强度等级对混凝土动态抗压特性的影响分析

王 涛

（石家庄市西柏坡高速公路管理处，河北 石家庄 050000）

0 引言

混凝土是一种由骨料、水泥、砂子、水以及外加剂经均匀搅拌而成的一种混合料，混凝土在现代结构工程中应用非常广泛，几乎涵盖土木工程的全部领域。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很大的差别，如何明确混凝土在动态荷载作用下的力学特性，以保证其在结构工程使用中的安全性，需要深入研究。因此，研究动态作用下混凝土在实际工程中的受力性能至关重要[1]。

1 混凝土单轴动态抗压特性试验

1.1 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为2～3，本试验采用的试件为70mm×70mm×200mm的棱柱体，是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]。

1.2 试验设备

本试验采用美国MTS液压伺服系统并对其进行了一定的刚性辅助改造，以保证试验顺利完成。此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。该设备能够施加的最大压力为65t[3]。

1.3 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来采集试验数据。该设备的最大采样频率为1MHz，分辨率为16bit。设备自身带有8个通道应变信号采集能力，可以将采集的信号经过数字化转换后送交主控制器进行存储和数据处理[4]。

1.4 试验方案

本试验主要研究1×10-2/s应变速率下C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的动态抗压强度及变形特性，取C30下的抗压强度及变形特性数值为参考量。各标号混凝土在加载速率1×10-2/s下至少试验3个试件，因此共需要至少18个70mm×70mm×200mm的棱柱体试件。若试验过程中发现试件的离散性较大，则增加试件数量，以保证数据的完整和准确[5]。

1.5 试验过程

试验之前试件的处理、设备的安装、调试工作等都是决定试验成功与否的关键因素。必须选择表面没有出现裂纹的试件，防止由于试件本身的强度降低引起试验的误差。另外，要选择底面和顶面都光滑的试件，防止出现偏心和套箍现象。找出应变片的粘贴平面，对试件进行打磨、清洗。在处理的试件面上中心位置涂上一层AB胶水，水平方向贴上30mm×5mm的应变片，垂直方向贴上100mm×5mm的应变片。在试验过程中，调整蝶形弹簧，使弹簧轻轻顶住，预加10kN的力，看是否有变化，并观察两队应变片的变化是否满足要求，如果不满足则继续调整，直到满足条件为止。待试件位置调整完毕，卸掉预加荷载，以设定的加载速率正式加载。采样的频率依加载速率而定，加载至试件破坏后，拆除试件，记录数据文件。

2 试验结果分析

2.1 各强度等级混凝土的抗压强度

不同应变速率下的混凝土抗压强度试验结果见表1、表2和图1。

表1 应变速率为1×10-5/s时混凝土的抗压强度（单位：MPa）

表2 应变速率为1×10-2/s时混凝土的抗压强度（单位：MPa）

图1 不同应变速率下混凝土的抗压强度

分析图1可得，应变速率为1×10-5/s时混凝土的抗压强度作为准静态抗压强度，C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的动态抗压强度在应变速率增至1×10-2/s时均有较为明显的提高，但是增大的幅度没有一定的规律。应变速率为1×10-5/s时混凝土的抗压强度为准静态抗压强度，在应变速率为1×10-2/s时相对于1×10-5/s应变速率下，各等级混凝土的抗压强度分别增加了35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。通过以上分析，可以得到初步结论：不同等级混凝土的极限抗压强度在应变速率为1×10-2/s时增大幅度并不一样，具有一定的离散型，随着混凝土等级的提高，在高应变速率下混凝土抗压强度的增长比例有降低的趋势。

2.2 各强度等级混凝土的抗压峰值应变

各强度等级混凝土的抗压峰值应变试验结果见表3、表4。

表3 应变速率为1×10-5/s时混凝土的抗压峰值应变με

表4 应变速率为1×10-2/s时混凝土的抗压峰值应变με

混凝土的抗压峰值应变为混凝土的抗压应力应变曲线上，混凝土受到最大应力时对应的最大应变。从表3、表4可以看出，荷载的应变速率会对不同等级混凝土的抗压峰值应变产生一定的影响。一些学者（肖诗云、Dilger和Hughes）认为混凝土的极限压应变随着应变速率的增加而降低[6]。而另外一些研究人员（闫东明、Watstein、Takeda和Ahmad）则认为混凝土的极限压应变随着应变速率的增加而增加[7]。以应变速率1×10-5/s下的抗压峰值应变为准静态抗压峰值应变，在应变速率1×10-2/s下，各等级混凝土的抗压峰值应变几乎没有什么变化，而C45之后抗压峰值随着混凝土等级的提高有略微的降低，但很不明显。这与前者的研究有很大不同。

2.3 各强度等级混凝土的抗压弹性模量

各强度等级混凝土的抗压弹性模量试验结果见表5、表6和图2。

表5 应变速率为1×10-5/s时混凝土的弹性模量（单位：1×10³MPa）

表6 应变速率1×10-2/s时混凝土的弹性模量（单位：1×10³MPa）

图2 不同应变速率下混凝土弹性模量比较

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的变形特性必不可少的基础参数[8-9]。从表5、表6和图2可以看出，1×10-5/s下的弹性模量为准静态弹性模量，在应变速率为1×10-2s时，六种不同强度等级的混凝土其弹性模量相较于应变速率为1×10-5/s时都有相应的提高，且C30、C35、C40、C45、C50、C55提高的幅度在不断变大。根据图表中的数据详细计算可得，C30～C55混凝土弹性模量的增长幅度分别为：22.83%、19.21%、23.41%、21.22%、23.70%、22.22%。各级强度混凝土弹性模量在高应变速率（1×10-2s）下增加的幅度都在20%左右。

3 结论

（1）六种强度等级的混凝土其抗压强度均随着应变速率的增大而提高，以应变速率为1×10-5/s时的抗压强度作为准静态抗压强度，在应变速率为1×10-2/s时， C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土抗压强度依次增加35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。

（2） 在应变速率为 1×10-2/s时，C30、C35、C40混凝土的抗压峰值应变几乎没有变化，而C45、C50、C55混凝土的抗压峰值随着混凝土等级的提高有略微的降低。

（3）在应变速率为1×10-2s时，六种不同强度等级的混凝土其弹性模量相较于应变速率1×10-5/s下混凝土的弹性模量都有相应的提高，各级混凝土增加幅度比较稳定，C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的弹性模量增加幅度分别为：22.83%，19.21%，23.41%，，21.22%，23.70%，22.22%。各级混凝土弹性模量在高应变速率（1×10-2s）下增加的幅度都在20%左右。

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

[2] 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.

[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] 张学峰，夏源明.中应变率材料试验机的研制[J].试验力学，2001，（1）：13-18.

[5] 胡庆贤.落锤试验的讨论.火炸药学报[J].1998，21（2）：33-35.

[6] 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，2002.

[7] 闫东明.混凝土动态力学性能试验与理论研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[8] 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.

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