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循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性 * 王四巍 1, 2 高丹盈 1 刘汉东 2 1. 郑州大学, 郑州 450002; 2. 华北水利水电学院, 郑州 450011 摘 要 通过塑性混凝土在单调和循环加卸载下的试验, 对不同加卸载作用下塑性混凝土的强度和变形 性能进行研究。结果表明, 经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低, 变化幅度均在 10 以内; 当循环加卸载最大荷载为单轴强度的 60 时, 塑性混凝土峰值应力大于其余循环水平下的峰值应 力。塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与卸载曲线不重合, 卸载曲线总是滞后于加载曲线, 加载曲线 和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。滞回环面积的大小与循环加载最大荷载密切相关, 与循环加卸载的次 数无关, 随着循环加卸载最大荷载的增大, 滞回环面积相应增大, 但滞回环的斜率保持不变, 即变形模量保持不 变。循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变, 单调直接加载峰值应变大于循环加卸载作用后峰值应变。 关键词 循环加卸载; 塑性混凝土; 应力- 应变; 强度; 变形 STUDY ON STRENGTH AND DEATION OF PLASTIC CONCRETE UNDER CYCLIC LOADING AND UNLOADING Wang Siwei1, 2 Gao Danying1 LiuHandong2 11Zhengzhou University, Zhengzhou 45002, China; 21North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011, China Abstract Strength and deation were studied on plastic concrete in different loading ways through direct and cyclic loading and unloading testing. Conclusions have been drawn Peak strength reduces generally through cyclic loading, and the degree of change is lessthan10 , andthe peak strength of cyclic loading and unloading of the maximum value of 60 uniaxial one is more than the others, stress -strain in loading condition does not con with that in unloading. The area between curve of loading andone of unloading does not change with times of cyclic loading, and increaseswith increment of the maximum cyclic loading. The slope of the curve of loading is about the same as the one of unloading. The strain of peak strength increase through cyclic loading. Keywords cyclic loading and unloading; plastic concrete; stress -strain; strength; deation * 河南省教育厅自然科学基金支持。 第一作者 王四巍, 男, 1978 年生, 博士研究生。 E- mail wsw ncwu. edu. cn 收稿日期 2008- 10- 07 由水泥、 水、 黏土、 膨润土、 石子和砂子等原材料 经搅拌、 浇筑与凝结形成的塑性混凝土是一种介于 土与普通混凝土之间的柔性工程材料。塑性混凝土 因其成本低, 且具有较高的强度、 较好的抗渗性能和 较低的弹性模量以及适应较大的变形而不开裂等优 点, 已在坝体、 堤防和基础防渗中得到了广泛应用。 到目前为止,塑性混凝土在单轴、 三轴荷载作用下的 性能研究已有进展 [ 1- 5] , 但塑性混凝土防渗墙经受地 震荷载、 水位变化等变化荷载的反复作用, 都可看作 为循环加卸载的过程, 其在循环加卸载作用下的强度 和变形性能的研究很少。研究塑性混凝土材料在循 环加卸载下的强度和变形性能, 对于分析抗震的安全 性及墙体的非线性全过程是必要的。本文参考岩土 材料在循环加卸载作用下的有关成果 [ 6- 12] , 在塑性混 凝土单轴试验的基础上, 进行了塑性混凝土的 4水平 循环加卸载试验, 研究在不同加卸载作用下的塑性混 凝土强度和变形性能。 1 试验材料及试验方法 塑性混凝土制作时, 采用郑州市龙岗水泥厂生 产的强度等级为 4215 的袋装普通硅酸盐水泥; 黏土 由三门峡窄口水库附近就地取材, 经磨细、 过筛加工 后以干粉形式掺入; 砂子为河砂; 粗骨料为 5 20 mm 连续级配的碎石; 膨润土为信阳市广润膨润土 有限公司生产的钠基膨润土; 外加剂选用河南建苑 92 Industrial Construction Vol139, No 15, 2009工业建筑 2009 年第 39 卷第 5期 混凝土外加剂有限公司生产的建 4减水剂。根据试 验目的, 共配置了 3 种配合比的塑性混凝土 见表 1 , 每个配合比分别制作 15 个 150 mm 150 mm 150 mm 塑性混凝土立方体试块。试验中测试湿密 度, 检查与配合设计的密度基本一致。塑性混凝土 立方体试块成型后在温度为 20 5 e 的室内静置 24 h 后拆模, 然后立即放入标准养护室中养护。养 护室采用 FHBS- 60 型全自动控温、 控湿设备进行 温湿控制, 温度为 20 e , 相对湿度为 95。试块养 护28 d 后开始试验。 试验在3 000 kN 数显压力试验机上进行, 加荷 速度为0105 MPaP s。对于每个塑性混凝土配合比, 分别由 3 个 150 mm 150 mm 150 mm 试块测试出 各个配合比的塑性混凝土立方体抗压强度及不同压 应力下整个试件的变形。塑性混凝土配合比及 28 d 立方体抗压强度见表 1。 表 1 塑性混凝土配合比及 28 d 立方体抗压强度 Table 1 The mix of plastic concrete and 28 d compresive strength of the specimens 试验 编号 水 P kg 水泥 P kg 砂 P kg 石子 P kg 膨润土P kg 黏土P kg 减水剂P kg 抗压强度 P MPa 1300100770770601202 151 23201606806808018531204 173 33602406156151001754186 174 首先进行单轴试验, 研究 28 d 设计单轴强度为 215, 5, 7 MPa 的塑性混凝土的应力- 应变曲线。塑 性混凝土单轴应力- 应变关系曲线测试时, 试件的 荷载和竖向变形分别采用荷载传感器和电子位移计 量测, 并通过自动数据采集仪采集。为方便数据的 采集, 采用 01005 0101 MPaP s 的较小加荷速度, 变 形的测量标距取整个试件长度即 300 mm。试验时, 在试件的两端加盖板, 测定不同压应力下整个试件 的变形, 以此变形为基础计算应变, 绘出应力- 应变 关系曲线。 在单轴试验的基础上进行循环加卸载试验。此 类试验分两种类型 第一类试验每次加卸载循环时加 荷的最大值相同, 细分为三个水平, 分别为单轴强度 的40, 60 和80。三个水平下的循环加卸荷次数 相同, 均为 8 次。第二类循环加卸载从单轴强度的 40开始, 第二次循环为单轴的 50, 以后逐级递增 10直至破坏。试验的具体循环加载方案见表 2。 2 试验结果分析 211 单调加载的应力应变 塑性混凝土单轴应力应变曲线试验结果见图 1。试验表明, 单向受压下塑性混凝土应力应变曲线 表 2 不同强度的循环加卸试验方案 Table 2 Cyclic loaching 随着应变 的不断增加试件表面相继出现多条不连续的纵向裂 缝且大多沿斜向分布, 塑性混凝土承载力迅速下降, 其内的粗骨料和胶凝材料界面粘结裂缝及胶凝材料 内的裂缝不断延伸、 扩展和相连形成宏观裂缝 以斜 裂缝为主 ; 最终, 在正应力和剪应力的共同作用下 宏观裂缝沿最薄弱的面贯穿截面, 并随应变的增加 逐渐加宽, 荷载在摩阻力和残余粘结力作用下下降 趋缓, 试件即将坍塌时残余强度仍未完全丧失。试 93 循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性 王四巍, 等 件破坏形态大多呈剪切破坏, 打开破坏面可以看出, 塑性混凝土的破坏都发生在粗骨料与胶凝材料的粘 结面及胶凝材料内部, 粗骨料基本没有破坏。 图 1 单轴应力- 应变曲线 Fig. 1 Curves of uniaxial stress -strain 212 循环加卸载下的应力应变 试验表明, 与直接单轴压缩的峰值应力相比, 塑 性混凝土经循环加卸载后再进行单轴破坏试验得到 的峰值压力一般均有所降低, 其降低幅度均在 10 以内。但是, 不同循环水平的加卸载方式对塑性混 凝土峰值应力的影响程度是有区别的, 在第 2 水平 循环加卸载作用下峰值应力大于其余循环水平的峰 值应力, 见图 2。 图 2 不同循环水平下强度对比 Fig. 2 Comparison of strengths under different cyclic levels 循环加卸载后进行单轴破坏试验时的应力应变 曲线也存在比例极限、 峰值应力和峰值应变、 极限应 变、 反弯点以及上升段和下降段等特征, 见图 3 图6。 试验表明, 循环加卸载次数不影响整个应力应 变曲线的基本形状, 即把循环加卸载过程除掉, 应力 应变曲线能保持连续性, 不出现明显的弯点或拐点。 随着循环加卸载过程中最大荷载的增加, 对应第一 循环下塑性应变增大, 经过 8次循环后, 此时应变也 增大, 增大的幅度和循环次数无关, 与循环加卸载过 程的最大荷载有关, 随着最大荷载增加而有所增加。 在同一水平循环荷载下, 随着荷载的增加, 应变 的增加较为复杂。在第 1循环水平下 图 3 所示 , 强 度为4185MPa 的塑性混凝土在循环加卸载过程的应 图 3 第 1 水平循环作用下应力- 应变曲线 Fig. 3 Stress -strain curves under the first level of cycle 图 4 第 2 水平循环作用下应力- 应变曲线 Fig. 4 Stress -strain curves under the second level of cycle 图 5 第 3 水平循环作用下应力- 应变曲线 Fig. 5 Stress -strain curves under the third level of cycle 图 6 第 4 水平循环作用下应力- 应变曲线 Fig. 6 Stress -strain curves under the fourth llevel of cycle 变增加幅度最大; 在第 2水平下 图4 , 强度2155MPa 的塑性混凝土在循环加卸载过程的应变增加幅度最 大; 在第 3水平下 图 5 , 强度 6173 MPa 的塑性混凝 土在循环加卸载过程的应变增加幅度最大。 94 工业建筑 2009 年第 39 卷第 5期 循环加卸载影响塑性混凝土的峰值应变。直接 单轴加载的峰值应变为 01001, 而循环加卸载作用 后塑性混凝土的峰值应变在 01001 01002 之间, 有 所增加。随着循环加卸载最大荷载的增加, 峰值应 变在一定程度上有所增加。但是, 如循环加卸载的 最大荷载与峰值应力较接近时, 相应循环加卸载的 最大值小于峰值应力下应变可能增加。随着峰值应 力的增加, 相应循环水平下峰值应变增加较少。 在循环加卸载过程中, 随着每次最大荷载的增 加, 塑性混凝土加卸载曲线包线连成的连续曲线见 图6。结果表明, 塑性混凝土在循环荷载作用下的 加载曲线与卸载曲线不重合, 卸载曲线总是滞后于 加载曲线, 加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性 滞回环, 即塑性混凝土加卸载的路径不能完全重合, 应力与应变之间不存在一一对应的关系。滞回环面 积的大小与循环加载最大荷载密切相关, 与循环加 卸载的次数无关; 随着循环加卸载最大荷载的增大, 滞回环面积相应增大; 但滞回环的斜率保持不变, 即 变形模量保持不变。 4 结 论 1 单向受压下塑性混凝土应力应变曲线的形状 与普通混凝土类似, 也存在比例极限、 峰值应力和峰 值应变、 极限应变、 反弯点以及上升段和下降段等特 征, 只是峰值应力很小、 应变偏大, 应力应变曲线下 降段更加饱满。 2 一般而言, 经过循环加载后强度峰值和单轴 直接加载相比有所降低, 但变化幅度均在 10 以 内。在第 2 水平循环加卸载作用下, 即循环加卸载 最大荷载为单轴强度 60 时, 应力峰值大于其余循 环水平下的应力峰值。 3 塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与 卸载曲线不重合, 卸载曲线总是滞后于加载曲线, 加 载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环, 即塑 性混凝土加卸载的路径不能完全重合, 应力与应变 之间不存在一一对应的关系。滞回环面积的大小与 循环加载最大荷载密切相关, 与循环加卸载的次数 无关。随着循环加卸载最大荷载的增大, 滞回环面 积相应增大; 但滞回环的斜率保持不变, 即变形模量 保持不变。 4 循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变, 直 接单轴加载极限强度对应的应变最小, 经过循环加 卸载作用后峰值应变有所增大, 随着单轴峰值应力 的增加, 相应循环水平下峰值应力对应的应变增加 减少。 参考文献 [1] 李清富, 张鹏, 张保雷. 塑性混凝土弹性模量的试验研究[ J] . 水力发电, 2005, 3 31 30- 32. 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