介入，才實現增加測試試件部分的剛度，從而測量混凝土破壞下降段的應力應變關係。應變測定，每個軸心抗壓試件的正反面各黏貼1個橫向和豎向應變片，去確定混凝土的泊松比變化；鋼桶帖1應變片來確定鋼環在混凝土受力過程中的介入時間；鋼桶外側加兩個位移傳感器，在軸心受壓試驗中，試件開裂後，應變片將不能再工作，故應力-應變全曲線的下降段由位移計測出。

另外，混凝土力學性能試驗按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定混凝土拌合物的工作性能按照GB/T 50080- 2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測定。

3 實驗結果與討論

3.1 超高強混凝土的應力-應變曲線測試

實驗選取三組水膠比同為0.25 的混凝土配合比,將成型試件拆模後養護至28d時進行應力應變曲線測試實驗，其中兩組為膠凝材料用量分別為600kg/m3和650kg/m3的素混凝土，另外一組為膠凝料用量為650kg/m3同時添加1%體積量鋼纖維的混凝土。實驗配合比如表3.1所示。

表3.1 混凝土實驗配合比1

根據普通混凝土力學性能試驗方法，將立方體混凝土試件放入300噸級的液壓力學試驗機，以恆定的加載速度加載，測出標準尺寸立方體的C100混凝土的抗壓強度。再將粘貼好應變片的70.7mm×70.7 mm×210.21mm混凝土試件和鋼管相互套入，並連接好數據採集線，一併放置於液壓伺服萬能壓力機內，調整好球形支座，使鋼管和混凝土試件水平，連接應變儀，安裝位移計(如圖2.1)。當試驗機加壓時，先是混凝土試件受力，當荷載達到混凝強度的10%左右鋼管開始介入受力，液壓伺服機記錄出整個過程中變形值和相應的荷載值，並繪出曲線顯示出來，應變採集系統記錄混凝土的應變、鋼管的應變和整個試驗裝置的應變值。本次試驗加壓結束後，取出破壞的混凝土，將鋼管以同樣的加載方式壓至混凝土屈服值，伺服液壓機記錄整個過程的變形和相應的荷載值。在總荷載和總變形中減去相對應的鋼管的荷載和變形值，即可測得混凝土試件相應的荷載和變形值，從而繪製出其應力-應變全曲線，如圖3.3，圖3.4和圖3.5。

從圖3.3、圖3.4和圖3.5可以看出，C100超高強混凝土受壓荷載和位移全曲線由，上升段和下降段兩部分組成，當位移趨於無窮時，試件愛你的受力趨於零。在荷載加載初期，混凝土荷載和形變位移大致呈線性關係，在荷載加載的過程中曲線的斜率基本不變，當荷載加至試件的最大承載力時，曲線的斜率在很短的區域內迅速變小直至試件破壞。在超高強混凝土中，由於混凝土本身具有很高的強度，內部缺陷相對較少，試件的內的微裂紋隨著荷載的增加並沒有持續的增加和擴展，但要接近最大荷載的時候，高強混凝土內部微裂紋則迅速擴展並且增多，骨料和水泥砂漿粘結面均有裂縫的發展，直到荷載等於試件最大承載力時，曲線的斜率下降為零，這一階段為高強混凝土的應力-應變全曲線上升段。

由圖3.3、圖3.4可以看出未摻加鋼纖維的高強混凝土，當達到最大荷載之後，同應變速率下，試件荷載迅速減小，應力-應變曲線進入了下降段，曲線的斜率變為負值。隨著試件的變形增大，混凝土的裂縫的數量也增多，裂縫貫穿形成大的裂縫，導致混凝土的逐漸破壞。當荷載減小到最大荷載的20%-30%的時候，應力-應變曲線逐漸進入收斂階段，不過這時混凝土的已近完全被破壞，之後的曲線未能測出。從圖3.5可以看出，高強混凝土中添加鋼纖維之後，應力-應變曲線在荷載最大值附近的變化與未摻加鋼纖維的混凝土有明顯的區別，曲線有明顯的平滑過渡區域，可見鋼纖維的添加改善了高強混凝土脆性，增加了混凝土的形變性能。在應力-應變曲線下降段時，進入收斂段的曲線也能清楚的表現出來。有應力應變曲線看出，進入下降段後，由於剛性輔助設備的作用，時間應變速度得到比較精確的控制，沒有出現試件突然破壞。

混凝土的軸心受壓應力應變全曲線由上升段和下降段組成，它是混凝上基本受壓特性的綜合性宏觀反映，諸如混凝土的塑性應變的出現和發展、微裂縫的開展、內部缺陷和損傷、極限強度、破壞斜面的形成、殘餘強度和變形等等都在曲線上有相應的體現。同時應力-應變曲線又是研究混凝土結構的承載力和變形的主要依據，特別是在分析構件極限狀態時的截面應力分布、彈塑性全過程以及抗震和抗爆結構的延性和恢復力特性等時，更是必不可少的材料本構成關係。通過清華大學過鎮海等提出的模型(1979年)[13]：

上升段和下降段各有一個參數，a和α。通過對這兩個參數賦予不等的數值，可以得到對於不同原材料和強度等級的結構混凝土的與試驗結果相符的理論曲線。

3.2 超高強混凝土的力學性能

實驗選取兩組混凝土配合比的水膠比為0.18，膠凝材料總量不同，混凝土配合比了如表3.4所示。對養護至一定齡期的混凝土進行抗壓、抗折、劈裂和靜壓力彈性模量等力學性能實驗。表3.5為不同養護齡期的混凝土的抗壓強度測試結果。表3.6為其它的力學性能的測試結果。

表3.4混凝土試驗配合比2

從表3.5可以看出，總體上超高強混凝土在養護齡期28d前的時間是抗壓強度發展最快的一個階段，它們的抗壓強度都超過了100MPa。當養護齡期達到56d和180d時，抗壓強度都呈繼續增加的趨勢。當養護齡期達到360d的時候，混凝土的強度相比180d時強度又有較大幅度的增長，兩組混凝土的抗壓強度分別達到了150.1Mpa和163.7MPa的超高強度。說明極低水膠比的混凝土的水化在28d後還具有繼續水化和強度增長的潛力。

由表3.5試驗數據看出， HS-1混凝土28d和56d的靜壓力彈性模量分別達到了44.9GPa和47.6GPa，而這兩個齡期的HS-2組混凝土靜壓力彈性模量都超過了50GPa，說明這個兩個強度等級的混凝土都具有較高的剛性。實驗通過測定混凝土的抗折強度並計算混凝土的折壓比，幾組折壓比都在0.1左右，這與現有研究得出的高強混凝土的折壓比為10%左右的數據很接近[14]，符合高強混凝土強度的發展規律。

4結論

（1）採用剛性輔助裝置來測試超高強混凝土應力-應變曲線是比較便捷和有效的實驗方法，能夠獲得比較準確的曲線結果。

（2）超高強混凝土的應力-應變曲線與普通的混凝土應力應變曲線的變化規律有一定差別，高強混凝土應力應變全曲線在荷載最高點時沒有明顯的緩衝階段，具有一定的突變性，這也反應了高強混凝土脆性大的特點。

（3）在高強混凝土中添加鋼纖維測得應力應變曲線與素的高強混凝土的應力應變曲線的變化規律基本一致，但鋼纖維的摻加能夠使混凝土的在荷載作用下的應變值更加穩定和平緩的變化，所呈現的曲線具有一般混凝土應力應變曲線的拐點特點，說明鋼纖維能夠明顯的改善高強混凝土的脆性。

（4）超高強混凝土應力-應變曲線的擬合應該分為上升段和下降段兩個過程分段進行，建議採用過鎮海模型進行曲線擬合。

（5）水膠比為0.18的超高強混凝土，混凝土的28d抗壓強度超過100MPa，隨著養護齡期達到180d和360d時，混凝土的抗壓強度在此過程中仍然繼續增長。兩組混凝土在360d時的抗壓強度分別達到了150.1MPa和163.7MPa，並且它們的靜壓力彈性模量在56d齡期時在50GPa左右。

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