应变速率对C20混凝土的影响

邢峻伟，张玉敏，宋珂，郝泽静

(河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

混凝土是一种胶凝的物质材料，可以依据不同的要求和性能进行配合，最终成为稳定固结状态且内部复杂的材料，可以表现出良好的材料性能。在现代的建筑物和构筑物中，时刻都离不开混凝土的浇注，作为它们结构当中的一部分，并且不容小觑，它在结构稳定性及其它方面起着很重要的作用。建筑物和构筑物不是始终处于静态，时常会由于地震、冲击、爆炸等特殊原因产生动态影响，这就要求我们熟悉混凝土动态的特性。动态作用下，混凝土特性主要通过应变速率对混凝土内部机构机理参数影响进行研究［1］。

1 简介

在以往的单轴抗压试验中，对已采集的实验数据进行整理和分析，探讨混凝土在考虑应变速率下单轴的抗压试验中内部结构及机理参数的变化规律，从混凝土的本构关系中作出相应的论证［2］。单轴实验主要从抗压强度、峰值应变、弹性模量及应力应变的变化趋势进行分析［2，3］。

试验采用电液伺服试验系统，对尺寸为70mm×70mm×210mm棱柱体预设计强度C20混凝土进行加载试验，采用四种加载速率为 10－2/s、10－3/s、10－4/s 和 10－5/s，实验强度分别为 15.8MPa、15.2MPa、14.2MPa 和15.6MPa。通过采集设备保存的数据，进行数据的整理与分析，研究混凝土的本构关系及内部结构机理［4，5］。

2 数据分析

从采集的数据中取加载速率为10－2/s时应变片的变化规律，通过对应变片与(包含应变片的粘贴位置)轴力采集的数据可以统计应变片－轴力的关系曲线，如图1所示。由图1可以看出，当轴力由零开始加载，应变片值随轴力的上升会逐渐升高，升高到最大值后应变片值趋于下降，直至应变片被破坏。

图1 应变片应力的变化及应变片位置

在不同加载速率下的单轴试验中，通过作动器的力传感器采集的数据，计算处理得到不同加载速率下的抗压强度及均值，如表1所示。加载速率与单轴抗压强度的关系如图2所示。由图2可以看出，抗压强度的样本值离散性较大，规律性较差。但总体上抗压强度的平均值随加载速率的提高呈上升趋势(加载速率由10－5/s至10－2/s)。

通过应变片采集数据的统计分析，确定单轴实验中峰值应变的样本值和其平均值，如表2所示。峰值应变与加载速率的关系如图3所示。由图3可以看出，不同的加载速率下混凝土的峰值应变样本点的分布纷杂，规律性较差。而混凝土峰值应变的平均值随加载速率的升高而呈现出先升高后降低的趋势。加载速率由10－5/s至10－3/s时，峰值应变值呈上升趋势并变化明显;而加载速率由10－3/s至10－2/s时，峰值应变值急剧降低。

表1 不同加载速率下抗压强度值及均值

图2 抗压强度与应变速率的关系

图3 应变速率对峰值应变的影响

表2 不同加载速率下峰值应变值及均值

由于在塑性阶段后混凝土初始弹性模量的变化不能完全反映应力—应变曲线的变化规律，加之试验数据存在离散性及精确测量的限制，所以通常会采用变形模量或切线模量影像应力－应变关系［4］，并取40%－60%峰值应力的割线模量作为弹性模量［5，6］。通过实验中力传感器(轴力)和位移应变的采集的数据，确定50%峰值应力处的割线模量值作为弹性模量，弹性模量及其平均值如表3所示。而C20混凝土弹性模量随加载速率的变化规律如图4所示。由图4可以看出，混凝土弹性模量随加载速率的上升，整体呈下降趋势。混凝土弹性模量的平均值随加载速率由10－5/s至10－4/s时，呈下降趋势，变化十分明显;由10－4/s至10－2/s时弹性模量的均值变化不大。总之，单轴抗压实验中混凝土弹性模量的数值及平均值随加载速率升高整体趋势下降。

经加载速率下混凝土单轴抗压实验，对作动器中力传感器得到的轴力和位移应变器采集的数据，作出了不同加载速率下应力应变曲线。在10－2/s、10－3/s、10－4/s和10－5/s加载速率下，四块试件的应力应变曲线如图5、图6、图7和图8所示。这些应力应变曲线可以体现出混凝土在动态过程中的力学性能及内部机理参数的变化规律。

表3 不同加载速率下弹性模量至及均值(104N/mm2)

在单轴抗压的试验中，应力应变曲线可以反映出混凝土由初始受压直至出现裂纹、裂缝、起皮甚至到最后贯通被压坏等一系列的破坏过程。曲线的变化规律可以反映混凝土受压破坏机理及变形行为，包含曲线上升段和下降段表现的混凝土破损中出现的现象和混凝土的动力特性及材料的内部机理参数［4－6］。

将四块试样样本取均值后统计出不同加载速率下应力应变曲线如图9所示。由图9可以看出，随应变增加，混凝土应力值快速增加并达到峰值，之后快速降低;而且加载速率越低，混凝土的应变峰值出现的越早。本研究中，混凝土在加载速率为10－2/s、10－3/和10－5/s时峰值应力值相近，加载速率为10－4/s时峰值应力较低，这表明应力随应变的变化在不同的加载速率下会有不同的表现形式。

图9 不同加载速率下混凝土的应力应变曲线

3 结论

(1)单轴实验实验研究了C20混凝土性能随加载速率的变化规律:抗压强度均值在加载速率由10－5/s至10－2/s时稍有上升;峰值应变均值在加载速率10－5/s至10－2/s时呈先上升后下降的趋势;弹性模量主体呈下降走势，而均值在加载速率10－5/s至10－4/s时下降十分明显，之后变化不大。

(2)通过C20混凝土应力应变曲线的确定，分析了C20混凝土的动态力学性能，单轴抗压实验表明，C20混凝土在不同的加载速率下应力应变曲线动态力学性能会有不同的表现形式。

［1］过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］董毓利，谢和平，赵鹏.不同应变速率下混凝土受压全过程的实验研究及其本构关系［J］.水利学报.1997，(7):72-77.

［3］肖诗云，林皋，逯静洲，等.应变率对混凝土抗压特性的影响［J］.哈尔滨建筑大学学报.2002，35(5):35-39.

［4］尚仁杰.混凝土动态本构行为研究［D］.大连:大连理工大学，1994.

［5］崔延卫.混凝土动力特性试验研究方法分析及其应用［D］.南京:河海大学，2005.

［6］闫东明.混凝土动态力学性能试验与理论研究［D］.大连:大连理工大学，2006.