冻融循环作用下混凝土受拉应力-应变关系试验研究

冻融循环作用下混凝土受拉应力-应变关系试验研究

混凝土的拉张力-压力适应曲线可以充分反映混凝土的整个过程。目前，国内外科学家主要集中在冻融环后的混凝土拉伸性能的研究上，尤其是对混凝土单轴拉张力-适应曲线的研究上，结果表明，在单轴拉张力-适应性矩阵的研究中，尤其是对单轴拉张力-适应性矩阵的研究方面，很少有研究表明，抗疲劳动会对混凝土的拉张效应只能反应到混凝土的极限。不可能提供混凝土破坏过程中的具体应力和适应性特征。本研究针对不同强度等级、不同冻融程度后的混凝土试块进行单轴拉伸试验,将试验结果同常态下混凝土的试验数据进行比较分析,综合考虑混凝土等级和冻融次数两因素对受拉基本性能的影响,拟建立冻融循环后混凝土受拉应力-应变关系上升段曲线方程,希望能对确定冻融环境下混凝土结构的受拉性能和耐久性能提供必要的分析依据.1测试1.1制作卡具设计设计时,对试件中间部分进行面积消减(图1),保证抗拉破坏发生在中间部分;在抗拉试件两端部预埋4根长度为150mm的钢筋,将外露的钢筋部分咬成螺纹,方便端部连接.根据试件形状和端头钢筋螺杆的埋设位置,制作如图2所示的卡具,卡具内部连接通过类似吊环的形式来完成,这样可以尽量消除夹具所带来的弯矩,最大程度的实现轴心受拉.1.2材料配合比和加载试验本研究中C20,C30,C40和C50等4个强度的混凝土试块,主要有24组抗拉试块和4组立方体试块,每组4个试块,它们的强度等级和冻融次数相同.材料配合比如表1所示,混凝土试块采用42.5MPa等级普通硅酸盐水泥、5.0～31.5mm的碎石和细度模数2.88的中砂.正式加载试验前测得C20,C30,C40和C50级混凝土立方体抗压强度分别为29.1,35.6,45.4,50.7MPa.1.3冻融循环试验依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的快冻法试验制度,对各组试件分别进行25,50,75,100,125次冻融循环.力学试验按GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行.混凝土拉伸应力-应变曲线测试的过程中,采用等变形加荷,变形速度为0.002mm·min-1.2试验结果2.1界面黏结破坏.试件断裂大部分发生在截面消减的中间部分,也有少部分发生在截面变化部位,但都发生在中心段160mm标距范围内.断裂面基本上与试件的长轴线垂直,断口大部分面积是粗骨料的界面黏结破坏(拉脱),小部分面积是骨料间的水泥砂浆被拉断,偶尔发现粗骨料被拉断,而其邻近的混凝土仍坚实且没有肉眼可见的裂缝.2.2c0级抗拉件的拉伸性能由于冻融100次以后,C20,C30级试件出现了断裂,所以只对C20,C30级试件进行25,50,75次冻融循环后的受拉性能研究,对C40,C50级混凝土则进行了25,50,75,100,125次冻融循环.主要通过轴拉构件的拉伸试验得到混凝土冻融后的受拉峰值应力和受拉峰值应变(表2).3试验结果3.1混凝土受拉峰值应力与冻融循环次数及未冻融混凝土原料配比试验图3给出各等级混凝土试件的受拉峰值应力与冻融循环次数的关系.图3中每个试验点为对应一组试件受拉峰值应力的平均值,剔除了大于和小于平均值15%的数据.结果表明:冻融循环次数增加,混凝土受拉峰值应力降低.这是由于冻融引发混凝土内部结构出现微损伤,且随着冻融循环次数的增加,损伤逐步积累扩展,使得试件内部结构变得酥松退化,进而导致混凝土受拉峰值应力降低.用最小二乘法回归试验数据,得到受拉峰值应力与冻融循环次数以及未冻融混凝土立方体抗压强度之间关系如下:ft,D=1.07e0.019fcu,m-0.01N,(1)式中:ft,D为冻融后混凝土受拉峰值应力,t代表受拉,D代表冻融循环后;N为冻融次数;fcu,m为未冻融混凝土立方体抗压强度.由图3可知拟合曲线与试验数据符合很好.商怀帅等通过试验给出的受拉峰值应力与冻融次数关系式为将fcu,m=34.2MPa代入式(1),文献中的实测初始抗拉强度ft=3.14MPa代入式(2),分别得到2种计算方法的不同冻融次数的混凝土单轴抗拉强度.图4给出了式(1)-(4)对应的拟合曲线比较结果.由图4可知,式(1)和(2)拟合曲线的受拉峰值应力初始值有些差异,但在25次冻融循环后的变化趋势和数值是接近的.3.2未冻融混凝土抗压强度图5给出各等级混凝土试件的受拉峰值应变与冻融循环次数的关系曲线.由图5可知:随着冻融循环次数的增加,受拉峰值应变减小;强度等级越低,受拉峰值应变减小得越快.用最小二乘法对不同强度等级混凝土建立统一经验回归公式,得出受拉峰值应变与N,fcu,m之间关系:εt,D=(fcu,m-51)N2×10-4-(fcu,m-5.43)N×10-2+1.3fcu,m+60.02,(3)式中:εt,D为冻融后混凝土受拉峰值应变,10-6;fcu,m为未冻融混凝土立方体抗压强度;N为冻融次数.由图5知,拟合结果与试验结果符合较好.商怀帅等通过试验给出的受拉峰值应变与冻融次数的关系式为εt,D=(15-0.0908N)×10-5.(4)将fcu,m=34.2MPa代入式(3),并将结果与式(4)进行比较(见图4),由图4可知:由于式(4)只是针对单一强度得到的,并没有考虑到强度等级的影响,所以冻融次数为0时,受拉峰值应变不同,两曲线的初始应变值有一定的差距,但两式拟合曲线的整体趋势是相同的.3.3应力-应变关系曲线上升段20%由图6可知:不同冻融循环次数后混凝土的拉伸应力-应变上升段曲线整体形状没有改变.在加载初期达到最大应力的40%～60%之前,混凝土的应力和应变按比例增大,曲线呈直线,此段为弹性阶段.之后应变增长逐渐加快,曲线向横轴方向逐渐弯曲,出现凸状,混凝土的切线弹性模量逐渐减小,直至曲线切线呈水平,达到峰值.但随着冻融次数的增多,受拉初始弹性模量呈明显减小的趋势,而混凝土等级高的受拉初始弹性模量减小得更缓慢.吴锋通过混凝抗拉试验给出普通混凝土拉伸应力-应变关系曲线上升段方程,拟合出的表达式如下:σ=Κtε-(Κtε-σt)(εεt)Aσ=Ktε−(Ktε−σt)(εεt)A,(5)式中:ε≤εt;σ为拉伸应力;ε为拉伸应变;Kt为应力-应变曲线的初始斜率;ft为抗拉强度,即受拉峰值应力;εt为受拉峰值应变;其中A=ΚtεtΚtεt-ft.A=KtεtKtεt−ft.过镇海采用类似于受压曲线的多项式形式给出了受拉曲线上升段方程:y=1.2x-0.2x6,(6)式中:y=σσt,x=εεt.y=σσt,x=εεt.本研究中对式(5)进行了改进,并考虑到冻融因素,采用分段表达式:σ={Et0,Dε‚0≤ε≤εA,D,Et0,Dε-(Et0,Dεt0,D-ft,D)(ε-εA,Dεt0,D-εA,D)ΡεA,D≤ε≤εt,D,,(7)σ=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪Et0,Dε‚0≤ε≤εA,D,Et0,Dε−(Et0,Dεt0,D−ft,D)(ε−εA,Dεt0,D−εA,D)PεA,D≤ε≤εt,D,,(7)式中:ε≤εt;P为大于1的函数,它表示上升段的非线性;Et0,D为应力-应变关系曲线的初始斜率,即50%受拉峰值应力对应的受拉割线模量,Et0,D=(1.3fcu,m-130)N×10-3+0.15fcu,m-22.33;εA,D为弹性极限应变,即50%受拉峰值应力对应的应变,εA,D=(3fcu,m-14)N×10-3+1.18fcu,m+33.71.根据峰值处斜率为0,即ε=εt时,dσ/dε=0,得:Ρ=Et0,D(εt,D-εA,D)Et0,Dεt,D-ft,DP=Et0,D(εt,D−εA,D)Et0,Dεt,D−ft,D.(8)由图6可知,上升段拟合曲线与试验数据吻合较好,因此,上述曲线拟合方程可以满足工程精度要求,而且形式简单,参数求解方便,具有一定的工程实用价值.4冻融循环后混凝土的拉伸特性1)冻融循环后混凝土试件的拉伸破坏位置和断裂面特征与常态下混凝土拉伸破坏的现象没有明显的差别.2)冻融后混凝土单轴拉伸和单轴抗压应力-应变关系曲线的上升段都有弹性上升段,存在弹性极限点.在接