混凝土历经荷载历史的动弯拉特性试验研究

任晓军，孙吉书，窦远明

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.天津铁道职业技术学院，天津 300240）

混凝土材料在房屋建筑工程、道路与桥梁工程、河堤大坝工程等领域有着广泛应用．自Abrams于1917年发现了混凝土速率敏感性，国内外学者便开始对混凝土的动态特性进行大量的试验研究．相对于混凝土的静态力学性能而言，混凝土的动态力学性能更为复杂以及因为在工作过程中混凝土要受到地震、风荷载、爆炸荷载等荷载作用，致使其更为接近实际受力情况，故混凝土的动态力学性能对结构的安全和稳定起关键性作用．

尽管近年来对混凝土动态性能的研究颇多，但动态力学性能的研究成果仍然存在很大的提升空间，尤其是对混凝土动态抗弯拉力学性能相关试验的研究．混凝土的动弯拉特性对高拱坝体等结构具有重要的实用价值，不少学者在该方面也进行了大量的试验研究并取得了一些成果[1-3]，周继凯，杜修力[4-6]等人均考虑了不同初始静载和加载历史下混凝土的动弯拉力学特性，得出混凝土动弯拉强度随着初始静载的提高而增大．因此，将混凝土动态抗弯拉力学性能在应荷载历史方面的研究置在了一个很重要的位置．

本文采用标准的试件制作方法和适当的加载工艺，利用MTS加载装置和先进的数据采集仪，考虑不同的加载历史，当应变速率分别为106s1、105s1、104s1时，对强度为C40的混凝土试件的抗弯拉强度、弹性模量、峰值应变等力学特性和变形性能进行了研究．

1 实验过程

1.1 实验设备

试验进行的地点是河北工业大学结构实验室，试验设备主要包括加载设备和数据采集系统两部分．

加载设备为液压伺服加载系统，该系统包括：液压源、电液伺服加载器和控制装置（图1）．加载信息由控制装置发出，经计算机调整，液压伺服系统接受指令后进而对加载头进行控制，通过加载头的上下运转来调整作用在混凝土试块上的初始荷载和加载速率，加载的时间和加载头竖向位移都可以通过计算机来控制．

试验中采用的数据采集系统为 DH5922动态信号测试分析系统，仪器为 DH5922动态信号采集仪，动态测试分析系统的主要作用为信号采集与处理，可以满足各种信号处理的需要，如图2所示．

1.2 试件制备

根据水泥混凝土试验规程的规定采用150 mm×150 mm×550 mm的长方体标准试件．为保证试件制作过程中混凝土的均匀性，减小试件不均匀性对试验结果的影响，本试验用的试件均在现场拌制．水泥采用奎山牌42.5级普通硅酸盐水泥，粗骨料为碎石，石子粒径为5～20mm，骨料占35%，细骨料为Ⅱ区中砂，骨料所占比例为65%，减水剂采用高性能聚羧酸，自来水拌作为拌合用水．配合比见表1（表1中单位kg/m3）．

1.3 试验方法

本试验主要研究C40混凝土在106s1、105s1、104s13组应变速率下考虑加载历史的动态试验．并且以106s1为拟准静态应变速率，以此作为对比标准的依据．具体加载方法为：在测定的应变速率下将混凝土试块加载到极限抗弯拉强度的30%后，卸载到0，再加载到极限抗弯拉强度的60%后，卸载到0，再重新以该应变速率加载直至破坏，试验结束．最后分析试验数据，与相同条件下未经历荷载历史的试块进行对比．在每组试验中混凝土试块数量为3块，采取有效值作为抗弯拉强度．

试验采用三分点加载混凝土试块，顶面和地面分别黏贴一个横向的应变片和一个竖向的应变片，如图3所示，横向的应变片的规格为5 mm×50 mm，纵向的应变片的规格为5 mm×100 mm．放置底座和压头是很关键的问题，因为试块上面需要放置压力传感器，所以试块上面应放置一个压头，在三分点加载中，底座的安放位置左右两边距离试块边缘的距离各为50 mm，压头的中心线长度为150 mm，压头应该安放在试块的中间三分之一处，如图4所示，图中 大小为150 mm．

2 实验结果及分析

2.1 混凝土极限弯拉强度

本文通过液压伺服试验机对混凝土试件进行动态弯拉试验，采用的应变速率分为106s1、105s1和104s1，其中加载速率为180N/s时，对应的应变速率为110-6s-1．混凝土的动态抗弯拉强度不仅会受到应变速率的影响，还会受到荷载历史的影响，有时二者会同时发生和作用．

图1 液压伺服加载系统图Fig.1 Hydraulic servo loading system

图2 DH5922动态信号采集分析系统Fig.2 DH5922 dynamic signal acquisition and analysissystem

表1 混凝土-配合比 kg/m3Tab.1 The mix composition of concrete

图3 应变片的布置Fig.3 Thearrangement of strain gauge

表2数据为经历荷载之后的混凝土动态抗弯拉强度和直接进行加载没有经历荷载历史的混凝土试块的动态抗弯拉强度值，单位MPa．

随着应变速率的增加，混凝土动态抗弯拉强度增加．经历荷载历史后，混凝土动态抗弯拉强度提高的主要原因是：从消耗能量的角度来讲，混凝土的破坏主要是因为裂缝的存在和发展，从断裂力学知识的角度来看，裂缝的发生所需要的外界的能量远大于裂缝进一步发展所需要的能量，当试块经过荷载历史以后，裂纹形成的数量随着初始荷载的增加而不断的增加，但超过一定的限值增加的程度也将不会明显，由于裂纹初态的形成，这样再进行加载，所需要的外界力将提高，在混凝土试块上体现出的是抗弯拉强度极限值的增加．

通过数据处理与拟合得到经历荷载历史的C40混凝土动态抗弯拉强度和应变速率的线性关系为式 (1)所示．

2.2 荷载历史对峰值应变的影响

应变是混凝土变性特性中的重要组成因素，峰值应变即为混凝土应力应变曲线上，最大应力所对应的应变值．所以研究混凝土的峰值应变有利于研究荷载历史对混凝土变性特性的影响，先前已经有应变速率对混凝土应变的影响，但是研究荷载历史下，应变速率对混凝土的影响的试验较少，这样就提高了研究的意义和价值．经历初始荷载为混凝土的峰值应变随着应变速率的变化的具体情况见表3所示．

混凝土的峰值应变随着应变速率的增加，而不断的减小．减小的原因为混凝土破坏的时间逐渐减小，纵向应变发展的成熟度也逐渐减弱，导致应变峰值处的数值减小．然而经历荷载历史后，混凝土的峰值应变却有增加的趋势，因为破坏时间所需要的时间越长或者加载试件越充分，可以使试件的变形得到进一步的发展，表现的结果为峰值应变变大，这样就得到的数值就会大于直接加载所得到的应变值，因为后者对试件造成破坏时的时间大大小于前者所消耗的时间．

通过数据处理与拟合，得到经历荷载历史的 C40混凝土动态抗弯拉峰值应变和应变速率的线性关系为式 (2)所示．

2.3 荷载历史对弹性模量的影响

一般来讲，在混凝土应力-应变曲线上升段，从开始加载到混凝土极限强度的60%以前，混凝土的应力 与应变 呈现很好的比例关系，此阶段处于弹性阶段．微小裂缝出现但可以忽略不计．根据试验得出混凝土在达到50%峰值应力以前，应力-应变关系接近线性．本文取到达50%峰值应力处的割线斜率为混凝土的初始弹性模量，荷载历史对混凝土弹性模量的影响具体情况如表4所示．

图4 试验装置Fig.4 Test apparatus

表2 经历荷载历史后混凝土的抗弯拉强度Tab.2 The flexural strength of the concrete in the experience of loading history

表3 经历荷载历史后混凝土的峰值应变Tab.3 The peak strain of concrete in the experience of loading history

从表4中的数据可以看出，随着应变速率的增加，混凝土的弹性模量成增加的趋势．对于直接加载方式中，混凝土弹性模量相对于1×106s1来说增加幅度分别为：2.6%、4.9%、12.5%．在经历荷载历史后，混凝土的弹性模量相对于1×106s1来说增加幅度为：2.9%、7.0%、15.4%．根据数据的增长趋势，发现弹性模量比（ /）与应变速率的对数值的关系接近线性，经过拟合，得到经历历史荷载后，混凝土动态弹性模量与准静态弹性模量的比值和应变速率对数的关系式为式 (3)所示．

2.4 荷载历史对泊松比的影响

在本试验中经过计算得到的经历荷载历史后，混凝土的泊松比在不同应变速率条件下的结果，如表5所示．从表中的数据可知，应变速率与荷载历史对混凝土泊松比的影响不是很大，没有什么明显的规律性变化．混凝土受动态弯拉时，其泊松比比较离散的分布在0.17～0.23之间，一般情况下，混凝土的泊松比采用0.2．

3 结论

1）经过荷载历史后，混凝土的动态抗弯拉强度较相同条件下直接加载破坏得到的抗弯拉强度而言增加．

2）荷载历史影响混凝土抗弯拉强度的原因主要是初始裂纹的形成和发展，造成耗能的增加．应变速率使混凝土抗弯拉强度增加的原因是粗骨料破坏数量的增加．

3）随着应变速率的增加，峰值应变逐渐减小，主要是因为破坏时间的急剧缩短．经历荷载历史后，峰值应变得到增加，较直接加载而言，数值变大．

4）混凝土动态抗弯拉弹性模量经过荷载历史后呈增长趋势．

5）混凝土的泊松比受荷载历史和应变速率的影响不大，可以采用0.2．

表4 经历荷载历史后混凝土的弹性模量 103 MPaTab.4 The modulus of elasticity of theconcrete in the experience of loading history

表5 经历荷载历史后混凝土的泊松比Tab.5 The poisson's ratio of the concrete in the experience of loading history

[1]中国水利水电科学研究院，河海大学．全级配大坝混凝土动态性能研究报告 [R]．2004．

[2]周继凯，吴胜兴，沈德建，等．小湾拱坝三级配混凝土动弯拉力学特性试验研究 [J]．水力学报，2009，40（19）：1108-1114．

[3]侯顺载，李金玉，沈德建，等．高拱坝全级配混凝土动态实验研究 [J]．水力发电，2002（1）：51-53．

[4]周继凯，吴胜兴，沈德建，等．小湾拱坝三级配混凝土动弯拉力学特性试验研究 [J]．水力学报，2009，40（19）：1108-1114．

[5]杜修力，田瑞俊，彭一江．预静载对全级配混凝土梁动弯拉强度的影响 [J]．地震工程与工程震动，2009，29（2）：98-103．

[6]马怀发，陈厚群，黎保琨．预静载作用下混凝土梁的动弯拉强度 [J]．中国水利水电科学研究院学报，2005，3（3）：168-174．