含初始缺陷混凝土的拉伸试验研究

史帅帅，张云发(河海大学力学与材料学院，江苏南京210098)*

含初始缺陷混凝土的拉伸试验研究

史帅帅，张云发
(河海大学力学与材料学院，江苏南京210098)*

在相同配合比下的混凝土试件中加入4种不同含量的引气剂，用来模拟混凝土试件的初始缺陷程度，并在WAW－E2000万能试验机上进行混凝土试件的轴向拉伸试验，测出了混凝土在拉伸试验过程中的应力－应变全曲线，研究了不同含量的引气剂对混凝土的抗拉强度、变形特性与损伤特性的影响.试验结果表明:随着引气剂含量的增大，混凝土的应力－应变曲线逐渐变平缓，混凝土内的初始损伤程度相应增加，且抗拉强度随之降低，而峰值应变基本保持不变.

混凝土;初始缺陷;受拉;引气剂;试验研究

0 引言

混凝土在浇筑成型的过程中存在不同程度的内部缺陷［1-2］，称为初始损伤.在外部荷载作用下，混凝土中的这种初始损伤会不断地发展，累积，直到破坏.为保证混凝土结构在标准使用年限的安全性，深入地研究混凝土材料的初始损伤以及其对结构力学性能的影响是非常有必要的.

在混凝土结构各项安全性能的研究中，最基本也是最重要的就是其力学性能的研究.截止到目前为止，关于混凝土材料的强度、变形等，在静态方面，国内外的研究人员基本都已达成共识，但是大多数都没有考虑到混凝土初始缺陷的问题，在这方面的研究就相对更少了.在力学试验的方面，Hsu等［2］研究了素混凝土中微裂缝对应力－应变曲线形状的影响; Liners［3］研究了含微裂缝混凝土在压缩下的性能及对拉伸强度的影响; Mitsuru［4］( 1987)通过试验研究了混凝土内部初始缺陷的组成和在荷载下的发展情况; Bascoul［5］( 1996)考虑混凝土的内部缺陷，研究了加载情况下微裂缝的扩展.

本文在WAW－E2000电液伺服万能试验机上对混凝土进行单向拉伸试验，研究了不同初始缺陷含量对混凝土的抗拉强度、变形特性和损伤特性的影响.

1 试验概况

1.1混凝土初始缺陷的考虑

在浇筑混凝土试件的过程中，加入一定数量的苯磺酸钠引气剂，人为地制造出一些微孔隙、微裂纹，用来模拟初始损伤，所以初始损伤的程度随着引气剂含量的变化而变化.

1.2加载设备

加载设备采用河海大学工程力学与结构检测实验室的WAW－E2000电液伺服万能试验机.试验机主机采用AMSLA式油缸上置主机，电器都采用DOLI控制器，试验机的试验力(最大试验力为2 000 kN)、试件变形和活塞位移等参量均为闭环控制.

1.3量测、采集设备

轴拉试验主要测量的力学参数有试件轴向荷载、作动器位移及试件轴向变形或应变.试件轴向荷载、作动器位移可以通过加载设备上的荷载、位移传感器确定，关键是得到试件的轴向变形或应变.

电阻应变片、千分表或引伸计是测量应变的主要设备.课题组选择了型号为B×120－100AA 100×3的电阻应变片，其灵敏度系数为2.08±1%.

试验过程数据采集系统采用江苏省东华测试技术有限公司研制的DH3818静态电阻应变仪，分辨率可达到1 με，完全可以满足试验的需要.

1.4试件制备

混凝土试块的大小为: 100 mm×100 mm× 500 mm，两端各埋入一根Φ16 mm、长245 mm的螺纹钢，埋入深度为100 mm.混凝土试件设计强度等级为30 MPa，其配合比(按重量)为水泥∶水∶砂∶碎石= 367∶180∶649∶1 204.所用水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5;水采用的是自来水;砂子采用的是中砂;粗骨料为连续粒径大小的碎石，石子的最大直径为20 mm.在( 20± 3)℃的温度和相对湿度在90%以上的环境下养护28 d，测得的具有95%保证率的抗压强度.试验通过加入不同的引气剂的含量来表示混凝土初始缺陷程度的不同，因此可根据引气剂含量的不同来分组，试件共为为四组，每组有8个试件，一组为引气剂量为0的混凝土，编号为B1－n( n = 1，2，…，8)，其他三组的引气剂掺入质量比(对混凝土方量而言)分别为0.05%、0.1%和0.15%，编号分别为B4－n、B3－n和B2－n，各组引气剂掺量与试件编号见表1.

表1 试件的编号

混凝土试块的制作要求是根据GB/T 50081 －2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的有关规定.浇筑的模具两端面开Φ16 mm的螺纹孔，用于预先埋置螺纹钢.制作过程中，先将螺纹钢用螺母固定于模具两端面，一组试件一次配料，将集料放入搅拌机搅拌均匀，分别浇入水平放置、尺寸为100 mm×100 mm×500 mm长方体钢模中，振动台振动密实、成型，然后按照规范要求养护28 d，最后在自然条件下养护.

1.5试验过程

混凝土拉伸试验在伺服万能试验机上进行，受力采用单轴加载形式，不考虑侧向加载力.试验机可采用两种控制方式:程序控制和手动控制，程序控制需设定试验终止条件，手动控制则较为灵活，在试验过程中可以根据试验具体情况进行调整，本试验均采用手动控制.试验采用位移加载的模式，加载速率为0.1 mm/min，应变率为1.1× 10－5，查相关文献可知，此应变率下的试验可以视作为准静态加载试验.

2 试验结果与分析

2.1不同引气剂含量对混凝土应力－应变曲线的影响

混凝土经过荷载的作用，使混凝土内部的初始损伤发展、累积，因此经历荷载作用后，混凝土内部损伤会使得混凝土的力学性能产生变化.图1分别给出了引气剂含量为0 ( B1)、0.05% ( B4)、0.1%( B3)和0.15% ( B2)时，混凝土试件准静态受拉过程的应力－应变曲线，其中B1，B2，B3，B4分别为B1－n，B2－n，B3－n，B4－n中正常试件的平均值.从图1中可以看出:混凝土在掺入引气剂之后，其应力－应变曲线与未加引气剂的混凝土有着较大的区别的，引气剂的引入对混凝土的力学性能有着较大的影响，这种含有人为制造的初始损伤的混凝土力学性能是有区别于正常浇筑(引气剂含量为0)的混凝土的.随着引气剂含量的增加，曲线的斜率、峰值应力逐渐变小，而峰值应力对应下的峰值应变则保持基本不变.

图1 混凝土拉伸应力－应变曲线

2.2不同引气剂含量对混凝土相关力学性能的影响

混凝土的力学性能与混凝土的强度、弹性模量、峰值应变等参数有关，随着引气剂的引入，使得这些参数与一般混凝土的参数不同.试验中，每组有8个试块，除去试验中因偶然因素而导致数据失败外(如偏心试件)，第一组(引气剂量为0)有4个正常试件，第二组(引气剂量为0.05%)有4个正常试件，第三组(引气剂量为0.1%)有3个正常试件，第四组(引气剂量为0.15%)有1个正常试件.通过分析试验结果，可得到引气剂含量不同的混凝土试块的相关力学性能参数如表2所示.

表2 混凝土力学性能参数

2.2.1不同引气剂含量对混凝土抗拉强度的影响

从表2中可以看出，伴随着引气剂含量的加大，混凝土内部的缺陷也随之增多，混凝土的抗拉强度平均值也有所降低.相对于未加引气剂的混凝土试件，加入了0.05%、0.1%和0.15%引气剂含量后的平均抗拉强度分别降低了29. 36%、54. 22% 和60.37%.因此，可看出引气剂的加入对混凝土产生了初始损伤，而且随着引气剂含量的加大，初始损伤的程度也越大.同时，也可以从上表中看出，随着引气剂量增大到一定程度时，混凝土内部缺陷，则趋向于最大限度，强度也不增加了.

2.2.2不同引气剂含量对混凝土峰值应变的影响

混凝土应力－应变曲线中峰值应力处的应变为峰值应变.邱玲、徐道远和邓爱民等［6-7］通过加入引气剂来模拟损伤的方法，得到的结论是:随着引气剂含量的增加，峰值应变逐渐增大.由于试验的局限性，文中的应力应变曲线并不完整，只有应力应变曲线的上升段，所以得到的峰值应变存在一定的误差.表2给出了本文试验中，不同缺陷含量混凝土受拉时的峰值应变值的情况.可以看出，峰值应变离散性较大，但从均值来看，对不同含量引气剂试件的峰值应变影响不大，随着引气剂量的增加，峰值应变基本保持为一常量不变.

2.2.3不同引气剂含量对混凝土损伤特性的影响

本文定义混凝土的损伤程度为混凝土弹性模量的退化，即用下面的公式计算混凝土的损伤程度:

式中，D0为初始损伤，EC为混凝土的初始弹性模量，E0为理想的无损弹性模量，通过不同含量引气剂得到的初始弹性模量拟合后得到.其中，取应力应变曲线上达到峰值应力30%处的割线弹性模量作为混凝土的弹性模量.从表2中可以看出，随着引气剂含量的加大，混凝土弹性模量在慢慢减小.

由表2中的实验数据，在弹性模量和引气剂的两个变量中按下式方程进行拟合:

式中，x为引气剂含量，y为弹性模量，单位为GPa;根据实验数据，将加入引气剂的三组数据中正常试件弹性模量的平均值和引气剂的含量带入方程，可解出: a = 32.54，b = 1.238，c = 15.20，并将结果代入原方程( 2)，可得:

当无引气剂时，即x = 0时，为理想的弹性模量，即

由表2可知，引气剂含量为0的混凝土初始弹性模量为31.88 GPa，由式( 1)可算出引气剂含量为0的混凝土试件的损伤值为0.332.

类似的，可以得到掺入引气剂含量为0. 05%、0.1%和0.15%的混凝土试件的初始损伤值分别为0.484、0.624和0.665，从这几个数字可以看出，引气剂含量越多，数字就越大，损伤程度也就越大.

3 结论

本文通过引气剂含量的不同来表征初始缺陷的程度不同，并在电液伺服试验机上进行单抽拉伸试验，可以得到:

( 1)随着加入引气剂含量的增加，混凝土内部所受到的初始损伤随之增加，混凝土应力－应变全曲线也变得越平缓;

( 2)随着加入引气剂含量的增加，开始时混凝土的抗拉强度逐渐减小，但随着引气剂含量的加大，强度减少程度逐渐变小，并趋向一个限值，为以后学者进行类似研究提供了一个方向;

( 3)随着加入引气剂含量的增加，混凝土的弹性模量逐渐减小，而峰值应变则基本不变;

( 4)通过试验数据、曲线拟合得到的初始损伤值，不仅可以把损伤程度进行量化，也为进一步采用数值方法进行含初始缺陷混凝土结构的安全分析奠定了基础.

［1］陈厚群.对水工抗震的思考［J］.中国电力企业管理，2008( 8) : 35-35.

［2］HSU T T C，SLATE F O，STURMAN G M，et al.Microcracking of plain concrete and the shape of the stressstrain curve［J］.ACI Journal Proceedings，1963，60 ( 2) : 201-204.

［3］LINERS A D.Microcracking of concrete under compression and its influence on tensile strength［J］.Materials and Structures，1987，20( 2) : 111-116.

［4］MITSURU S.Characteristics of microcracking in concrete under static and repeated tensile loading［J］.Cement and concrete research，1987，17( 2) : 211-218.

［5］BASCOUL A.State of the art report-Part 2: Mechanical micro-cracking of concrete［J］.Materials and Structures，1996，29( 2) : 67-78.

［6］邱玲，徐道远，朱为玄，等.混凝土压缩时初始损伤及损伤演变的试验研究［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2001，24( 6) : 1061-1065.

［7］邓爱民，徐道远，符晓陵，等.混凝土单轴拉伸损伤试验研究［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2003，26( 1) : 77-80.

Study Impact on Tensile Properities of Concrete with Different Initial Defections

SHI Shuaishuai，ZHANG Yunfa
( College of Mechanics and Materials，Hehai University，Nanjing 210098，China)

Initial defections were simulated through mixing different quantities of air entraining agent into four test samples of the same concrete，and then tensile tests of plain concrete specimens were carried out by using a static-dynamic test machine.The relation of stress-strain curves of the concrete were obtained，and the effects of different initial defections on tensile strengths，stress-strain curves and damage behaviors of the concrete were investigated.It is found that the initial damage of concrete are increasing，and the stress-strain curves are began to flatten.The bending strengths of the concrete are decreased with the increasing quantities of air entraining agent，but the peak strains are remained unchanged.

concrete; initial defections; tensile; air entraining agent; experiment study

A

1673-9590( 2016) 01-0048-04

2015-03-16

国家自然科学基金资助项目( 51179064)

史帅帅( 1989－)，男，硕士研究生，主要从事损伤断裂的研究

E-mail: 726631543@ qq.com.