循环加载下塑性混凝土的应力－应变曲线分析

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发布时间：2021-09-03

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循环加载下塑性混凝土的应力一应变曲线分析
璐璐。常芳芳。解伟。王雪奎
(1．华北水利水电大学土木与交通学院，郑州450011；2．黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州450003)
摘要：通过设置4组配合比浇筑圆柱体和棱柱体试件，进行了抗压强度和弹性模量试验。试验分析了应力一应变
曲线、预压段和未预压段以及循环段的应力一应变曲线的特点，比较了预压段与未预压段的应力一应变曲线。通过
对曲线斜率的分析，了解试件孔隙存在的微观性，明确预压时循环次数对应力一应变曲线的影响。试验结果表明：
塑性混凝土应力一应变曲线的上升段较普通混凝土有明显的不同，预压段的应力一应变曲线的斜率先增加后减小，
而未预压段的曲线斜率一直增加。同时，可以宏观地明白试件内部孔隙存在的微观性，得出预压次数对应力一应变
曲线的影响并不大。所得出的结论对塑性混凝土今后的科学研究与工程应用具有一定的借鉴。
关键词：塑性混凝土；循环加载；弹性模量；应力一应变曲线；峰值应力
中图分类号：TV331 文献标志码：A 文章编号：1001-5485(2015)10-0116-05
1 研究进展
普通混凝土具有抗压强度高、耐久性能好等诸
多优点，被广泛应用于建筑领域¨J，但是普通混凝
土的应力一应变曲线特征与土的应力一应变曲线特
征相差比较大，造成了普通混凝土使用的局限性。
在大坝围堰、除险加固及结构基础工程中，防渗
体与周围的土体紧密接触，为了避免墙体内出现拉
应力，并且为了使混凝土与周围土体的变形相近，减
小结构的破坏程度，延长结构的使用时间，就需要一
种低强度、低弹性模量、大应变和防渗性好的材料。
经过长时间的研究，人们发现用膨润土或黏土代替
普通混凝土中的部分水泥可以满足这样的要求，即
塑性混凝土。通过应力一应变曲线不仅可以得到混
凝土的抗压强度，还可以确定其弹性模量、峰值应
变、延性指数、破坏形态等力学特性。
我国对塑性混凝土的研究始于2O世纪80年
代 J，但大多侧重于工程实际应用，缺乏较系统的
理论研究，以往的塑性混凝土应力一应变曲线研
究主要针对的是未预压时的应力一应变曲线，而
对循环加载下的应力一应变曲线的研究并不是太
多，譬如王四巍等人研究了循环加载下塑性混凝
土的强度及变形特性。 ·
2 试验方案
2．1 试验原材料及塑性混凝土配合比
(1)水泥，采用河南孟电生产的P·O 32．5号普
通硅酸盐水泥，各项指标符合《通用硅酸水泥》
(GB175-2007)标准要求。
(2)细骨料为河砂，级配曲线位于Ⅱ区，属于中
砂，各项指标符合《建筑用砂》(GB／T14684-2001)
标准要求。
(3)粗骨料粒径5—25 mm的石灰岩碎石，级配
连续，各项指标符合《建筑用卵石、碎石》(GB／
T14685-2001)标准要求。
(4)水为自来水。
(5)膨润土选用四川乐山生产的钠质膨润土。
混凝土配合比见表1。
表1 塑性混凝土配合比
Table 1 M ix proportions of plastic concretes
2．2 试件的制作
主要开展圆柱体和棱柱体单轴抗压力学特性指
收稿日期：2014—10—09；修回日期：2014—12—09
基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(HKY—JBYW一2013—10)
作者简介：刘璐璐(1990-)，男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为工程结构设计与防减灾技术，(电话)15238302182(电子信箱)tiankongchumo@
163．corn。
第1O期刘璐璐等循环加载下塑性混凝土的应力一应变曲线分析 117
标试验，其中棱柱体试件尺寸为150 minx150 mm~
300 mm，圆柱体试件尺寸为 150 mm~300 mm，每
组配合比均浇筑6个棱柱体试件和6个圆柱体试
件。每组试件中3个圆柱体和3个棱柱体试件做轴
心抗压强度试验，另外3个圆柱体和3个棱柱体试
件做弹性模量试验。
事先准备好材料，试验开始时按照表1中的配
合比称取每种材料的量，拌合方式采用强制式搅拌
机拌合，在往搅拌机里倒料之前先用水预湿，然后依
次加入粗细骨料、水泥、膨润土开始搅拌，搅拌的过
程中加水，2 min之后出料，同时在搅拌的过程中另
外的试验人员对试模刷脱模剂。试件成型静置48 h
后拆模，并移至标准养护室养护，养护至28 d龄期
后按照《水工混凝土试验规程》进行抗压强度和
弹性模量试验。
2．3 试验设备与过程
试验采用全标距法开展，采用微机控制的
CMT5105电子万能试验机，力的加载用位移进行控
制，做轴心抗压强度试验时加载速度为1 mm／min，
做弹性模量试验时加载速度为0．2 ram／rain。
由于膨润土的加入，拌合出的塑性混凝土较粘，
这难免会给试件的浇筑带来影响，尽管在浇筑的时
候对混凝土进行了振捣，但混凝土之间仍存留些气
泡。为了消除试件内部的孔隙，试验采用预压和不
预压2种方案，预压的最大值为0．4倍的峰值荷载，
预压段共循环2次。轴向荷载、试件的变形位移均
由仪器自动采集，然后计算机根据采集到的数据自
动绘制应力一应变曲线。
3 试验结果分析
3．1 基本的试验结果
每组配合比下试件结果的处理方法：以3个试
件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度
值。当3个测定值中的最大或最小值有一个与中间
值的差值超出中间值的15％时，则把最大及最小值
一并舍去，取中间值作为该组试件的试验值 J。
对于弹性模量的计算，现有规范及研究成果尚
无统一规定取值方法 J，大多数的研究主要是根据
． D 一D ，
《水工混凝土试验规程》中的公式E= — ×
^
，
— 来计算的。式中：E为试件的弹性模量(MPa)；
△ L
P 为峰值应力的40％(N)；p。取应力为0．5 MPa时的
荷载值(N)；A为试件的承压面积(mm )；AL为试
件从P。增加到p 时的纵向累计变形值(mm)；L为
试件的变形测量标距(ram)。
由于本试验混凝土的强度不高，若采用上述的
公式来计算弹性模量，P 和P 的取值间的距离太近
甚至会出现负值，这样计算出来的弹性模量没有代
表性也不符合实际，那么就需要一种新的取值方法
来计算弹性模量。
初始弹性模量的取值应为原点处的切线斜率，
但塑性混凝土的应力一应变曲线与普通混凝土的应
力一应变曲线不同，它有一个初始加载段，原点处的
斜率接近于O，则用原点处的斜率来计算初始弹性
模量不太合适。
本试验试件的弹性模量和初始弹性模量按照宋
力等提出的方法计算：P 为极限破坏荷载的
90％；P 为试件的初始荷载，根据其切线斜率的变
化，取极限破坏荷载的40％；初始弹性模量E初主要
针对未预压构件，其中P：为极限破坏荷载的4．7％，
对应的应变约为峰值应变的15％，P 为极限破坏荷
载的2．5％。试件的基本试验结果见表2。
表2 试件的基本试验结果
Table 2 Basic test results 0f specimens
3．2 循环加载下的应力一应变曲线
图1为塑性混凝土循环加载下的应力一应变曲
线。试验表明，塑性混凝土的循环加载下的应力一
应变曲线的形态与单调加载下的应力一应变曲线形
态基本一致。再者与普通混凝土相比，从曲线的走
势看塑性混凝土的应力一应变曲线出现了初始加载
段、反弯点和拐点，从曲线的数值上看塑性混凝土的
峰值应力减小，峰值应变增大，上升段斜率减小，进
而导致塑性}昆凝土的弹性模量比普通混凝土有所减
小。造成这种现象主要是因为混凝土中部分的水泥
被膨润土代替，致使塑性混凝土既要表现水泥影响
强度的特性同时也要表现膨润土影响变形的特性，
这样塑性混凝土的强度就会因水泥量的减少而降
低，变形因膨润土的加入而明显变大，进而导致弹性
模量的减小。
塑性混凝土应力一应变曲线基本上可以分5个
阶段(见图2)：OA，AB，BC，CD和循环段0 o。OA，
AB，BC，CD段曲线的特征，宋力等已作了详细的
描述。曲线在达到峰值应力之前试件表面无肉