混凝土抗压强度试验中的“环箍效应”

谢冰 吴昌勇

(1. 洛阳理工学院土木工程学院，河南 洛阳 471003；2. 广西保利置业集团有限公司，广西 南宁 530028 )

混凝土是公路工程建设的重要材料，其标准立方体压缩试验结果是表征混凝土强度的重要力学指标之一。国内外学者就混凝土压缩试验进行了大量研究，例如，西安理工大学的梁昕宇等利用CT技术扫描观测混凝土的单轴压缩过程，通过分析图像变化,研究了CT图像与混凝土宏观破坏的关系；华南理工大学的周伯贤通过单轴压缩试验获得了两种再生粗骨料混凝土的基本力学性能等。在混凝土立方体压缩试验过程中，压板与试件表面不可避免地出现摩擦作用，约束试件的横向变形，形成“环箍效应”，这种现象往往对试验结果的精度产生重要影响，而目前就“环箍效应”对抗压试验影响方面的研究较少，本文将利用离散元软件PFC2D对抗压试验中的“环箍效应”进行模拟，研究压板与试件间的摩擦对混凝土抗压试验的影响。

一、PFC2D计算原理

在离散元软件PFC2D计算中，基本计算元素为颗粒和刚性墙，计算是通过不断对颗粒、接触、墙体应用力-位移等相关定律循环迭代完成的，从而获得颗粒与颗粒之间的接触力及颗粒与墙体之间的接触力。

图1 接触示意图

程序计算中的基本元素颗粒和墙体如图1所示，其中“A”“B”代表颗粒与颗粒，颗粒之间通过接触面设置接触，“W”“b”则代表墙与球。

二、“环箍效应”的数值模拟

（一） 数值试件建立

由于工程常用的不同强度的混凝土标号众多，在此无法一一探讨不同标号混凝土的“环箍效应”特征，因此仅以较为常用的C35标号混凝土作为代表开展研究。

如图2所示，建立了150mm×150mm混凝土立方体数值试件，试件两端为刚性墙，通过墙体的相对移动加载试件，试件是由圆形颗粒通过平行粘接接触模型集合而成，其中平行粘接接触模型可以模拟颗粒间的接触法向力、切向力及接触力矩，适用于岩石、混凝土类材料的模拟。通过PFC2D中的CLUMP命令和程序自带的FISH语言编程产生了在立方体试件中随机分布的混凝土骨料，模型中的计算参数如表1所示。

表1 计算参数

图2 试件计算模型

通过对上述数值试件的单轴压缩试验，获得了如图3所示的单轴压缩曲线，由试验结果可知数值试件的抗压强度为34.5MPa，弹性模量为31.7GPa，泊松比为0.2，此结果与C35标号混凝土立方体试验的标准值较一致，证明数值试件的计算参数取值合理，利用PFC2D进行数值试验分析可行。

图4 不同数值试件的压缩曲线

（二）不同工况下“环箍效应”的数值模拟

为了研究混凝土立方体压缩试验中压板与混凝土试件受压表面间的磨擦对结果的影响，分别设置刚性墙摩擦系数为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5六种工况，进行数值试验，结果如图4所示。

从图中可以观察到，各应力应变曲线的前半部分基本重叠，曲线斜率趋于一致，表明摩擦系数对试件的弹性模量影响不显著；随着摩擦系数数值的增大，试件的压缩强度显示出增大的趋势。混凝土立方体试件破坏时颗粒间的接触力分布如图5所示，其中(a)(b)分别是刚性墙摩擦系数为0、0.5的对应情况，由图可知，随着刚性墙摩擦系数的增大，试件上端面与刚性墙接触的颗粒在压缩过程中的摩擦力将逐渐增大，其沿侧向移动将变得越来越困难，试件中部的接触力逐渐向中间集中，这与室内试验中观察到的“环箍效应”相吻合。

图5 两种摩擦系数情况下的试验结果

上述过程也可从图2所示的测量圆测得的对应位置的水平向应力变化情况进一步说明，在此选取刚性墙摩擦系数为0和0.5两种情况，记录压缩过程中应力变化情况如图6所示，由图中的计算结果表明，刚性墙摩擦系数大的测量圆所测得的水平向应力大，即刚性墙与端面接触颗粒的摩擦力大将导致压缩过程端面部位的颗粒移动困难，出现了类似“侧限”的效果，进而形成水平向的应力累积，导致水平应力增大，因此“环箍效应”将使破坏后的试件呈现出中部断面小、端部断面大的形态。

图6 水平向应力时程曲线

三、结语

该研究针对混凝土抗压强度试验中常遇到的“环箍效应”问题，研究应用离散元软件PFC2D，表明离散元软件PFC2D将混凝土试件视为由颗粒组成的集合体，与真实混凝土中砂、石颗粒作为骨料的情况相一致，能够较为真实地模拟混凝土材料；加载平面与混凝土接触面的摩擦将导致“环箍效应”出现，试件破坏后呈现出中部断面小，端部断面大的形态；端面摩擦系数的提高对试件的弹性模量影响不显著，但试件的抗压强度呈现出增大的趋势。