低温混凝土冲击压缩力学性能SHPB实验设计

陈文峰

(淮南职业技术学院工程管理系, 安徽淮南232001)

低温混凝土冲击压缩力学性能SHPB实验设计

陈文峰

(淮南职业技术学院工程管理系, 安徽淮南232001)

低温混凝土是混凝土理论的重要分支,其研究主要是为了满足寒冷地区房屋、铁路等基本设施建设的需要;从试件尺寸的选择、钢制模具的设计制作、低温混凝土的配合比设计、低温养护方法以及SHPB冲击实验设计等几个方面进行了低温混凝土动态冲击压缩SHPB实验的设计,研究低温混凝土在强冲击荷载作用下的应变率效应及温度效应,为确保低温混凝土SHPB实验的顺利进行做了充分的准备。

低温混凝土; 冲击压缩; 力学性能; 实验设计

1 引言

低温混凝土是混凝土理论的重要分支之一。随着我国西部大开发战略的深入进行,西北、东北等寒冷地区房屋、铁路等基本设施的大量建设,有关低温混凝土特性的研究越来越被人们关注和重视[1]。低温混凝土的养护制度、内部结构等和常温混凝土有很大的不同,其在低温条件下的水灰比、养护龄期及养护条件(温度、湿度)等对后期混凝土强度发展及应用均有较大的影响。目前对低温混凝土力学性能的研究主要集中在准静态,主要涉及不同低温条件下的物理力学性能参数如抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、弹性模量及应力应变曲线关系[2]。但低温混凝土在机械开挖、撞击等冲击荷载作用下主要表现其动态力学性能。低温混凝土动态力学性能研究对经受爆炸、撞击、机械开挖等冲击动荷载作用下的多年冻土区、寒区或昼夜温差大的地区混凝土结构的具体应用具有重要的理论指导意义和工程应用价值,同时也是对低温混凝土理论的丰富和发展。当前,利用SHPB实验装置研究混凝土在冲击荷载作用下的力学性能比较成熟。本文进行了低温混凝土的SHPB实验的实验设计,从而为研究其在冲击荷载作用下的动态力学性能提供保障。

2 试件尺寸的选择及模具的设计与制作

2.1 试件尺寸的选择

混凝土是由粗细骨料、胶凝材料、水、外加剂及掺和料组成的人造混合材料。由于混凝土材料的特殊性,研究其在强冲击荷载作用下的动态力学性能通常采用大直径SHPB实验装置。本试验采用安徽理工大学Φ74 mm直椎变截面SHPB。通过查找相关文献,利用大直径SHPB实验装置研究材料的动态力学性能,试件的长径比宜为L/D= 0.4～1[3-4]。本实验选用试件尺寸为Φ74 mm×37 mm。

2.2 模具的设计与制作

由于混凝土拌合物状态的可塑性,硬化后强度继续发展。通过查找相关文献,利用Φ75 mmSHPB试验装置进行混凝土力学性能研究试件的制作采用钻机取芯的方法,要求钻头的尺寸和试件尺寸一致,成本较高。为保证试件尺寸的统一,自行设计两片式定型组合钢模。模具实物图如图1所示。

3 低温混凝土配比设计

低温混凝土的力学性能与常温混凝土相比有很大的不同,其性能受很多因素的影响,主要有原材料的物理性质(如水泥的品种、骨料的种类、级配等)、配合比、含水量、养护条件等。考虑到低温混凝土材料实验的统一性,进行了C30、C40、C50三个强度不同强度等级,4个低温养护条件的混凝土配合比设计。

3.1 原材料的基本物理性质

该试验拌制混凝土所用材料有水泥、砂、石、水和早强型防冻剂。其中水泥采用淮南市八公山水泥厂的42.5级P.O;砂:河砂,细度模数为2.7,颗粒级配良好,含水为5.5%;粗骨料:人工碎石(瓜子片)(公称粒径5～15 mm,连续级配),含水1%;水:自来水;外加剂:CN-3早强型防冻剂(其掺量以水泥质量的百分比计算)。以上材料质量均符合国家相关标准规定。

3.2 配合比设计

分别进行了C30、C40、50三个强度等级混凝土的配合比设计。混凝土的拌合物状态的和易性及其强度均符合设计要求。具体配合比见表1。

按确定的配合比称量材料,其中材料的计量误差均符合有关规定,机械搅拌,装入设计模具,确保混凝土的入模温度,机械振捣密实,制作试块。

4 试块制作与低温养护制度

混凝土的低温养护条件有恒负温养护和变负温养护。根据现有实验室条件,选择了标准养护(标准养护箱)和恒负温养护(其中养护温度有0℃、-5℃、-10℃和-15℃。混凝土试块制作成型后,低温养护24 h后拆模,然后放入恒温恒湿养护箱进行负温养护,其中低温箱的温度控制为-30℃～+30℃,温度测试精度为±1℃。养护至规定龄期。把试件取出用电动打磨机进行两端面的打磨(确保试块两端面的平整,使试块两端面的不平整度控制在0.02 mm以内)。然后继续放入相应低温养护箱养护24 h后取出进行冲击实验。

5 冲击实验设计

冲击试验时低温环境的保障:低温环境条件下混凝土的力学性能要求混凝土试件的温度以及周围环境的温度在试验过程中保持恒定。由于混凝土是热惰性材料,在试验过程中将试件和空气接触部分用石棉包住,从而尽可能得减少混凝土试件内部的热损失,确保混凝土试件保持在相对封闭的低温环境中,从而实现实验过程中温度保持在有效范围。我们对石棉内试块的温度进行了测量,能满足试验所需要的温度精度要求。

本实验主要研究低温混凝土在不同低温养护条件下相同实验条件下的温度效应和应变率效应。在Φ74 mmSHPB直椎变截面钢杆系统上,分别对C30、C40和C50三个强度等级,五个养护条件(标准养护、0℃、-5℃、-10℃和-15℃)共180个试块进行冲击压缩实验。由于动态实验离散性大,为了确保实验结果的重复性,同强度等级同一养护条件下的混凝土试块,分别进行4冲击气压,每个气压3个试块进行冲击实验,从而研究低温混凝土的动态冲击压缩力学特性。

低温混凝土的材料组成、内部结构、养护条件等有其自己的特点,其力学性能也和普通混凝土都很大的不同。利用安徽理工大学Φ74直椎变截面SHPB钢杆系统研究低温混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能,分别从试件尺寸的选择、模具的设计制作、低温混凝土配合比设计、低温养护方案以及冲击实验设计等几个方面进行了实验设计,为下一步研究低温混凝土冲击压缩动态力学性能提供较好的保障。

[1] 王传星,谢剑,杨建江.超低温环境下混凝土的性能[J].低温建筑技术,2009,135(9):8-10.

[2] 刘超.混凝土低温受力实验性能[D].北京:清华大学,2011.

[3] 胡时胜,王道荣,刘剑飞.混凝土动态力学性能的实验研究[J].工程力学,2001,18(5):115-118.

[4] 王道荣,胡时胜.骨料对混凝土材料冲击压缩行为的影响[J],实验力学,2002,17(1):23-27.

TU502+.6;TU528.1

B

1671-4733(2015)02-0023-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.02.006

2015-03-10

安徽省高校省级优秀青年人才基金重点项目(2013SQRL141ZD);淮南职业技术学院自然科学研究项目(HKJ11-5)

陈文峰(1981-),女,安徽濉溪人,硕士,讲师,研究方向为混凝土结构,电话:18955451768。