循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究
黄仕超，彭刚。梁辉，田为
(1．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002；
2．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002)
摘要：为研究不同孔隙水压循环次数、不同加载速率下的混凝土的力学性能，对直径为300 mm，高度为600 mm
的混凝土试件进行0，10，50，100，200次循环孔隙水压的预处理(孔隙水压的上限为3 MPa，下限为1 MPa)，然后在
3 MPa的围压下进行4种应变速率(1O～，10～，10一，10I2／s)下的常三轴( = ≥ )抗压性能试验。结果表
明：随着应变速率的不断增加，混凝土的峰值应力增大，峰值应变整体上呈增大的趋势；随着循环孔隙水压次数的
不断增加，混凝土的峰值应力呈阶段性变化，100次之前呈增大趋势，100次之后呈减小趋势，峰值应变无明显规律
性变化，弹性模量呈减小趋势。
关键词：混凝土；循环孔隙水压力；峰值应力；应变速率；弹性模量
中图分类号：TV431 文献标志码：A 文章编号：1001-5485(2016)01—0134—05
1 研究背景
关于自然状态以及干态混凝土的力学性能的研
究已经取得了较为丰富的成果，而对于湿态混凝土
动态特性的研究还存在欠缺。随着研究的深入，
Butler(1981) l J将影响混凝土的孔隙水压力分成主
动孔隙水压力、被动孔隙水压力及中性孔隙水压力，
并阐明造成混凝土发生破裂的原因为主动孔隙水压
力使材料产生的拉应变；Rossi(1991) 考虑了混凝
土的孔隙、微裂纹、界面裂缝以及它们之间连通程度
的影响；Oshita等(2000) 通过试验研究，发现混凝
土的孔隙水压力最大值发生在屈服应变外，或者说
发生在平均应力最大值所对应的应变处；Yaman等
(2002) 研究了孔隙率及孔隙中含水量对混凝土
力学性能的影响。国内也有许多学者对水环境下的
混凝土进行了研究，如闫东明等(2005) 的直接拉
伸试验表明，当含水量从0．31％增至4．8％时，混凝土
的拟静态强度从2．21 MPa降低至1．30 MPa，降低幅
度为41．2％；王海龙等(2006) 认为混凝土中孔隙
水压力减小了阻碍混凝土开裂的摩阻力，相当于楔
体的“楔入”作用，加速了混凝土的损伤和微裂纹的
扩展，与干态混凝土相比，湿态混凝土的开裂应力和
抗压强度都有所降低。上述对水环境混凝土力学性
能的研究大多处于准静态下，而且关于这方面的研
究也不是很深入，本文详细分析循环孔隙水压力下
混凝土动态强度、变形、弹性模量等力学特性，得出
了一些可供借鉴的结论。
2 循环孔隙水压力下混凝土抗压性
能试验
2．1 试验设备
试验所用设备为10 MN大型多功能液压伺服
三轴仪。利用试验系统配置的围压桶对混凝土试件
进行加压处理，可加载的最大围压和最大孔隙水压
力值均为30 MPa。加载框架用于对试件进行轴向
加载，竖向最大动、静力加载值分别为5 000 kN和
10 000 kN。为了对试件的变形进行有效测量，围压
桶中还配备了由三峡大学自行设计的高压水环境内
试件变形测量装置。进行围压及孔隙水压试验时，
通过电脑系统全程控制，利用加压阀系统给围压桶
加水和加压。
2．2 试件制备
本试验所采用的试件为~300 mmX600 mm的标
准圆柱体混凝土试件。试件采用钢模进行浇筑，成
型后在室温下静置24 h后拆模并编号，按一定顺序
收稿日期：2014—08-囊金08；修回日期：2014—09—05
项目：国家自然科摹基金项目(51279092)；三峡大学研究生科研创新基金(CX2014010)；湖北省协同创新中心研究生自主探索基金；三峡
作者简介：作者简介：套黄仕茬薹超 ( 1基98 9 一)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为建筑与土木工程、混凝土材料动力特性及结构抗震，(电估话)J
13098407206(电子信箱)271613040@qq．com。
通讯作者：彭刚(1963__
，
。
，。酒南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)13972604433(电子信箱)
gpeng158@ 126．como
第1期黄仕超等循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究 135
整齐摆放，在自然条件下养护28 d。本文采用的是
宜昌花林水泥有限公司生产的强度等级为42．5的普
通硅酸盐水泥，采用饮用自来水进行搅拌。混凝土
配合比如表1所示。
(5)卸载及后续处理。试件破坏后，停止加载并
以恒定位移控制将围压桶下降到初始位置，对破坏后
的试件进行拍照处理并完成试件残渣的清理工作。
表’ 混凝土每立方米材料用量 3
T able 1 Materiai usage in concrete per cubic meter k g 混，F5 凝上土基岱本力／J丁学性I-LH能巳分／J’析I，I
2．3 试验步骤
(1)将混凝土试件置于围压桶上部平台上，擦
净围压桶内壁及橡胶圈并抹油以增加桶壁的润滑
性，防止桶盖与底座合拢时刮花内壁。吊装围压桶
就位后，将其箍紧，关闭出水阀，打开进水阀及2个
高压阀，围压桶上部排水管与大气压连通，往围压桶
中充水；待水充满后关闭围压桶上的排水口，打开电
脑及围压控制软件，连接EDC驱动程序，EDC2指向
围压，以围位移控制方式通过加压阀给试件施加围
压，待接近所设围压值时转换控制方式，以围压进行
控制，达到围压值3 MPa后，保持恒压5 h左右。
(2)采用“围压控制”方式控制孔隙水压力进
行上、下限加卸载。待围位移不再发生较大变化时，
以3 MPa／min的速率从上限值3 MPa开始卸载到
下限值1 MPa，保持30 min，再以3 MPa／min的速率
从下限值开始加载到上限值3 MPa。
(3)设定软件循环控制程序，不间断重复步
骤(2)中设置，直至完成试验预定的循环次数Ⅳ。
循环处理过程中，利用计算机中的控制软件进
行围压的加卸载控制，直至到达预定的循环次数Ⅳ，
循环控制界面。需要注
意的是，由于实验室的磊三
设备不具备测定混凝土 1 5 ．
内部的孔隙水压大小的
条件，本试验以混凝土
外围水压稳定后的大小
间接表征其内部的孔隙
水压力大小。
O 1 2 3 4 6 7 9 1U
时间m
图1 孑L隙水压力循环
控制界面
Fig．1 Control interface of
cyclic pore water pressure
(4)正式加载。由于进行不同加载速率加载时
所需伺服油源不同，加载之前要确认油源开关是否切
换。进行加载速率为1O ／s和10 ／s的试验时，采
用辅助伺服油源；进行加载速率为10 ／s和10 ／s
的试验时，采用主伺服油源。一切准备好之后，给试
件预加30 kN的初始静荷载，然后以位移控制方式，
按设定的加载速率对试件进行加载直至试件破坏，加
载过程中保证围压3 MPa恒定不变。
3．1 强度分析
历经不同孔隙水压循环次数后的混凝土在4种
不同应变速率(1O～，10～，10一，l0 ／s)下的峰值应
力及变化趋势如表2及图2、图3所示。
表2 历经循环作用后的混凝土峰值应力值
Table 2 Peak stress of concrete under diferent cycles
of pore water pressure
循环次次堂
l
图2 不同孔隙水压循环
次数下混凝土峰值应力
与应变速率的关系
Fig．2 Relations between
concrete’S peak stres and
strain rate under di rent
cycles of pore water
pressnre
循环次数Ⅳ／次
图3 不同应变速率下峰值
应力与孔隙水压循环次数
的关系
Fig．3 Relations between
peak stress and cycles of
pore water pressure under
m髓erent strain rates
由表2及图2可以看出，随着应变速率的增加，
历经不同次数孔隙水压循环后的混凝土抗压峰值应
力增大。取10 ／s为准静态应变速率，历经0，10，
50次循环作用后，随加载速率增加，混凝土峰值应
力的增加程度可由表2计算得到，经研究发现混凝
土抗压强度的增加幅度与应变速率的对数之间接近
线性关系。由表2和图3可以得到，随着孔隙水压
循环次数的增加，峰值应力表现出阶段l生的变化：当
循环次数不大于100次时，峰值应力呈增大的趋势；
当循环次数达到100次时，峰值应力开始减小。
3．2 变形分析
试验中，历经不同孔隙水压循环次数后的混凝土
在4种不同应变速率(10～，1O～，10一，lO ／s)下的峰
值应变及变化趋势如表3及图4、图5所