不同应变率下煤矸石混凝土受压破坏研究

孔 鹏

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)



不同应变率下煤矸石混凝土受压破坏研究

孔 鹏

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

通过静态与动态试验，从弹性模量及临界应变两方面，探讨了不同应变率下煤矸石混凝土的受压破坏规律，得出了一些结论，为类似问题的研究提供了依据。

煤矸石，混凝土，应变率，弹性模量

煤矸石作为废弃材料经常被丢弃在荒郊野外[1]，占用人类的耕地以及建筑面积，大量煤矸石存在造成人类家园的破坏，影响着人类的居住。本文将制备好的煤矸石混凝土进行受压破坏，得出煤矸石在不同应变率下受压破坏的特征。

1 试验准备

配置煤矸石混凝土使用的原材料与普通混凝土一样采用常见的原料，包括水泥，砂石以及硅灰和煤矸石，在实验过程中发现需要添加减水剂，硅灰的用量为水泥的2%，煤矸石占用石子质量分数的30%，按照普通C30混凝土的配方进行配置煤矸石混凝土。

2 试件制备

测试试件的尺寸为边长为100 mm的立方体试块，山西某地的硅酸盐水泥和河沙，以及粒径范围为5 mm～20 mm的煤矸石和天然石子放入容量为40 L的搅拌机中进行搅拌，大概2 min～3 min后将拌合物放入模具中进行定型[2]，室温下静待1 d后，放入养护池中进行养护，期间要不断进行加水，以保证养护过程中有充足的水，试验室养护用水和拌合水均采用城市自来水。

3 试件加载方式

目前地震发生频繁，为使材料更加有利于实际工程的应用，取其中准静态应变率为10-5/s，抗压试验的应变率设定为10-5/s，10-4/s，10-3/s，10-2/s四个范围。具体加载方式为直接通过电液压力机将试件加载至破坏状态，每个应变速率的试件个数为3[3]，若试验过程中，得到的数据具有较大的离散性时，应增加该组试件的数量，确保可以得到理想的数据结果。

3.1 静态试验

混凝土应力之间的关系以及混凝土的应力以及应变的对应关系可以通过混凝土的受压应力应变曲线进行观测以及数据说明。煤矸石混凝土的应力—应变曲线在初始受力阶段皆呈现线性关系，即此时的煤矸石混凝土表现为弹性阶段，随着加载压力的增加，曲线由直线转为曲线，不再是线性关系，而呈现非线性关系，而且应变速率的增加使得混凝土强度有一定程度的增加[4]，但是明显的临界应变却呈现相反的趋势。

3.2 动态试验

通过动态试验得出应变率的增加有利于混凝土的抗压极限强度，即煤矸石混凝土的抗压极限强度随着应变率的增加而增大，应变率从准静态应变率开始逐渐加大加载，基于这个应变率得到的数据，应变率递增，煤矸石混凝土的抗压强度相对应的提高了，具体提高数值为9.71%，15.09%，25.38%。究其原因，主要是由于混凝土内部的砂浆在受到破坏时，应变率大的使其砂浆内部的裂缝得不到充分的扩展，从而使得把混凝土内部强度较高的粗骨料当成试块破坏的主要原因，因而增加了煤矸石混凝土的抗压强度[5]。

根据相关文献得知，混凝土抗压强度的增加和应变率的关系如下：

(1)

根据式(1)以及本文通过试验得到的结论得出，煤矸石混凝土应变率和抗压强度之间的关系如下：

(2)

其中，εd为试验过程中的应变率；εs为10-5/s对应下的应变率(此处定义为准静态应变率)；fs为10-5/s对应下的混凝土的抗压强度；fd为εd对应下的煤矸石混凝土的抗压强度。通过理论计算，拟合的曲线与试验均值点线性相关性为0.991，与具体的试验数据点的线性相关性为0.953。

同样可以得出煤矸石混凝土动态抗压强度增加系数与应变率的对数呈直线线性关系，具有较好的吻合性，认为该公式对于本次煤矸石混凝土的基础数据有效。

3.3 混凝土弹性模量

本文中煤矸石混凝土的弹性模量[6]取为初始受力阶段应力应变曲线的初始线段的切线模量，根据试验数据得到，煤矸石混凝土的弹性模量和应变率的变化成正比，应变率的增加会增大煤矸石混凝土的弹性模量，递增的应变率下煤矸石混凝土的弹性模量相比于准静态应变率分别提高了3.2%，5.9%和9.7%。

3.4 混凝土临界应变

混凝土临界应变的数值取为应力—应变全曲线的峰值应力处的应变试验得到，随着应变率的增加，煤矸石混凝土的临界应变逐渐减少。究其原因，可以从混凝土峰值应变的组成出发，峰值应变由粘性应变和弹性应变组成，应变率不断增加，使得粘性应变逐渐减小，因此导致总应变下降，即临界应变减小。

根据相关文献，混凝土临界应变与应变率的关系如下：

(3)

从本文中的数据，可以得到煤矸石混凝土临界应变与应变率的关系如下：

(4)

煤矸石混凝土动态抗压强度增加系数[7]与应变率的对数呈直线线性关系，具有较好的吻合性，认为该公式对于本次煤矸石混凝土的基础数据有效。

将煤矸石混凝土在不同应变率下应力与相应峰值应力平均值作为横坐标，对应此应力下的损伤值为纵坐标得出不同应变率下煤矸石混凝土受压损伤变量与应力比之间的关系,根据实验结果得出的曲线呈现出相似的形状，有明显的三个阶段：第一阶段为未损伤阶段，在这个阶段内损伤的情况不是很严重，可以忽略不计，甚至不会出现任何损伤的特点；第二阶段为损伤稳定发展阶段[8]，此阶段的损伤情况开始严重，而且加载压力越大，损伤的情况越严重；第三阶段为损伤不稳定发展阶段，损伤在此阶段迅速发展，直至试件发生破坏，而且这个阶段的损伤增加没有任何的规律性，损伤的发展迅速。

通过对比分析，得到不同应变率下混凝土损伤应力槛值以及槛值和临界应变的比值数，得到应变率的增加使得槛值与最大应变的数值变化没有特别明显的变化，由于应变率增大，一方面阻碍煤矸石混凝土内部微裂缝的发展，同时也限制了煤矸石混凝土变形的发展，故其影响较小。

将煤矸石混凝土在不同应变率下煤矸石混凝土受压应变水平比作为横坐标，对应此应力下的损伤值为纵坐标得出的曲线呈现出相似的形状，跟之前的不同应变率下煤矸石混凝土受压损伤变量与应力比之间的关系图相类似，同样分为三个阶段：第一阶段为未损伤阶段，在这个阶段内损伤的情况不是很严重，可以忽略不计，甚至不会出现任何损伤的特点；第二阶段为损伤稳定发展阶段，此阶段的损伤情况开始严重，而且加载压力越大，损伤的情况越严重；第三阶段为损伤不稳定发展阶段，损伤在此阶段迅速发展，直至试件发生破坏，而且这个阶段的损伤增加没有任何的规律性，损伤的发展迅速。

4 结语

煤矸石混凝土具有较好的性能，通过不同应变率下对煤矸石混凝土的受压进行力学分析，得出煤矸石混凝土和普通混凝土基本一样，而且应变速率的增加使得混凝土强度有一定程度的增加，但是明显的临界应变却呈现相反的趋势；煤矸石混凝土动态抗压强度增加系数与应变率的对数呈直线线性关系，吻合度较高；煤矸石混凝土的弹性模量和应变率的变化成正比，应变率的增加会增大煤矸石混凝土的弹性模量；煤矸石混凝土的临界应变跟应变率的变化成反比，临界应变随着应变率的增加反而逐渐减小。

[1] 徐良骥,黄 璨,章如芹,等.煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征[J].农业工程学报,2014(5):211-219.

[2] 王长龙,乔春雨,王 爽,等.煤矸石与铁尾矿制备加气混凝土的试验研究[J].煤炭学报,2014(4):764-770.

[3] 郭彦霞,张圆圆,程芳琴.煤矸石综合利用的产业化及其展望[J].化工学报,2014(7):2443-2453.

[4] 王尚义,石 瑛,牛俊杰,等.煤矸石山不同植被恢复模式对土壤养分的影响——以山西省河东矿区1号煤矸石山为例[J].地理学报,2013(3):372-379.

[5] 王明立.煤矸石压缩试验的颗粒流模拟[J].岩石力学与工程学报,2013(7):1350-1357.

[6] 李永靖,邢 洋,张 旭,等.煤矸石骨料混凝土的耐久性试验研究[J].煤炭学报,2013(7):1215-1219.

[7] 王丽艳,韩有志,张成梁,等.不同植被恢复模式下煤矸石山复垦土壤性质及煤矸石风化物的变化特征[J].生态学报,2011(21):6429-6441.

[8] 崔增娣,孙恒虎.煤矸石凝石似膏体充填材料的制备及其性能[J].煤炭学报,2010(6):896-899.

The research on the coal gangue concrete under different strain rate compression damage

Kong Peng

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

According to the static and dynamic tests, the paper explores the compression damage of the coal gangue concrete under different strain rate from the elastic modulus and critical strain, and achieves some conclusion, so as to provide some reference for similar projects.

coal gangue, concrete, strain rate, elastic modulus

1009-6825(2016)22-0050-02

2016-05-20

孔 鹏(1983- )，男，工程师

TU501

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