混凝土单轴动态受压力学性能试验研究

王 涛

（石家庄市西柏坡高速公路管理处，河北 石家庄 050000）

1 引言

混凝土是现代最重要的土木工程材料之一。混凝土是由胶凝材料、颗粒状集料（也称为骨料）、水及在必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌、密实成型、养护硬化而成的一种人工石材。混凝土在工程方面的应用越来越多，尤其是在工业建筑和民用建筑中，混凝土结构不仅要承受静态荷载的作用，而且也会遇到多种动荷载的作用，如机场跑道承受飞机起降时对其的冲击荷载、港口堤坝及桥墩承受水流对其的冲击压力、公路路面承受汽车车轮对其的冲击荷载、铁路枕轨承受货车车轮对其的冲击荷载、高层建筑和高架桥梁承受风荷载对其的吹动作用，以及可能出现的偶然作用，如爆炸、地震等作用。由于动态荷载的破坏性较大，而且很难提前预知，因此，混凝土在动力荷载作用下的力学特性与静荷载下的特性具有较大差别。往往混凝土在动态荷载作用下表现出来的性能在一定条件下对结构的安全性设计和可靠性设计起着决定性作用。因此，研究在实际工程中动态作用下混凝土的受力性能至关重要。

2 混凝土单轴动态抗压特性试验

2.1 试验试件

混凝土采用小型搅拌机自行搅拌。水泥采用奎山P.O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为级配Ⅱ区中砂，粗骨料为碎石，石子最大粒径为20mm，搅拌水为普通自来水，减水剂为高性能聚羧酸减水剂。一般试件的高宽比应在2~3，本次试验的试件为70mm×70mm×200mm的棱柱体，在振动台上振捣密实，24h后拆模，在标养室内养护28d，然后在自然条件下养护。试验时，混凝土的龄期为90±10d。

2.2 试验设备

本次试验采用美国MTS液压伺服系统，为保证试验的顺利完成，对该系统进行了一定的刚性辅助改造。该加载系统可以通过设定运行时间、位移，对混凝土试件实行一定应变速率的加载（见图1）。该设备能够施加的最大压力为65t。

图1 加载设备

2.3 数据采集设备

本次试验利用Strainbook/616系统作为主要的数据采集设备，该设备的最大采样频率为1MHz，分辨率为16bit。设备自身有8个通道应变信号采集能力，可以将采集的信号经数字化转换后，送至主控制器进行存储和数据处理。

2.4 试验方案

本文对C40的混凝土分别在1×10-5/s～1×10-2/s四个应变速率下进行了混凝土动态抗压试验，观测混凝土在1×10-5/s～1×10-2/s范围内的抗压强度及变形特性，应变速率取1×10-5/s、1×10-4/s、1×10-3/s、1×10-2/s共4种，取1×10-5/s为准静态应变率。各标号混凝土在每种加载速率下至少试验3个试件，若在试验过程中发现试件的离散性较大，则增加试验的试件数目，以使得数据完整准确。

2.5 试验结果和分析

2.5.1 应变速率对抗压强度的影响

C40混凝土在不同应变速率下的抗压强度如表1所示。

表1 C40混凝土在不同应变速率下的抗压强度

分析表1可得，C40混凝土的强度随应变速率的增加有较明显的提高。以应变率速为1×10-5/s时的抗压的强度为混凝土的准静态抗压强度，C40混凝土在各应变速率下的强度分别增长了6.3%、10.8%、11.53%。

2.5.2 应变速率对抗压弹性模量的影响

弹性模量是表征混凝土刚度的技术参数，是研究混凝土结构在不同荷载作用下变形特性必不可少的基础参数。C40混凝土在不同应变速率下的弹性模量如表2所示。

表2 C40混凝土在不同应变速率下的弹性模量

由表2可知，混凝土的弹性模量随应变速率的增加均有增长的趋势。C40混凝土的弹性模量随着应变速率的提高，增长幅度较小，在应变速率为1×10-4/s、1×10-3/s、1×10-2/s时，弹性模量分别增长了6.6%、13.1%、22.2%。

2.5.3 应变速率对泊松比的影响

对于泊松比随应变速率的变化规律，国内外学者的研究结论差别明显，甚至相互矛盾。通过对本课题的混凝土单轴动态抗压试验结果的系统分析，统计计算得出混凝土在不同荷载速率的动态荷载作用下的抗压泊松比如表3所示。

表3 C40混凝土在不同应变速率下的泊松比

由表3可知，混凝土在不同应变速率下的泊松比数值离散性变化较大，最大值为0.28，最小值为0.18，泊松比的平均值介于0.186～0.28之间，泊松比与动态荷载的应变速率间不存在明显的相关性规律，即混凝土受压时的泊松比不会随应变速率的增加或减少而明显变化。这与肖诗云、陈婷婷等人的研究成果相似。因此在混凝土结构设计中，建议仍然采用GB 50010—2002规定的推荐值0.2。

3 结论

（1）混凝土抗压强度均随着应变速率的增大而提高，相对于应变速率为1×10-5/s时的抗压的强度（准静态抗压强度），当动态荷载的应变速率分别为1×10-4/s，1×10-3/s及1×10-2/s时，C40混凝土的强度分别增加了6.3%、10.8%、11.53%。

（2）混凝土单轴动态抗压时的弹性模量会随着应变速率的增大而提高，相对于应变速率为1×10-5/s时的弹性模量，当动态荷载的应变速率分别为1×10-4/s，1×10-3/s及1×10-2/s时，C40混凝土弹性模量分别增长了6.6%、13.1%、22.2%。

（3）混凝土在不同应变速率下的泊松比数值离散性很大，最大值为0.28，最小值为0.18，泊松比的平均值介于0.18～0.28之间。泊松比与动态荷载的应变速率之间不存在明显的相关性，即混凝土受压时的泊松比不会随应变速率的增加或减少而明显变化。

[1] 孙吉书，窦远明，周戟，等.应变速率对混凝土抗压特性影响的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2011（5）：1-3.

[2]A·M·内维尔.混凝土的性能[M].北京：中国建筑工业出版社，1983.

[3] 尚仁杰.混凝土动态本构行为研究[D].大连：大连理工大学，1994．

[4] 肖诗云.混凝土率型本构模型及其在拱坝动力分析中的应用[D].大连：大连理工大学，2002.

[5] 尚仁杰，赵国藩，黄承逵.低周循环荷载作用下混凝土轴向拉伸全曲线的试验研究[J].水利学报，1996（7）：82-87.

[6] 符芳.土木工程材料[M].南京：东南大学出版社，2006.

[7] 张学峰，夏源明.中应变率材料试验机的研制[J].试验力学，2001（3）：13-18.

[8] 胡庆贤.落锤试验的讨论[J].火炸药学报，1998（2）：33-35.

[9] 商霖，宁建国.强冲击荷载下混凝土动态本构关系[J].工程力学，2005，22（2）：116-120.

[10] Bischoff P H,Pery S H.Compressive behavior of concrete at high strain rates[J].Materials and Srtuctures,1991(24):425-450.