不同初始静载混凝土轴向拉伸试验研究

范向前， 胡少伟,， 陆 俊， 陈启勇

(1. 南京水利科学研究院，南京 210024； 2. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098； 3. 河海大学，南京 210098 )

不同初始静载混凝土轴向拉伸试验研究

范向前1,2， 胡少伟1,2,3， 陆 俊1,2， 陈启勇3

(1. 南京水利科学研究院，南京 210024； 2. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098； 3. 河海大学，南京 210098 )

为研究混凝土材料的动态性能，利用MTS-810NEW液压伺服试验机对尺寸为100 mm×100 mm×510 mm棱柱体混凝土材料试样进行了初始静态荷载为0～20 kN的动态轴向拉伸试验，研究了混凝土材料经历不同初始静态荷载后的动态拉伸破坏特征、应力应变关系和动态抗拉强度。结果表明：荷载值由静态过渡到动态荷载时，混凝土材料的动弹性模量发生较大变化，且随着初始静态荷载值的增加，混凝土材料动弹性模量有增大趋势；混凝土材料动态应力应变关系曲线中，峰值应力所对应的应变值与初始静态荷载值无关；随着初始静态荷载的增加，混凝土材料动态拉伸破坏断面面积逐渐增大，且粗骨料被拉断的数目随着初始静态荷载的增加而先增加，后趋于平稳；随着初始预加静态荷载值的增加，混凝土材料的动态轴向拉伸强度先增加，然后趋于稳定。

混凝土;初始静载;轴向拉伸;试验

尽管，在以往对混凝土材料动力性能的研究中，已取得了不少成果。但是，已有研究资料绝大多数是在无初始静载条件下进行的，而实际的混凝土结构，尤其是大型混凝土结构，在其工作过程中通常承担一定的初始静力荷载作用。邹笃建等[1]在10-5～10-2s-1应变率范围内研究了混凝土柱的轴心动态抗压试验，结果表明混凝土材料的抗压强度也随着应变速率的增加而逐渐增加，相对准静态抗压强度(应变率为10-5s-1)，当应变率为10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1时，混凝土的抗压强度分别增加了7.45%、19.51%和29.23%。刘传雄等[2]利用直径100 mm的SHPB装置对骨料尺寸为15～20 mm的混凝土试样进行了应变率范围30～180 s-1的动态压缩试验，结果表明：在动态压缩强度附近应力区，混凝土材料表面将首先出现一条沿混凝土轴向的可见宏观裂纹，而多条主裂纹的形成与扩展导致混凝土的最终破坏。范向前等[3]采用MTS动态试验机对棱柱体混凝土试件进行轴向拉伸试验，分析了7种不同应变速率条件下混凝土试件动态特性变化规律，结果表明混凝土动态轴拉强度、弹性模量和峰值应变均随着应变速率的增加而逐渐增大，且混凝土动态轴拉强度、弹性模量和峰值应变增长因子同动静态应变速率比值的对数呈线性增长关系。YON等[4]采用位移控制加载系统研究混凝土试件弯拉动态特性，研究结果表明，当应变速率为0.24 s-1时，相对于准静态情况，混凝土试件抗压强度、抗拉强度和抗拉弹性模量分别提高了41%、60%、110%。TEDESCO等[5]开展了应变速率从10-1～10-3s-1范围内混凝土试件的劈拉试验和单轴压缩试验，并给出了单轴压缩条件下混凝土试件的动态应力-应变关系曲线。

在混凝土动态抗压和拉伸试验研究的基础上，相关学者开展了荷载历史对混凝土静态强度特性的影响。逯静洲等[6-8]对立方体混凝土试件进行试验，首先让试件经历常规三轴受压荷载历史，然后测量其抗压、劈拉强度的劣化性能。结果表明，经历荷载历史后，混凝土的损伤程度有一定发展。徐浩等[9]采用万能试验机研究应变速率以及预加初始静态荷载对水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)动态抗压强度和变形特性的影响，结果表明，预加初始静态荷栽对CA砂浆的动态强度影响明显，随着初始荷栽的增加，CA砂浆的强度降低。在应变速率发生变化的位置，CA砂浆的切线模量发生改变。林皋等[10]用楔入劈拉试验对混凝土试块施加频率为10 Hz高频预加拉伸荷载，测出荷载-位移全过程曲线，通过与未承受加载历史的混凝土准静态断裂参数比较，发现当预加拉伸荷载值超过某一特定值后，混凝土的抗裂能力显著降低，从而认为混凝土的断裂参数不是独立于加载历史的物理量。BALLATORE等[11]对圆柱体试件先进行30 min～2 h不等的低幅度、频率1 Hz的预加动态循环荷载，然后量测其静态的抗压强度，发现强度增加10%～15%不等，变形能力减小86%或22%(降低程度依赖于混凝土的类型)。这些研究工作只考虑了荷载历史对混凝土静态强度和变形性能的影响，而没有涉及到混凝土在动态荷载下的力学性能。YAN等[12]开展了初始静态荷载对混凝土动态抗压性能的影响，结果表明随着初始预加荷载幅度的增加，混凝土的动态强度趋于降低，当应变速率发生改变时，混凝土的切线弹性模量也相应的发生变化。KAPLAN[13]在研究中考虑了初始静态荷载对混凝土动态抗压性能的影响作用，仅对混凝土试件的动态强度性能进行了初步考察，而有关初始静态荷载对混凝土动态抗拉特性的影响，研究资料比较欠缺。

实际上，混凝土结构大多是在承受一定的静态荷载的情况下而再遭受地震荷载的。在国内外的研究工作中，这一特点一直没有得到应有的重视。有必要对有初始静态荷载情况下混凝土的动态力学性能进行研究。

1 不同初始静载试验方案

试验采用100 mm×100 mm×510 mm的模具一次浇筑完成相同棱柱体混凝土试件共计5组30根。混凝土试件初始设计强度等级为60 MPa，由规格为P.II 52.5的水泥、粉煤灰、中砂、碎石、水及外加剂JM-8拌制而成。所有试验都采用南京水利科学研究院的MTS-810NEW液压伺服试验机。采用间距为250 mm的超大型号夹式引伸计放置在混凝土棱柱体试件中间，测试混凝土中间段的应力应变关系曲线，夹式引伸计测量范围为-2.5～+2.5 mm。试验过程中，为了保证轴向拉伸荷载不偏离试件的中心轴，将自主研发的转动连接件连接在试件两端预埋的钢筋上，如图1所示。

图1 试验加载装置Fig.1 Loading test equipment

考虑到混凝土结构在地震荷载作用下对应的应变速率为1×10-3～1×10-2s-1，因此，试验设计过程中，静态应变速率选择为1×10-4s-1，荷载达到设定静载值时，稳定15 s后，采用1×10-3s-1的应变速率加载至试件破坏。初始静载值设计有0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN共计5种情况，具体如图2所示。

鉴于动态轴向拉伸试验过程较短，难免存在有一定误差，为更加真实地反映试验结果，不同初始静载对应进行混凝土轴向拉伸试验每组设计6个，剔除偏离均值较大(±15%以外)的试验结果，且满足有效试验数据不少于3个。除试验结果为评判试验成功与否的标准外，试件最终断开位置也是评判试验成功的一个重要标准，断开位置偏离试件中点10 cm以上的试件，数据处理过程中，需要将其剔除。有效破坏试验结果如图3所示。

图2 不同初始静载轴拉试验加载图Fig.2 The dynamic axial tensile test programs on different initial static load of concrete

图3 试验有效破坏结果图Fig.3 Effective test results

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变关系曲线

试验测得不同初始静载(0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN)棱柱体混凝土动态轴向拉伸试件应力应变关系曲线如图4所示。

通过对图4不同初始静载混凝土轴拉试件应力应变关系变化曲线进行线性回归，表1给出了不同初始静载动态轴向拉伸下，混凝土棱柱体试件的初始弹性模量、动态弹性模量、峰值应力和峰值应力对应的应变值。

图4 不同初始静载混凝土轴拉试件应力应变曲线Fig.4 The axial tensile stress-strain curve on different initial static load of concrete

0kN5kN10kN15kN20kN初始荷载下应力应变曲线斜率0．08770．10460．17450．1411动态荷载下应力应变曲线斜率0．18990．15690．18230．23370．2161峰值应力/MPa3．43453．73963．76154．75183．8592峰值应力对应的应变值×10-632．806035．923533．697928．932524．0184

由图4和表1可知，初始静态荷载对混凝土动态轴向拉伸应力应变关系曲线斜率具有一定影响。对比无初始静态荷载状态下混凝土试件应力应变关系曲线图4(a)，经历初始静态荷载后，混凝土棱柱体试件动态拉伸应力应变曲线均发生不同程度的变化。在应变速率发生变化的位置，应力应变曲线的斜率表现出显著变化趋势，由表1结果可知，初始静载值为5 kN、10 kN、15 kN、20 kN时，其动态应力应变关系曲线斜率值相对于初始静态应力应变关系曲线斜率值，分别增加了0.069 2、0.077 7、0.059 2、0.075 0。

进一步分析图4可以发现，初始静态荷载较小时，混凝土动态应力应变曲线上，动态拉伸段混凝土动态荷载下应力应变曲线斜率值相对较小，初始静载5 kN、10 kN对应试验结果分别为0.156 9和0.182 3；当初始静态荷载较大时，施加动态荷载后，动态拉伸段混凝土动态荷载下应力应变曲线斜率值相对较大，初始静载15 kN和20 kN对应试验结果分别为0.233 7和0.216 1。在混凝土结构的动力计算中应该充分注意这一特点。

除初始静载为15 kN所对应的峰值应力较大外，其余情况下，混凝土动态轴向拉伸所对应的峰值应力差别不大。应力应变关系曲线中峰值应力所对应的应变值随着初始静态荷载值的增加先增大，然后逐渐减小，说明初始静态荷载不仅对轴向拉伸棱柱体混凝土试件的应力应变曲线斜率有一定影响，同时对混凝土试件开裂破坏时所对应的延性也存在有一定影响。

2.2 试验现象

如图5所示，由不同初始静载(0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN)棱柱体混凝土动态轴向拉伸试件破坏试验照片可知，初始静态荷载大小的不同，对混凝土棱柱体试件的断裂破坏现象具有一定影响。

图5 不同初始静载混凝土轴拉试件破坏截面图Fig.5 The axial tensile specimen damage photos on different initial static load of concrete

由图5可知，初始预加静态荷载值的不同，导致混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏结果有所不同。随着初始预加静态荷载值越大，混凝土动态拉伸破坏所经历的时间越长，破坏时裂缝扩展越充分，裂缝有充足时间沿着试件相对薄弱位置开裂扩展，因此，图5(a)～图5(e)中，初始预加静态荷载值越大，混凝土棱柱体试件动态破坏后，破坏断面面积就越大。另外，由于初始静态荷载仅增加了砂浆的损伤程度，对混凝土试件的骨料影响较小，因此，遭受初始静态荷载混凝土试件的动态破坏结果仍然由动态应变率来决定，从而图5中，相对于初始拟静载为0 kN的混凝土试件，经历初始静态荷载后，混凝土动态破坏时粗骨料被拉断的数量明显增加，当初始静态荷载增加到一定量值时，混凝土棱柱体试件动态破坏时，粗骨料被拉断的数量增加不再明显，如图5(c)～图5(e)。

2.3 轴拉强度

混凝土棱柱体试件轴向拉伸强度随试验设计5组不同初始静载变化曲线如图6所示。

图6 不同初始静载混凝土试件轴拉强度变化曲线Fig.6 The axial tensile strength curve on different initial static load of concrete

由图6可知，随着初始静态荷载值的逐渐增加，混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度先增加，后趋于平稳。这一现象说明，混凝土材料的动态抗拉强度，不仅与混凝土试件破坏时的动态荷载形式有关，还与动态荷载的作用历史有关。混凝土速率敏感性的产生与混凝土内部自由水的黏滞性以及混凝土破坏形式的改变有关[12,14]。在初始静态荷载作用下，随着荷载值的增加，混凝土内部微裂纹得到不断发展，相互连通裂缝的发展途径选择在该应变速率下的最为薄弱环节，当有较高应变速率施加到混凝土试件上时，由于速率的改变，在现有状态下裂缝的发展规律不一定沿原来(静态荷载下)所选的路径继续发展下去，而是重新选择当前的最薄弱路径进行发展，应变速率越高，微裂缝通过试件内部强度较高区域的可能性越大。这是因为加载速率提高后，穿越较高强度区域的途径较短，所消耗的总能量可能更少，宏观上表现为材料强度的提高。当初始静态荷载较大时，如图6中初始静态荷载超过10 kN时，随着荷载的逐渐增加，混凝土内部微裂纹可以得到充分发展，甚至可形成相互连通裂缝，因此，达到较大初始静态荷载后再进行动态拉伸试验时，混凝土动态破坏过程将延续初始静态荷载形成的连通裂缝，从而，混凝土棱柱体试件动态抗拉强度增加幅度逐渐减小，或趋于平稳。

初始预加静态荷载较小时，混凝土试件的破坏过程主要受动荷载的影响，静态荷载值越大作用时间越长，从而混凝土动态轴向拉伸强度值提高的幅度相对越大。当初始静态荷载较大时，微裂纹在混凝土内部已经得到充分的发展，当施加动态荷载作用时，裂缝穿过强度较高的区域较少，从而动态抗拉强度提高的幅度便不再继续增加。

3 结 论

(1)在加载过程中，当应变速率发生变化时，即由静态加载转化为动态加载时，混凝土的动弹性模量也相应的发生变化。初始静态荷载较大时，混凝土动弹性模量的变化规律应该引起足够重视。

(2)混凝土材料动态应力应变关系曲线中，初始静态荷载值对峰值应力所对应的应变值影响较小。

(3)混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏断面随着初始静态荷载的增加而逐渐增大，且粗骨料被拉断的数目越多，当初始静态荷载达到一定量值时，试件破坏时，被拉断的粗骨料数增加不再明显。

(4)预加初始静态荷载对混凝土的动态性能产生重要的影响，随着初始预加荷载幅度的增加，混凝土的动态轴向拉伸强度先增加，然后趋于平稳。

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Effects of initial static loads on the tensile strength of concrete

FAN Xiangqian1,2, HU Shaowei1,2,3, LU Jun1,2, CHEN Qiyong3

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024，China；2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210098，China；3. Hohai University, Nanjing 210098，China)

In order to investigate the dynamic uniaxial tension behavior of concrete material, dynamic tests on its specimens with the sizes of 100 mm×100 mm×510 mm were performed under initial static axial tensile load from 0 kN to 20 kN using the MTS-810NEW hydraulic servo testing machine. The dynamic tensile failure characteristics, the stress-strain relation and the dynamic tensile strength of concrete material under different initial static loads were studied. The results show that the dynamic elastic modulus of concrete material will have a big change when the load transits from quasi static state to dynamic state, and the dynamic elastic modulus of concrete material shows an increasing tendency with the increase of initial static load. The peak strain of concrete material is unrelated to the initial static load according to the dynamic stress-strain curves. With the increase of initial static load, the dynamically fractured sectional area of concrete specimen increases gradually, the number of fractured coarse aggregates first increases and then keep constant, and the dynamic axial tensile strength of concrete material first increases gradually and then keep constant.

concrete; initial static load; uniaxial tension; test

国家杰出青年科学基金(51325904)；国家自然科学基金(51409162; 51679150)；国家重大科研仪器研制项目(51527811)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20140081)；国家重点研发计划资助(2016YFC0401907)；水利部公益性行业专项经费项目(201501036)；南京水利科学研究院基金(Y415005)

2015-08-13 修改稿收到日期：2015-11-26

范向前 男，博士后，1982年生

胡少伟 男，博士，教授，博士生导师，1969年生

TV331;TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.013