室内配制混凝土单轴试验全应力-应变曲线试验研究

2014-09-05潘俊涛PANJuntao李争容LIZhengrong

价值工程 2014年12期

潘俊涛PAN Jun-tao；李争容LI Zheng-rong

（①昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093；②中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，昆明650051）

0 引言

混凝土是水、粗细骨料、水泥按照一定配合比例搅拌、凝固而成的混合料，经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料，其中干燥状态下变密度在2000kg/m3至2800kg/m3之间的混凝土属于普通混凝土。

混凝土单轴受压时的应力-应变曲线关系反映了混凝土的基本力学特性，是研究混凝土结构的强度和变形的主要依据之一。在测定混凝土应力-应变全过程曲线的实验中，试验机的刚度和性能对实验结果有很大的影响。在普通材料试验机上进行试验时，由于试验机的刚度低于试件的刚度，应力达到峰值应力时，试件中的裂纹在极短的时间内扩展和贯通，试验机储存的弹性能迅速释放，且释放的弹性能远超过试件破坏所需要的能量，试件突然断裂，因而在普通材料试验机上无法获得全应力-应变曲线峰值强度后下降部分的曲线[2]-[3]。

影响混凝土应力-应变全曲线测试结果的因素很多，不同研究者得到的测试结果差异很大，本文采用岩石伺服三轴压力试验机测定了室内配制混凝土的全应力-应变曲线。

1 试验设备和试验方法

1.1 试件准备和试验设备

试验样本（粗细骨料）取自云南某矿山支护工程所用材料，用42.5MPa的普通硅酸盐水泥，水:水泥:砂比为0.9:2:1。配制混凝土，室内人工搅拌、压实，装入15cm×15cm×15cm的钢模中，待48小时之后，脱模并放入混凝土标准养护箱中养护至28d，温度为20℃，相对湿度为99%，加工成高径比约为2，直径为50cm的圆柱形试件。

试验采用TAW-2000微机控制岩石伺服三轴压力试验机，该试验机具有国内目前最先进的岩石试验系统。利用此试验机可以实现单轴条件下对混凝土进行加载和卸载试验，得到混凝土的全应力-应变曲线，自动读取试件任意时刻的强度、应力、应变值，因此采用伺服试验机的测试方法较为简单，试验结果更为准确。

在实验中，系统标定是一个相当重要的环节。标定是采用标准的计量仪器对所使用仪器的精度进行检测是否符合标准。本文中试样在单轴压缩的条件下，采用50T载荷传感器、DH3840动态电阻应变仪、TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机共同组成的测试系统对应力进行标定。试验加载过程中，三轴试验机预加载的数据经电脑显示为载荷，载荷传感器传出的数据通过动态电阻应变仪放大经另一台电脑显示为通道读数（通道3），放大倍数为1000，最后所测得的数据即为需标定的数据。采集后的数据经线性回归后，如图1所示。

图1 50T荷载传感器荷载-机内读数标定

从图1中可以看出，标定曲线的线性关系值R=1.000，该曲线具有良好的线性关系。线性回归方程：y=0.051x-0.871，斜率为0.051，即标定常数。

方程式中，x—载荷传感器所接通道的机内读数；

y—表示试样在三轴试验机所承受的荷载，KN。

1.2 加载控制方式和加载速率

峰值强度前可采用载荷控制和应变控制两种方式，根据前人的研究结果，在峰值强度80%以前，采用哪种控制对试验结果影响都不大，在峰值强度80%以后用载荷控制时，试件会因试验机储存的弹性能过多且释放迅速而突然破坏，不能得到峰值强度后完整的应力-应变曲线。采用应变控制时试验所需时间较长，能够得到较完整的峰后曲线，为控制试验时间，试样p7在峰值强度80%前采用载荷控制方式，加载速率为500N/s，峰值强度80%后试验控制方式采用轴向应变速率0.005mm/min控制。试样p2直接采用0.005mm/min的加载速率，卸载采用载荷控制方式，载荷卸载至0.5KN时重新以应变0.005mm/min的速率加载，如此循环，直至试验结束（本文约定再加载应力低于2MPa时认为试验已经结束）。试样p1采用0.002mm/min的速率加载。

2 试验结果及分析

通过试验获得了普通混凝土的全应力-应变过程曲线，图2和图3是其中三个试样的全应力-应变过程曲线，试样p1进行了峰值前和峰值后加载和卸载的循环试验。图2和图3中试样应力接近峰值时，曲线均表现为强度随应变的增加而突然降低，这时，发现试件上有肉眼能识别出来的轴向裂缝，这是因为试件内有不连续的孔隙被压密闭合。试件开始出现垂直于加载方向的拉伸破坏，接着在平行于加载方向的压缩破坏和倾斜的剪切破坏，试件在破坏的时候往往不只是沿某一破坏面破坏，而是综合的破坏，即同时存在拉伸、压缩、剪切破坏，所以试件在碎裂的时候会出现许多的小块。

图2 试样p1的循环加卸载全应力-应变曲线

图3 试样p7、p2的循环加卸载全应力-应变曲线

从图2、3中从曲线中可以看出，试件在完全卸载后，曲线不会回到原点，即应力卸载到零的情况下应变也不会回到零，试件形成了残余变形，而且此变形随着循环加卸载次数的增多、加载应力的增大而增大。应力-应变曲线变得平缓，尤其是在应变3.0%以后，最终试件破碎，抗压强度趋近与0。峰值前后循环加卸载的曲线相似，都会出现塑性滞回环，且塑性滞回环随着应变的增加而变小变窄，最后趋近于一条直线，塑性滞回环中的卸载模量同样大于加载模量。这是因为混凝土试件在加卸载的过程中，外载荷的反复作用下裂纹不断增加和扩展，抗压能力逐渐减弱。混凝土应力-应变曲线表现出了比较明显的非线性，整体上来说曲线斜率随应力的增加而升高，且卸载斜率大于加载斜率，即卸载变形模量大于加载变形模量。

此外，峰值后的卸载点的应力和峰值应力差越小，重新加载的峰值后区特性曲线越接近初始变形曲线，峰后卸载点的应力和峰值应力差越大，峰后曲线的变化越明显，变得越平缓，重新加载曲线的趋近线斜率与初始变形曲线的趋近线斜率相差越大，表1中，试样p7第一次加载和最后一次加载的趋近线斜率相差达到1984.7MPa，试样p2第一次加载和最后一次加载的趋近线斜率相差达到3207.3MPa。

在图4、图5中，把加载应力应变曲线的趋近线近似的看做是这一段加载过程中曲线的切线，则趋近线斜率就是试样加载段的变形模量，图7就是加载过程中变形模量和峰值应力后的卸载应力之间的关系，呈线性关系，峰值应力（就是峰值强度）过后，随着变形的发展，加载应力随之降低，卸载和再加载模量也逐渐变小，这就是弹塑性耦合，即随着塑性变形的发展，岩石的弹性模量数值也发生改变（降低）。因为存在显著的非线性，因此，计算后来的变形模量时，取哪一段来计算，结果是不一样的。本文取上一卸载结束点至下一卸载段开始之间的加载段来计算变形模量。