塑性混凝土强度和尺寸效应的试验研究

宋帅奇,高丹盈,胡良明,严克兵

(1.郑州大学新型建材与结构研究中心,河南郑州 450002;2.河南城建学院交通工程系,河南平顶山 467044)

塑性混凝土强度和尺寸效应的试验研究

宋帅奇1,2,高丹盈1,胡良明1,严克兵1

(1.郑州大学新型建材与结构研究中心,河南郑州 450002;2.河南城建学院交通工程系,河南平顶山 467044)

通过对12个配合比、3个龄期共405个塑性混凝土试块的强度试验,研究了塑性混凝土相关强度之间的关系,塑性混凝土抗压强度和劈拉强度的尺寸效应,以及塑性混凝土抗压强度与龄期之间的关系。试验结果表明:塑性混凝土抗压强度、劈拉强度、抗折强度之间具有良好的统计关系;相比边长为150mm的立方体试块,边长为100mm的塑性混凝土立方体试块的抗压强度和劈拉强度的尺寸效应系数分别为0.9375和0.8616;龄期对塑性混凝土的抗压强度有较大的影响。在此基础上,建立了相关强度指标之间的换算关系式以及轴心抗压强度与龄期的对数关系式。

塑性混凝土;强度指标;尺寸效应;试验研究

塑性混凝土是以膨润土、黏土等掺合材料取代普通混凝土中的部分水泥配制而成的柔性材料,通常被用作防渗墙材料,广泛应用于大坝工程、大坝围堰工程、大坝除险加固工程及结构基础工程[1]。近年来,塑性混凝土在我国三峡大坝围堰、小浪底水库上游围堰、丹江口水库副坝、册田水库等水利工程中广泛应用。我国对塑性混凝土的研究始于20世纪80年代,中国水利水电基础工程局、长江科学院、清华大学、郑州大学等单位开展了塑性混凝土的试验研究[2-7]。研究发现塑性混凝土具有强度低、弹性模量低、极限变形大、弹强比(弹性模量与强度的比值)小、渗透系数合适并可控等特点,是较为理想的防渗墙材料。然而,针对塑性混凝土的研究大多侧重于工程应用,缺乏较系统的理论研究,对塑性混凝土强度的研究集中在有关因素对某个或某些强度的影响上,缺乏相关强度间关系的统计分析。由于塑性混凝土的组成材料复杂、影响因素较多,从总体上把握强度指标之间的关系十分重要。笔者进行了12个配合比、3个龄期共405个试块的强度试验,研究塑性混凝土抗压强度和劈拉强度的尺寸效应,并通过对试验结果的统计分析,建立塑性混凝土相关强度指标之间的关系式。

1 试验概况

试验采用42.5号普通硅酸盐水泥、郑州郑东新区龙湖区粉质黏土(以350目的粒度标准磨细至粉状)、钙基一级膨润土、粒径为5～20mm的碎石,细度模数为3.3的砂子(其级配曲线位于Ⅰ区,属粗砂)。参照前期塑性混凝土试验结果以及为确定用水量而提前进行的纸杯试验的结果,配置满足坍落度要求的12种塑性混凝土的配合比(表1),用以研究水胶比、砂率、水泥用量、黏土用量、膨润土用量、龄期等对有关强度指标的影响。每组配合比均考虑28d和90d这2个龄期,对水胶比系列还考虑了180d龄期。

表1 塑性混凝土的配合比

立方体抗压强度和劈拉强度试验均采用尺寸为100mm×100 mm×100 mm和 150 mm×150mm×150mm这2种立方体试块,抗折强度试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试块,轴心抗压强度试验和单向受压下的变形试验采用尺寸为150mm×150mm×300mm的棱柱体试块。每种情况下制作3个试块,共计405个试块。塑性混凝土采用机械拌和,人工或振动台振捣,试模成型静置48h后拆模,并移至标准养护室养护至目标龄期后按照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》进行相关试验。由于塑性混凝土弹性模量低、泊松比大,其纵向压应变受横向拉应变的影响较大,按照常规混凝土弹性模量的测试方法难以准确测出塑性混凝土的纵向变形,因此,单向受压下纵向应变测试的测量标距为300mm,即试块全长。在试块顶端加钢盖板,将电子位移计用磁性表座固定于试验机下压板上,测试试块全长的变形并通过自动数据采集仪采集数据。轴向荷载由荷载传感器通过自动数据采集仪采集,并将自动数据采集仪得到的轴向荷载和轴向应变数据输入计算机,绘制出塑性混凝土的应力～应变曲线。

2 塑性混凝土强度指标之间的关系

2.1 劈拉强度与抗压强度的关系

试验表明,对于边长分别为100mm和150 mm的塑性混凝土立方体试块,28d龄期的抗压强度分别在1.1～3.27MPa和1.27～3.26MPa范围内变化,90d龄期的抗压强度分别在1.74～4.59MPa和1.71～4.26MPa范围内变化;28d龄期的劈拉强度分别在0.14～0.43MPa和0.16～0.4MPa范围内变化,90d龄期的劈拉强度分别在0.2～0.5MPa和0.25～0.49MPa范围内变化。塑性混凝土的抗压强度和劈拉强度均随水胶比的增大而明显减小;随砂率的增大先增大后减小,砂率为50%时和60%时相差不明显,合适砂率在50%左右;随水泥用量的增大而增大,但是增大的幅度趋缓,水泥用量以120kg/m3为宜;随黏土用量的增大而明显减小;随膨润土用量的增大先增大后减小。原因在于水胶比增大,塑性混凝土凝结硬化后内部空隙增大,导致强度降低;砂率增大使细骨料表面积增大,一方面导致实际水胶比减小,有利于强度增大,另一方面砂率过大导致胶凝材料不能充分包裹骨料,对强度增长不利;水泥用量的增加在一定程度上增强了胶凝材料与骨料的胶结,从而使强度得到提高,但胶凝浆体不能过多;黏土和膨润土的掺入降低了材料间的胶结力,同时由于膨润土吸水率大又能提高强度。

拉压比是指在同一配合比下混凝土抗拉强度与抗压强度的比值,是衡量混凝土力学性能的一个重要指标。国内外已有的研究资料[8]表明:普通混凝土拉压比为0.058～0.125,且强度越高,拉压比越小,脆性越大;高强混凝土拉压比仅为 0.042～0.050。对试验结果分析可知,塑性混凝土拉压比为0.106～0.181,比普通混凝土和高强混凝土的拉压比大得多,反映了塑性混凝土变形大的特点。同时,塑性混凝土劈拉强度随抗压强度的增大而增大,见图1,两者之间的关系可用式(1)(2)表示:

式中:fs为塑性混凝土的劈拉强度,MPa;fcu为塑性混凝土标准立方体抗压强度,MPa;R为相关系数。

塑性混凝土劈拉强度试验值与式(1)计算值之比的均值为1.0397,均方差为0.1158,变异系数为0.1114;试验值与式(2)计算值之比的均值为1.0056,均方差为0.1050,变异系数为0.1044,试验值与式(1)和式(2)计算值均吻合较好。

图1 劈拉强度与抗压强度的关系

2.2 抗折强度与抗压强度和劈拉强度的关系

试验表明,28d龄期和90d龄期的塑性混凝土的抗折强度分别在0.38～0.99 MPa和 0.48～1.15MPa之间变化,并且抗折强度、抗压强度、劈拉强度随各试验参数变化的规律基本一致。分析可知,塑性混凝土的抗折强度为抗压强度的26%～44%,且随抗压强度的增大而增大(图2),两者之间的关系可用下面2个公式表示:

式中:ftm为塑性混凝土的抗折强度,MPa。

图2 抗折强度与抗压强度的关系

塑性混凝土抗折强度试验值与式(3)计算值之比的均值为1.0046,均方差为0.0981,变异系数为0.0977;试验值与式(4)计算值之比的均值为0.9993,均方差为0.099 5,变异系数为 0.099 6。试验值与式(3)和式(4)所得计算值均吻合较好。

劈拉强度和抗折强度均能反映材料的抗拉性能,区别在于前者是剪拉、后者是弯拉,两者之间有一定的相关性。根据试验结果,塑性混凝土抗折强度随劈拉强度的增大而增大,见图3,图中劈拉强度为边长为150mm的立方体试块的试验值。塑性混凝土抗折强度与边长分别为100mm和150mm的立方体试块劈拉强度的比值在1.66～3.79和1.81～3.27范围内变化。对试验结果进行统计分析得出,塑性混凝土的抗折强度与边长为150mm的立方体试块和边长为100mm的立方体试块的劈拉强度的关系分别如式(5)、式(6)所示:

式中:fs1和fs2分别为边长为150mm的立方体试块和边长为100mm的立方体试块的劈拉强度。

试验值与式(5)计算值之比的均值为1.0061,均方差为0.111 4,变异系数为 0.110 8;试验值与式(6)计算值之比的均值为 1.008 9,均方差为0.1436,变异系数为0.1423。由此可知,试验值与计算值吻合较好。

图3 抗折强度与劈拉强度的关系

2.3 轴心抗压强度与抗压强度的关系

塑性混凝土轴心抗压强度较低,28d龄期和90d龄期的轴心抗压强度分别在1.11～2.75MPa和1.44～3.77MPa之间,180 d龄期最高,也才达到5MPa,并且轴心抗压强度与立方体抗压强度、劈拉强度随各试验参数变化的规律基本一致。对于普通混凝土,轴心抗压强度随标准立方体抗压强度的增大而增大,前者与后者的比值在70%～92%之间。根据本文结果及文献[9]龙湖试验数据,塑性混凝土轴心抗压强度与标准立方体抗压强度之间存在良好的线性关系(图4),通过统计分析,两者之间的线性关系式如下:

式中:fc为塑性混凝土轴心抗压强度,MPa。

图4 轴心抗压强度与抗压强度的关系

塑性混凝土轴心抗压强度试验值与式(7)计算值之比的均值为1.012 3,均方差为0.1158,变异系数为0.1144。由此可知,式(7)计算值与试验结果吻合较好。

2.4 峰值应力与轴心抗压强度的关系

峰值应力与轴心抗压强度非常相近,轴心抗压强度稍高于峰值应力,两者的差别主要是由加载速度不同引起的。测轴心抗压强度的加载速度快于测单向受压变形的加载速度。28d龄期和90d龄期的峰值应力分别在1.06～2.79MPa和1.54～3.85MPa之间,180 d龄期的峰值应力最高才达到4.6MPa。根据试验结果(图5),峰值应力与轴心抗压强度具有明显的线性关系:

式中:fcp为塑性混凝土的峰值应力,MPa。

图5 峰值应力与轴心抗压强度的关系

峰值应力试验值与式(8)计算值之比的均值为1.0027,均方差为0.045,变异系数为0.045,计算值与试验值吻合较好。

3 塑性混凝土强度的尺寸效应及其与龄期的关系

3.1 强度的尺寸效应

尺寸效应对试验结果的影响不容忽视,试块较小时受外界的约束较大,测到的结果偏大,试块尺寸较大时测到的值偏小。普通混凝土抗压强度以标准立方体试块为准,边长分别为100mm和200mm的立方体试块应分别乘以0.95和1.05的转换系数。试验得到的塑性混凝土立方体抗压强度和劈拉强度的尺寸效应分别见图6和图7。结果表明,以边长为150mm的标准立方体试块为准,边长为100 mm的立方体试块抗压强度的尺寸效应系数为0.9375,边长为100mm的立方体试块劈拉强度的尺寸效应系数为0.8616。从图6～7可以看出,边长为

图6 抗压强度尺寸效应

图7 劈拉强度尺寸效应

100mm的立方体试块抗压强度的尺寸效应系数与普通混凝土的相近,这主要是因为根据圣维南原理,在相同的试验条件下,试验机对相同尺寸试件端部的约束的影响范围基本相同,试件尺寸对尺寸效应的影响超越了材料对尺寸效应的影响。

3.2 强度与龄期的关系

由于影响塑性混凝土强度的因素非常复杂,为了简化计算,参照普通混凝土强度与龄期的经验公式并根据塑性混凝土强度的特点加以修正,得到龄期为n(n≥90d)的塑性混凝土轴心抗压强度fcn与28d龄期时的轴心抗压强度fc28的关系如下:

式中:fcn为龄期为n(n≥90d)时的塑性混凝土的轴心抗压强度,MPa;fc28为28 d龄期时塑性混凝土的轴心抗压强度,MPa。

龄期为90d和180d时的塑性混凝土轴心抗压强度试验值与按式(9)计算值之比的均值为1.0063,均方差为0.085 1,变异系数为0.0846,计算值与试验值吻合较好。

4 结 语

a.塑性混凝土抗压强度、劈拉强度、抗折强度均随水胶比的增大而明显减小;随砂率的增大先增大后减小,合适砂率在50%左右;随水泥用量的增大而增大,但增长的幅度趋缓,水泥用量以120kg/m3为宜;随黏土用量的增大明显减小,随膨润土用量的增大先增大后减小。

b.塑性混凝土相关强度之间具有良好的统计关系,根据对本文试验结果的统计分析,劈拉强度与立方体抗压强度之间、抗折强度与立方体抗压强度之间具有线性函数或幂函数的关系,抗折强度与劈拉强度之间具有幂函数关系,立方体抗压强度、峰值应力与轴心抗压强度具有线性关系。

c.相比边长为150mm的立方体试块,边长为100mm的塑性混凝土立方体试块抗压强度和劈拉强度的尺寸效应系数分别为0.9375和0.8616。龄期为n(n≥90d)时的塑性混凝土轴心抗压强度fcn与28d龄期时的轴心抗压强度fc28具有对数关系。

[1]李青云,张建红,包承刚.风化花岗岩开挖弃料配制三峡二期围堰防渗墙材料[J].水利学报,2004,35(11):114-118.

[2]宋帅奇.塑性混凝土单向受压应力应变关系的试验研究[D].郑州:郑州大学,2008.

[3]严克兵.塑性混凝土基本性能的试验研究[D].郑州:郑州大学,2008.

[4]张鹏.塑性混凝土材料性能研究及其应用[D].郑州:郑州大学,2005.

[5]李清富,张鹏.塑性混凝土强度试验研究[J].混凝土,2006,199(5):75-79.

[6]李文林.塑性混凝土防渗墙技术综述[J].水利水电工程设计,1995,14(3):54-59.

[7]程瑶,张美霞.塑性混凝土配合比试验研究及应用[J].长江科学院院报,2002,19(5):62-64.

[8]过镇海.混凝土的强度和本构关系原理与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[9]高丹盈,朱海堂,赵军,等.郑州市郑东新区龙湖水系成湖工程塑性混凝土防渗墙性能试验研究报告[R].郑州:郑州大学新型建材与结构研究中心,2006.

Experimental study on strength and size effect of plastic concrete

SONG Shuai-qi1,2,GAO Dan-ying1,HU Liang-ming1,YAN Ke-bing1(1.Research Center of New Building Materials and Structure,Zhengzhou University,Zhengzhou450002,China;2.Department of Traffic Engineering,HenanUniversity of Urban Construction,Pingdingshan467044,China)

Based on the strength tests on 405 specimens of plastic concrete with 12 mix proportions and 3 curing ages,the relationship among relevant strengths,the size effect of compressive strength and splitting tensile strength and the relationship between compressive strength and curing age were systematically investigated.The test results show that the compressive strength,splitting tensile strength and flexural strength of the plastic concrete exhibit a good statistical relationship.The cubic specimens with the side length of 100mm have size effect coefficients of the compressive strength and splitting tensile strength of 0.9375 and 0.8616 respectively compared with those with the side length of 150 mm.The curing ages have great influences on the strength of plastic concrete.On such a basis,the conversion formulae among relevant strength indices andthe logarithmic relationship between the axial compressive strength and the curing age were established.

plastic concrete;strength index;size effect;experimental study

TU528.01

A

1006-7647(2010)03-0032-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.009

国家自然科学基金(50979100);国家重点基础研究发展计划(2010CB635118)

宋帅奇(1981—),男,河南叶县人,讲师,博士研究生,从事结构工程和建筑复合材料研究。E-mail:shuaiqisong@sina.com

2009-08-01 编辑:骆超)