冻融循环后引气混凝土双轴破坏准则研究

冻融循环后引气混凝土双轴破坏准则研究 冻融循环后引气混凝土双轴破坏准则研究 第24卷第6期 2007年6月 ,,01.24No.6 June2007 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 力学 ENGINEERINGMECHANICS134 文章编号:1000—4750(2007)06—0134—08 冻融循环后引气混凝土双轴破坏准则研究 宋玉普,商怀帅,张众,陈飞 (大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连1160241 摘要:对经过0次,100次,200次,300次,400次冻融循环作用后的引气混凝土试件进行了双轴压,双轴拉 . 压荷载作用下的强度试验研究.观察了试件的破坏形态和表面裂缝的走向特征,根据试验结果 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了极限抗压, 抗拉强度随冻融循环次数和应力比的变化规律.在主应力空间,建立了不同冻融循环次数后考虑应力比影响的双 轴破坏准则;对于双轴压,建立了同时考虑应力比及冻融循环次数影响的破坏准则,对于双轴拉一压,建立了八面 体应力空间的破坏准则;为寒冷地区处于双轴荷载作用下的引气混凝土结构的强度分析提供试验和理论依据. 关键词:引气混凝土;冻融循环;双轴压;双轴拉.压;应力比;破坏准则 中图分类号:TU375文献标识码:A INVESTIGATIoNoNFAILURECRITERIoNoFAIR.ENTRAINED CoNCRETEUNDERBIA?ALLoADSAFTERFREEZE.THAWCYCLES SONGYu.pu,'SHANGHuaishuai ,ZHANGZhong,CHENFei (StateKeyLaboratoryofCoastalandoffshore,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China) Abstract:Thestrengthexperimentsofair-entrainedconcreteafter0,100,200,300and400freeze—thawcycles underbiaxia1compressionandbiaxia1tension— compressionarecarriedout.Thefailurecharacteristicofspecimens andthedirectionofsurfacecrackingareobserved.Theinfluencesoffreeze— thawcyclesandstressratioonthe ultimatecompressiveandtensiles~engthareanalyzed.Thefailurecriterionexpressedintermsofprincipalstress afterdifferentfreeze— thawcyclesandstressratiosforspecimenunderbiaxialloadsisproposed.Inaddition,the failurecriterionunderbiaxialcompressionwithconsiderationoftheinfluenceof行eeze— thawcyclesandstress ratioiSproposed.Thefailurecriterionunderbiaxialtension-compressionwithconsiderationoftheinfluenceof stressratioiSestablishedinoctahedralstressspace.Theexperimentalandtheoreticalfoundationsforstrength analysisofair-entrainedconcretestructuressubjecttobiaxial1padsincoldenvironmentareprovided. Keywords:air-entrainedconcrete;freeze?-thawcycles;biaxialcompression;biaxialtension?compression;stress ratio;failurecriterion 耐久性卜4是指构筑物长期满足 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 安全和使 用要求的性能,或者说是一个构件或整个结构在某 一 特定的环境和时间段内能够长久地保持其性能 的性质,冻融循环是混凝土耐久性的重要指标.我 国是世界上海岸线最长的国家之一,低温地区开 阔,对混凝土的耐久性要求越来越高,特别是对混 凝土抗冻融能力的要求越来越广泛;混凝土的抗冻 性是指饱水状态的混凝土抵抗反复冻融循环作用 的能力.如北方寒冷地区的许多已建工程(桥涵工 程,混凝土路面工程,港口码头工程和城市立交桥 收稿日期:2005.10.02;修改日期:2006.03.20 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50479059) 作者简介:宋玉普(1944),男,本溪市人,教授,博士,博导,从事结构工程研究 (E.mail:syupu@dlut.edu.cn) 商怀帅(1980),男,潍坊市人,博士生,从事结构工程研究(E.mail:shanghuaishuai@sohu.com): 张众(19721,男,济南市人,博士生,从事结构工程研究; 陈飞(19821,男,辽宁绥中人,硕士生,主要从事结构工程研究 工程力学135 工程以及工业与民用建筑等)在实际使用过程中,由 于环境气候的影响,或多或少存在混凝土的冻融破 坏. 目前,现有的关于冻融循环后混凝土性能的试 验研究,大多是以质量损失与相对动弹性模量为标 准[5-7]展开的,而对冻融循环后混凝土的力学性能 的研究较少.由于实际工程中,我们关心的是混凝 土结构的力学性能的变化,并且混凝土构件大多处 于复杂应力状态,如常见的框架梁,柱;而如混凝 土坝,桥梁,核反应堆的安全壳,采油平台等处于 更为复杂的应力状态.在设计中如不考虑实际应力 状态的强度及破坏情况将是危险的,造成结构或构 件的可靠度水平降低.国内的大连理工大学曾对冻 融循环后的普通混凝土进行了单轴及多轴荷载作 用下的试验研究工作IS-10J. 引气混凝土由于具有良好的抗冻性能,在寒冷 的北方地区得到越来越多的使用.中国水利水电科 学研究院结构材料研究所lJ曾对引气混凝土进行 了单轴抗压,抗拉以及抗折的力学性能试验研究. 本文按照现行GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐 久性试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 》【l2J中抗冻性能试验中的"快冻法", 对经过0次,100次,200次,300次和400次冻融 循环作用后的引气混凝土进行了双轴压,双轴拉. 压荷载作用下的强度试验,在此基础上,分析了冻 融循环对引气混凝土双轴压,双轴拉一压强度的影响 规律,建立了相应的破坏准则. l试验设计 1.1原材料与混凝土配合比 本文试验中的水泥采用大连小野田水泥有限 公司生产的P?1I42.5R(28天的标准抗压强度为 42.5MPa)普通硅酸盐水泥;细骨料为中砂,细度模 数大于2.6,同时含泥量不大于2%;粗骨料采用粒 径为5mm-20mm石灰石碎石,用气压式含气量测定 仪测得搅拌完的引气混凝土的含气量为 5.5%,6.5%.表1为每立方米混凝土的配合比及性 能指标. 表1每立方米引气混凝土的配合比及?性能指标 Table1Thegradientspercubicmeterair-entrainedconcrete andcharacteristicofconcrete 水灰比姗石子/辄 f~fl 压强 VIPa 度 1.2试件及快速冻融试验方法 试件制作时,先将石子,砂子和水泥放在一起, 采用100升强制式混凝土搅拌机搅拌1分钟,随后 缓缓加入水,且在1分钟左右加完,然后再搅拌2 分钟,3分钟,最后将拌合料置入lOOmmXlOOmmx lOOmm的标准组合钢模中,在1M×1M的振动台f振 动频率为2860次/分,振幅0.3mm-0.6mm)上振捣 成型;24小时后拆模.随后严格按照《普通混凝土 长期性能和耐久性能试验方法》进行冻融试验.冻 融试验前四天应把试件从养护地点取出,进行外观 检查,然后在温度为15?,20?的水中浸泡f包括测 温试件,浸泡时水面至少应高出试件顶面20mm), 试件浸泡4天后进行冻融循环试验. 本文的快速冻融试验是在大连理工大学海岸 与近海工程国家重点实验室的混凝土快速冻融试 验机【"(TDR1)上进行的,试验按照GBJ82—85中的 "快冻法"进行f每次冻融循环应在2小时,4小时 内完成,其中用于融化的时间不得小于整个冻融时 问的1/4.在冻结和融化终了时,试件中心温度应 分别控制在一17~2?和8~2?.每块试件从6?降至 一 15?所用的时间不得少于冻结时间的1/2.每块试 件从一15?升至6?所用的时间也不得少于整个融 化时间的1/2,试件内外的温差不宜超过28?.冻 和融之问的转换时间不宜超过10分钟).本文试验 每个冻融循环控制在2.5小时,3小时内完成,其余 严格按照 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 进行.对于冻融循环后多轴加载情况 下的力学性能的测试,由于现行规范未给出试件的 制作方法,本文在考虑冻融循环试验过程中的不均 匀性以及本试验为引气混凝土在冻融循环条件下 多轴强度和破坏准则研究项目的一部分,整个项目 系统性试验的工作量很大,需要进行对比分析,大 多采用了尺寸为1OOmmxlOOmmx1OOmm的立方 体试件., 1_3试验设备及试验过程 本文的力学性能试验是在大连理工大学海岸 与近海工程国家重点实验室自行研制的大型静,动 三轴电液伺服试验机【lJ上进行的;该试验装置由加 载装置,应变控制装置,应变量测装置f考虑到该试 验系统在试件加载区有较大的空间,采用了外部量 测装置,它由安装在加载头上的精度为2um的位移 传感器(LVDT)和放大器组成;传感器测得的位移信 号经放大器输送到计算机自动采集1和数据采集处 理装置组成. 136工程力学 由于冻融循环作用,试件表面有所凹凸,所以 在进行力学性能试验前,要对试件表面进行机械磨 面.由于采用受压面积为lOOmmX100mm的小试 件,试验时两端的摩擦对引气混凝土抗压强度的影 响相对较大,因此本次试验受压方向采用塑料薄膜 加甘油的减摩措施,具体做法是:在三层塑料薄膜 问夹两层甘油,然后在试件与塑料薄膜中间再夹一 层甘油【1引.对于受拉的试件,利用大连化学物理研 究所研制的JGNII型建筑结构胶将加工好的铁板 粘到试件的两个受拉面,24小时硬化后,即可进行 试验;试验时,利用螺栓将试件安置在试验机上. 将试件轴心物理对中后,以设定的应力LL(将双轴压 应力比=0-,:0"3,双轴拉.压应力比=0"1:0"3转换 成两个方向的压力LL)进行两个方向的比例加卸载, 加载采用变形控制,速率为0.002mm/s. 本文试验严格按照应力比进行加载,双轴压加 载比例设定为:=,:=0.25:1,0.5:1,0.75: 1和1:1;双轴拉.压加载比例设定为:=:3= 一 0_3:1,一0.5:1以及单轴拉, 0.05:1,一0.1:1,, 单轴压.其中拉应力为正,压应力为负. 试验冻融循环次数分别为0次,100次,200 次,300次和400次,每种冻融循环次数及应力比 下,至少试验3个试件,当发现试验结果离散性较 大时,增加试件数目,以求数据的完整准确;试验 中的荷载,试件的应变均由计算机动态采集得到. 2试验现象和试件破坏形态 本文试验结果表明:在双轴压荷载作用下,引 气混凝土在冻融循环前后,破坏形态在类型上变化 不大,其破,形态可分为倾斜层状破坏与细密片状 破坏[16,17]. 对于主压向应力远大于侧向压应力,(应 力比=0.25)的双轴压情况,会在,及与自由面 (认为有主应力=0作用的面)垂直的方向产生拉 应变.当此拉应变超过混凝土的极限拉应变值后, 形成与主应力成10.,20.角的裂缝;并且裂缝面 会逐渐扩展和增宽,以致贯通全试件,一般劈为3,4 片,最终形成如图1(a1所示的倾斜层状破坏. 随着侧向主应力0-,的增大,其对由于主应力 产生的在0-,方向的拉应变的约束作用越来越 大,试件将在盯和的共同作用下仅沿方向产 生较大的拉应变,并逐渐形成与,一盯作用面平行 的多个裂缝面.当裂缝贯通后形成层状劈裂破坏, 应力比=0.5,=0.75,=1.0时,一般劈裂成 5,7片;如图1(b)所示;并随应力比的增大,劈 裂形成的片数明显增多,以致形成细密片状破坏. 宏观的主裂缝受到粗骨料的阻挡,出现不规则的倾 斜角和曲度.试件的砂浆内部和粗骨料界面有明显 的损伤和小碎片,但粗骨料大多数完整,未被劈破. (b) 图1双轴压受力状态下试件的破坏形态 Fig.1Thefailuremodesofspecimensunderbiaxial compressionloads 在双轴拉压荷载作用下,由于拉应力0-的存 在,会在0-方向形成拉应变,而压应力同样在 方向形成拉应变,当两部分拉应变超过混凝土的极 限拉应变时,首先会在混凝土试块的最薄弱面形成 垂直于方向的裂缝,并逐渐扩展,导致有效受拉 面积的减小;最后,在垂直于拉应力的方向形成单 条裂缝导致试件拉断破坏(如图2(a),图2(b)所示), 裂缝大多数位于中间1/2区段内,宏观主裂缝受到 粗骨料的阻挡,会出现不规则的倾斜角和曲度.引 气混凝土裂缝面的粗骨料大部分被拉断,而少部分 粗骨料沿其周围的水泥砂浆骨架拔出;如图2(c), 图2(d1所示. 工程力学137 (d) 图2双轴拉.压受力状态下试件的破坏形态 Fig2Thefailuremodesofspecimensunderbiaxial (b).".i."..mp...i."l.d. 表2双轴压应力状态下的极限压强度值(MPa)TJL其随冻融循环次数增加降低百 分比 Table2Ultimatecompressivestrengthofair-entrainedconcreteunderbiaxialcompressiona ndthepercentofstrengthlosswith freeze-thawcycles 3试验结果及分析 表2为不同冻融循环次数后引气混凝土试件在 双轴压荷载作用下的极限抗压强度的试验结果 及其随冻融循环次数增加而降低程度的计算结果. 3.1冻融循环次数对双轴压强度的影响规律 从表2中可以看出,随冻融循环次数的增加, 对应于某一应力比,试件的极限抗压强度逐渐降 低.显然,冻融循环次数越多,极限抗压强度的 降低幅度越大.如经300次冻融循环作用后,当应 力比=0.25,=0.75时,主压向强度分别 降低为初始值的73.9%,73.2%;而对于未引气的普 通混凝土,在相同应力比条件下,仅仅经过75次 冻融循环作用,主压向强度已降低为初始值的 72.8%,82.3%.由以上结果可以看出:对普通混凝 土掺加引气剂,由于明显改善了其内部气孔构造, 可以经受更多次的冻融循环裂化作用. 图3为不同应力比下的基于冻融循环前单轴抗 压强度的极限抗压强度/随冻融循环次数? 0100200300400 图3不同应力比下抗压强度与冻融循环次数的关系 Fig.3Compressivestrengthversusthefreeze-thawcyclesN underdifferentstressratio l38工程力学 的变化规律.可以看出,不同冻融循环次数后的混 凝土试件,均在=0.50时,极限抗压强度提高值 最大;并且不同应力比作用下的试件抗压强度在相 同冻融循环次数后的降低幅度相差不大. 3.2极限抗压强度与冻融循环次数的关系 对表2中不同应力比下的极限抗压强度与冻融 循环次数?的关系采用如下的线性关系进行描述: —二-=+DV :a+6? {c 式中:为某一应力比下不同冻融循环次数后的 抗压强度值,为常态下单轴抗压强度值,a,b 为线性回归系数,?为冻融循环次数.分别对=0 (单轴受压1,=0.25,=0.5,=0.75,=1.0 时的抗压强度进行回归分析,可得表3相对抗压强 度与冻融循环次数?关系的回归系数及其相关系数 : 由线性回归分析得到的结果如图3所示,可见 试验值与回归结果符合较好. 3.3冻融循环次数对双轴拉一压强度的影响规律 表4为经历不同冻融循环次数的引气混凝土试 件在双轴拉一压荷载作用下,对应不同应力比的极 限抗拉强度盯P的试验结果及其随冻融循环次数增 大而降低程度的计算结果. 表3相对抗压强度与冻融循环次数?关系的回归系数 Table3Regressionandcorrelationcoefficientofrelationshipbetweencompressionstrength andnumberoffk!.m,cy 0?N?200200?N<~400 应力比 a b r O 0.9995 一 O.Ooo9 1 0.25 1.2l19 一 O.oo07 0.9886 表4双轴拉一压应力状态下的极限拉强度值(MPa)及其随冻融循环次数增加降低 的百分比 Table4Ultimatetensilestrengthofair-entrainedconcreteunderbiaxialtension— compressionandthepercentofstrengthlosswith freeze—thawcycling 从表4中可以看出,双轴拉一压荷载作用下的极 限抗压,抗拉强度均低于相应的单轴压,单轴拉强 度;并且随冻融循环次数的增加,对应于某一应力 比,试件的极限抗拉,抗压强度明显降低;显然, 冻融循环次数越多,强度的降低幅度越大.图4(a), 4fb)分别为不同应力比的双轴拉一压荷载作用下的 极限压应力盯,拉应力盯lD随冻融循环次数?的变 化规律.从图中可以看出,在相同冻融循环次数下, 随拉一压应力比的减小,拉应力下降程度逐渐增大; 经200次,400次冻融循环作用后,单轴拉应力已 经下降为初始值的77.2%,36.8%,而当应力比 =一 0_3时,拉应力下降为初始值68.3%,45.6%; 而对于普通混凝土试件,经75次冻融循环作用后, 单轴拉应力已下降为初始值的31.2%,而在应力比 =一 0.15作用下的拉应力下降为初始值21.0%的. 由以上对比可见,与普通混凝土相比,引气混 凝土具有良好的抗冻融性,其抵抗冻融循环破坏的 作用明显提高. 珈一…, . -- . - - N-- ..a 单 = 压 - 0.05:1f . 25,,一1.r-c【:.0.1:1 , ,,—_?一0【一0.3:1 — 20,0 ,. 一一c【=一0.5:1 _-一 -- ' 4. ,?一一一 ?, , ::…_,× . s—— 三0——一一——————,—] (a)冻融循环次数?对压应力a的影响 , L0 o 邮 O 伽 Om 工程力学 用,本文建立了同时考虑应力比和冻融循环次数影 响的破坏准则,采用多元线性表达式表示如下: 堕:I+口,?+ll(1 +)I 式中:?为冻融循环次数,为应力比,a,a,, a,a为回归系数,利用试验数据进行多元线性回 归分析,得到式中的回归系数分别为a1=一0.2967, 口,=一0.0013,口1=4.4783,a4=1-3184,复相关系 数,=0.9663.则同时考虑应力比及冻融循环次数影 响的破坏准则可表示为: : l2967—0.0013N+坠lI (1+)l 利用该破坏准则计算的引气混凝土双轴压强 度计算结果与试验结果的比较如图6所示. 图6破坏准则的计算结果与试验结果的比较 Fig.6Comparisonbetweenthevaluecomputedbystrength criteriaandexperimentalresults 4.3考虑冻融循环次数影响的八面体应力空间破 坏准则 对于双轴拉.压荷载作用下的引气混凝土,前面 建立了一定冻融循环次数后在主应力空间表达的 破坏准则.通过回归分析,发现八面体正应力和剪 应力之间具有较好的线性相关性.为了实现准则的 通用性,将本文试验结果用八面体应力空间来表 达.则考虑冻融循环的影响,建立的八面体应力空 间的破坏准则为: b2等 式中:,b2,b3为回归系数,其他符号同前;将 极限应力转化为八面体应力空问的应力表达式为: 正应力: 剪应力: ‰= {(++)(1) Z"o,= ??(一)+(一)+(一) 显然,对于双轴拉.压应力状态,以上两式中的 2 0. 经统计回归,求得回归系数为:=一0.0785, =, 1.1839,63=0.0001;复相关系数,=1.则八 面体应力空间的破坏准则为: 三:一0. 0785—1.1839×+0.0001×N {c{c 利用该破坏准则得到的引气混凝土双轴拉.压 强度计算结果与试验结果的比较如图7所示. 一 0.050.050.150.250.35 图7双轴拉一压荷载作用下八面体应力空问的破坏准则计 算结果与试验结果的比较 Fig.7Comparisonbetweenthevaluecomputedbystrength criteriaandexperimentalresultsunderbiaxial tension-compression 5结论 通过本文的试验研究,可以得到以下结论: (1)在相同的应力比作用下,引气混凝土在 双轴压以及双轴拉.压荷载作用下的极限拉应力及 相应的压应力随冻融次数的增加逐渐降低;但与普 通混凝土相比,使用引气剂明显提高了混凝土的抵 抗冻融循环作用的能力; (2)经过相同冻融循环次数作用后的引气混凝 土试件在双轴压荷载作用下,其应力随应力比值 的变化而变化,其中在=0.50时,主应力提高 最多; f3)在双轴压,双轴拉.压荷载作用下,引气混 凝土在冻融循环前后,破坏形态在类型上变化不 大; (4)根据试验结果,建立了经0次,100次,200 次,300次,400次冻融循环作用后引气混凝土在 工程力学141 双轴压荷载作用下的主压向强度与冻融循环次 数的关系表达式; f5)文中绘出了冻融循环作用后的引气混凝土 在双轴压,双轴拉一压荷载作用下主应力空间的强度 包络线,并给出了相应的表达式;对于双轴压荷载, 文中还建立了同时考虑应力比及冻融循环次数影 响的破坏准则;对双轴拉一压荷载,在八面体应力空 间建立了考虑冻融循环影响的破坏准则. 参考文献: [1]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学 出版社,2002. 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