玻化微珠保温混凝土的应力-应变关系试验研究

郑红勇，柴丽娟

（1.太原学院，山西 太原 030032；2.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

1 引言

我国能源短缺，建筑能耗所占比例较大，建筑节能至关重要。我国相关部门相继发布了一系列建筑节能标准，如 《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)[1]等。另外，我国在一些地方颁布了补贴政策，北京市鼓励建筑工程申请绿色建筑标识，政府负责支付评审费，并对高星级绿色建筑实行补贴政策[2]等。建筑节能标准以及绿色建筑补贴政策的实施，促进了建筑新型节能材料的研发和推广。

玻化微珠保温混凝土是一种集保温和承重的新型材料，目前对保温混凝土的研究较成熟[3]。玻化微珠保温混凝土单轴受压应力-应变关系曲线是钢筋混凝土结构内力分析的基础[4-6]。文献[7]参考《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[8]中规定的普通混凝土的应力-应变关系式以及峰值应变等，对保温混凝土的相关性能进行了研究，并得出保温混凝土的峰值应变随强度等级的增加而减少，与普通混凝土的峰值应变变化规律相反的结论。

为了研究玻化微珠保温混凝土峰值应变随强度等级的变化规律，试验设计了三种不同配方，研究C30、C40和C50保温混凝土的峰值应变变化规律以及单轴受压应力-应变关系。

2 试验材料

1）试验所用玻化微珠选自河南信阳某工厂，其主要物理性能见表1。

表1 玻化微珠的主要性能Table 1 Themain properties of glazed hollow beads

2）试验所用水泥是42.5级普通硅酸盐水泥，细度是0.65，比表面积是400m2/kg。

3）试验所用砂子是中砂，细度模数是2.67；石子是碎石，级配是5~20mm。

4）试验所用硅灰选自四川某厂家，平均粒径180nm。

5）试验所用减水剂是课题组自制的减水剂，试验所用水是太原市自来水。

3 试验方案

试验设计了三种不同配合比，如表2所示。

表2 1m3保温混凝土试验配合比设计Table 2 The design mixture

试验参考 《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081-2002)，每种强度等级下制作边长为150mm的立方体试块三块来测量抗压强度，参考已有的混凝土应力-应变关系研究方法，每种强度等级下制作150mm×150mm×300mm的棱柱体试块三块，参考文献[9]中保温混凝土导热系数的测定方法，制作300mm×300mm×30mm试块两块。

试块制作过程如下：首先将玻化微珠预湿90s，再将其他材料倒入搅拌机中搅拌240s。将制作好的试块编号拆模后，放在温度为23℃的养护池水中养护28天，然后进行抗压强度与应力-应变关系试验。

保温混凝土试块抗压强度试验所用仪器是太原理工大学结构实验室2000kN微机控制电液伺服万能试验机，加载速率为0.6MPa/s；应力-应变关系试验所用仪器是5000kN微机控制电液伺服万能试验机，应力-应变关系试验上升段的应变用敏感栅长度为80mm的应变片测量，应变片纵向粘贴在棱柱体浇筑位置的两个侧面，下降段用光电百分表测量。保温混凝土本构关系上升段的加载速率是0.002mm/s，待荷载达到峰值荷载的90%后，速率为0.001mm/s[10]；导热系数试验所用仪器是沈阳合兴检测设备有限公司生产的DRCD-3030型智能化导热系数测定仪。

4 试验结果及分析

4.1 峰值应变、极限应变

试验所测得的保温混凝土立方体抗压强度fcu、导热系数λ、棱柱体峰值应力fc，r以及同强度等级下保温混凝土和文献[8]中规定的普通混凝土棱柱体的峰值应变 εc，r、极限应变与峰值应变的比值εc，u/εc，r如表 3 所示。

表3 试验结果Table 3 The test results

由表3可知，随着强度等级的增加，玻化微珠保温混凝土的导热系数逐渐增加，棱柱体峰值应力和峰值应变也逐渐增加，保温混凝土峰值应变的变化趋势与普通混凝土的一致，这与文献[7]得出的规律不同。同强度等级下保温混凝土的峰值应变以及极限应变与峰值应变的比值比普通混凝土的大，说明保温混凝土的延性比普通混凝土的好。随着强度等级的增加，保温混凝土的极限应变与峰值应变的比值逐渐减小，说明保温混凝土的延性逐渐变差。

随着强度等级的增加，保温混凝土的密度逐渐增加，空隙率逐渐减小，空气含量越少，保温混凝土的导热系数增加；玻化微珠是影响保温混凝土导热系数的主要因素，而三种配合比中，玻化微珠的含量是一样的，随着强度等级的增加，玻化微珠的作用效果有所减弱，故保温混凝土的导热系数的逐渐增加。因此，在保温混凝土强度提高的同时，保温性能变差。

玻化微珠轻质多孔，受力小，变形大，导致保温混凝土的变形增加，故保温混凝土的延性比普通混凝土的稍好。三种强度等级下玻化微珠的含量一样，强度等级较高的保温混凝土中玻化微珠所起的分散能量的作用不如低强度等级的保温混凝土，故随着强度等级的增加，保温混凝土的延性逐渐变差。

4.2 应力-应变关系模型

《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中规定的普通混凝土单轴受压应力-应变关系模如下：

其中，

n-本构曲线上升段参数值；

αc-本构曲线下降段参数值；

dc-混凝土受压损伤演化参数；

参考以上公式，对玻化微珠保温混凝土应力-应变关系进行拟合，以 ε/εc，r、σ/fc，r为坐标的保温混凝土应力-应变关系的拟合曲线以及同强度等级下普通混凝土的应力-应变曲线如图1所示。

图1 保温混凝土和普通混凝土棱柱体的应力-应变拟合曲线图Fig.1 The stress-strain fitting curves of prisms of TIC and NC

玻化微珠保温混凝土棱柱体本构关系拟合参数n、αc，以及 《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2010)规定的同强度等级下普通混凝土的拟合参数如表4所示。

表4 保温混凝土和普通混凝土棱柱体应力-应变关系拟合参数Table 4 The fitting parameters of stress-strain relationships of prisms of TIC and NC

玻化微珠保温混凝土三种强度等级下的应力-应变无量纲曲线如图2所示。

由表4可知，参考 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)拟合保温混凝土应力-应变曲线比较理想，三种强度等级下，上升段曲线拟合度均较高，C30和C50下降段曲线拟合度较高，而C40下降段拟合度较低，具体原因有待研究。

保温混凝土应力-应变上n值与混凝土的弹性模量和峰值点的割线模量有关，n越大，应力-应变无量纲曲线的斜率越小，曲线越平缓；αc越大，说明曲线越陡。由图2可知，保温混凝土三种强度等级下，强度等级越高，n越大，上升段曲线越平缓，αc逐渐增加，下降段曲线越陡，说明保温混凝土的延性变差。

同强度等级下，与普通混凝土相比，保温混凝土的n较小，说明保温混凝土上升段较陡，而且随着强度等级的增加，保温混凝土和普通混凝土上升段参数的比值逐渐增加，说明二者上升段曲线越接近，这与玻化微珠含量有关，玻化微珠含量相同，强度等级较高的保温混凝土中玻化微珠对变形的影响效果比低强度等级的保温混凝土中玻化微珠的小；与普通混凝土相比，保温混凝土的αc较小，说明保温混凝土下降段曲线比较平缓，延性较好，但随着强度等级的增加，保温混凝土和普通混凝土下降段参数的比值规律不明显，可能是混凝土的离散型，有待研究。

图2 保温混凝土棱柱体应力-应变无量纲化曲线Fig.2 The dimensionless stress-strain curves of prisms of TIC

5 结论

1)随着强度等级的增加，保温混凝土应力-应变关系的峰值应变逐渐增加，与普通混凝土的峰值应变变化趋势相同。

2)随着强度等级的增加，保温混凝土的延性变差，但比同强度等级的普通混凝土的延性较好。