掺复合微粉混凝土动态抗压特性试验研究

张定博 杨 璐

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

混凝土结构在使用过程中都不可避免的受到动态荷载作用[1]，混凝土的动态特性研究是十分必要的。近些年来，国内外学者开始了对混凝土动态力学性能的研究，取得了许多丰富的成果[2-8]。

实际的建筑工程中，粉煤灰与硅灰是常见的矿物掺合料。硅灰中具有大量不定形二氧化硅，粒径极小，具有极强的胶结力，适用于混凝土行业[9]。粉煤灰作为掺合料以代替部分水泥配制混凝土，可以节约水泥和细骨料，并且粉煤灰可以降低混凝土的水化热[10]，改善混凝土性能。其次，在实际工程中，许多混凝土结构都经历过历史荷载[11]。所以在研究混凝土动态特性的过程中，历史荷载也是非常重要的研究因素。

本实验在考虑历史荷载作用的影响因素下，研究了掺复合微粉混凝土的动态抗压特性，并设置了普通组作为对比，具有一定的实际工程意义。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件。水泥为P.O42.5级硅酸盐水泥；粉煤灰为一级粉煤灰；硅灰采购于四川朗天专业硅灰生产厂；细骨料为中砂，系数模度为2.46；粗骨料取粒径为5 mm～20 mm连续级配石子；减水剂为HSN引气高效减水剂；水为自来水。试件放置于水池中养护28 d后自然养护。为保证试验数据的准确性，每组准备三个试件。混凝土配合比详见表1。

表1 混凝土配合比

1.2 试验设备及加载方式

试验采用STH系列微机控制电伺服万能试验机进行加载；采用的应变速率为10-5/s,5×10-5/s,10-4/s,5×10-4/s,10-3/s，取10-5/s为准静态应变速率。历史荷载分别取两种混凝土各自静态抗压强度的0%，40%，60%，75%和85%。加载时，先按10-5/s的应变速率加载至所需要的历史荷载值，然后卸载至0，重复三次。随后在相同的加载方向，以待测的应变速率施加荷载直至混凝土试件破坏。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土动态抗压强度

两种混凝土在经过历史荷载后在不同应变速率下的单轴抗压强度如表2，表3，图1，图2所示。

表2 掺复合微粉混凝土动态抗压强度 MPa

表3 普通组混凝土动态抗压强度 MPa

由表2，表3可以看出，两类混凝土的动态抗压强度均随着应变速率的提升而提高，均随着历史荷载的增加而降低。

根据图1两种混凝土轴向应力增长率对比图可以看出：掺复合微粉混凝土在同样应变速率下，其强度增加的幅度大于普通混凝土。研究认为，混凝土的破坏是由于混凝土内部微裂缝扩展引起的，而随着应变速率的增加，混凝土内部微裂缝来不及充分扩展而导致混凝土内部骨料受力发生破坏，因此混凝土的极限抗压强度显著提高。而掺复合微粉混凝土由于粉煤灰和硅灰的形态效应和微骨料效应，使得混凝土微结构更为致密；其次，粉煤灰和硅灰的活性效应使其中活性成分在碱性环境情况下发生水化反应，与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，增加了胶凝体系的粘聚性能，使得混凝土的孔结构和界面过渡区得到良好改善。所以，在同样的应变速率下，掺复合微粉混凝土具有更好动态抗压能力。

根据图2可以看出，掺复合微粉混凝土由于其内部条件更为致密和优化，在相同的历史荷载下内部损伤较小，动态抗压强度降低幅度比普通混凝土更小。

2.2 混凝土临界应变

混凝土达到峰值应力时所对应的应变为临界应变。在不同应变速率和历史荷载下两种混凝土的峰值应变如表4，表5，图3,图4所示。

表4 掺复合微粉混凝土的峰值应变 μεc

表5 普通混凝土的峰值应变 μεc

由表4，表5可以看出，随着应变速率和历史荷载的增加，两种混凝土的峰值应变均减小。原因是：根据最小耗能原理[12]，系统发生破坏时，裂纹会选择消耗能量较小的方式扩展，即直接穿过骨料产生破坏而非绕过骨料扩展和压缩闭合，最终呈现峰值应变较小。

由图3，图4可以看出掺复合微粉混凝土的峰值应变减小的幅度比普通混凝土更小，原因是硅灰和粉煤灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，加强了混凝土的内部粘聚性；并且粉煤灰水化放热量很少，减少了水化放热量，明显减少温度裂缝，使得混凝土内部结构更为完整与密实。所以在同样的应变速率和历史荷载条件下，掺复合微粉混凝土具有更好的变形特性。

同时也可以看出，随着历史荷载的增加，混凝土峰值应变降低的幅度远大于受应变速率影响而降低的幅度。说明历史荷载所造成的混凝土内部损伤缺陷对混凝土的变形特性影响更大。

2.3 混凝土弹性模量

弹性模量是反映混凝土应力应变关系的一项重要参数。本实验取混凝土极限抗压强度的50%处的割线模量作为混凝土的弹性模量进行研究。两种混凝土在不同应变速率和历史条件下的混凝土弹性模量如表6，表7所示。

表6 掺复合微粉混凝土的弹性模量 104 MPa

表7 普通混凝土的弹性模量 104 MPa

根据表6,表7以及图5可以看出，随着应变速率的增加，两种混凝土的弹性模量均显出了增长趋势。相比之下，普通混凝土的弹性模量增长率要低于掺复合微粉混凝土。这说明复合微粉的掺入对混凝土动态抗压弹性模量有着很大的影响。同时，当应变速率一定时，随着历史荷载的增加，两种混凝土的弹性模量均随之减小，原因是经过了历史荷载的作用，两种混凝土内部都产生了一定程度的损伤，从而出现了强度劣化的现象。在相同的情况下，掺复合微粉混凝土内部损伤较普通混凝土更小，弹性模量损伤率更小。

3 结语

1)混凝土的动态抗压强度随着应变速率的提高而增大；掺复合微粉混凝土由于其内部结构的优越性，在相同的应变速率和历史荷载条件下，其动态抗压强度优于普通混凝土。

2)混凝土的临界应变随着应变速率和历史荷载的增加而减小；在相同的应变速率和历史荷载条件下，掺复合微粉混凝土的峰值应变减小的幅度比普通混凝土更小，具有更好的变形特性。

3)混凝土的弹性模量都随着应变速率的增加而逐渐增大；随着历史荷载的增加，混凝土内部出现了损伤，混凝土出现强度劣化，两种混凝土的弹性模量都逐渐减小；经过对比掺复合微粉混凝土弹性模量损失率更小。