超高性能混凝土的受压变形性能研究

超高性能混凝土的受压变形性能研究

0uhpc本构模型的研究uhpc是1991年法国的一种高速混凝土。这是一种具有可操作性高、抗压强度高、耐久性好等优点的新材料。虽然UHPC的问世仅有10年,但一出现即为国内外工程界所瞩目。目前国内外在UHPC的组成材料和配合比、制作和养护以及其物理力学性能方面的研究较多,但对配筋UHPC结构构件的基本力学性能、设计计算理论以及工程应用方面的研究却较少,UHPC的工程应用研究尚处于起步阶段。UHPC这种性能优异的建筑材料能否在实际工程中得到可靠应用取决于相应构件设计计算理论的提出,而其前提条件就是建立合理准确的本构关系。混凝土的受压应力-应变曲线方程是其最基本的本构关系,又是多轴本构模型的基础。在分析构件极限承载力和进行非线性全过程分析中它是不可缺少的物理方程,对计算结果的准确性起决定性作用。因此,对超高性能混凝土梁的单轴受压应力-应变全曲线进行研究具有重要的理论意义。1试验与研究1.1直压力与合力为了得到理想的单轴受压的应力状态,根据圣维南原理,试件加载端面的不均匀垂直压力与合力为零的水平约束力只对端面附件高度约等于宽度的范围内的应力状态产生显著影响,而试件中部接近均匀的单轴受压应力状态。因此,UHPC的单轴受压试验采用100mm×100mm×400mm的棱柱体作为试验试件。1.2试验加载和传感器的选择试验方案,应将其上升到了20世纪60年代,在压力通常采用普通液压式材料试验机加载,可以得到稳定的上升段应力-应变曲线。但混凝土达到其极限强度后由于试验机自身的刚度不足使试件突然破坏,因此很难获得稳定的下降段曲线。这主要是由于试验机在加载过程中的变形随荷载而增大,积聚了很大的弹性应变能,当试件的承载力达到最大值后开始下降时,试验机因受力减小而恢复变形,很快释放能量,使试件急速破坏。为了测定完整的混凝土受压应力-应变曲线,自20世纪60年代开始,国内外学者设计过多种试验装置,如在普通材料试验机上加设刚性元件以提高试验装置的总体刚度或在电液饲服阀控制的刚性试验机上进行等应变速度加载。加设刚性元件的方法简单易行、适用普遍,但不能控制试件的应变速度;电液饲服阀控制法可以自动、快速调节油泵的进油或退油及时加载或卸载,可以得到稳定的应力-应变全曲线,但这种方法试验费用高,并且由于试验机刚度有限,饲服阀的反应和油路系统的控制有一定的时差使试件的应变速度在试验过程中有波动,因此试验给出的应变速度是平均值。根据以上分析并结合试验条件,本文采用刚性辅助架增加试验机刚度的方法进行UHPC轴心受压试验。试验装置见图1,即采用3个直径为30mm的钢柱来增加试验机的刚度。由于试验机的量程有限,当刚性辅助架的应变达到约6000με时,试件进行卸载,并拧松螺帽。接着继续加载直至试件完全破坏。试验数据由DH5937应变采集系统自动采集,传感器为2000kN力传感器和4个5mm引伸仪。引伸仪测量标距为300mm。1.3砂减水剂、水泥、钢纤维的制备UHPC的配制原理是基于最大密实度理论的,提高材料匀质性及颗粒密实度是UHPC材料设计的基础。试验中UHPC材料配合比为水泥∶硅灰∶石英粉∶石英砂∶减水剂=1∶0.25∶0.3∶1.1∶2.5%,其中水胶比为0.21,钢纤维体积掺量为1.5%。水泥为P·O42.5级水泥;减水剂为可溶性树脂型高效减水剂;石英砂粒径为0.4~0.6mm;石英粉平均粒径为50μm。钢纤维采用镀铜光面平直钢纤维,其直径为(0.16±0.005)mm,长度为(12±1)mm,抗拉强度>2000MPa。UHPC试件成型后24h拆模,再在养护池内(80±2)℃的热水中养护48h后冷却至室温。2试验结果及讨论单调加载受压应力-应变全曲线试验试件为4个100mm×100mm×400mm的棱柱体。UHPC典型的应力-应变全曲线见图2。从图2中可以看出,当应变σ≤0.75fc时,上升段应力-应变关系呈线形变化,而当σ>0.75fc,上升段应力-应变关系呈曲线变化。在接近峰值应力时,可听见轻微的钢纤维拔出声,裂缝宽度极其微小,试件的平均峰值应变为3475.8$%。应力应变曲线进入下降段不久,裂缝数目增多、短而细、不连贯。当应变接近4500με’,试件表面出现明显可见的贯通裂缝,试件被裂缝分割成两个和多个小柱体,并伴随清脆的开裂声,部分钢纤维被拉断。此时的残余应力约为峰值应力的85%。随着应变继续增大,裂缝不断扩展直至钢纤维被拉断,见图3。试件的最终破坏模式可分为两种,即试件产生多条竖向裂缝和试件只产生一条竖向裂缝,见图4。基于以上试验及分析结果,就本文的配合比而言,UHPC峰值应变可取为3500με,试件出现明显可见贯通裂缝时,UHPC棱柱体试件的残余强度约为峰值强度的85%,认为此时试件达到破坏时,相应的极限应变可取为4500με。根据UHPC单调加载受压全曲线上升段和下降段的形状,图5所示,其应力-应变曲线方程如式1所示。分别采用不同的方程,在峰值点符合连续条件。采用的模型如其中:上升段采用CEB-FIP(1993)的模型,μ0=3500με,ξ=ε/ε0;n=Ec/Es;Ec为初始弹性模量;Es为峰值点的割线模量。采用式(1)拟合试件全曲线包络线结果如图6所示。从图6中可以看出,本文采用的CEB-FIP(1993)的模型与UHPC曲线上升段试验结果吻合较好。其余试件当#<7500#$时吻合较好,当#<7500%&时差异较大。但式(1)仍能反映曲线的基本趋势。3重复应力-应变线混凝土的重复加载应力-应变关系对进一步了解混凝土的变形性能和确定重复荷载构件中混凝土的疲劳性能具有重要意义。本节的“加、卸载”均以应变为标准,即混凝土受压应变增大为加载、应变减小为卸载。UHPC棱柱体重复加载试件为2个,测定UHPC受压重复应力-应变全曲线如图7所示。从图7中可以看出,UHPC的重复应力-应变曲线可描述为:上升段的包络线与图2中全曲线上升段发展趋势基本相同,两个试件(Pc1、Pc2)的平均峰值应变为3554.5με。(1)上升段的卸载曲线近似为直线,卸载后的残余应变为:σ≤0.75fc:试件Pc1的2次残余应变分别为卸载时应变的0.017和0.013;试件Pc2的2次残余应变分别为卸载时应变的0.012和0.014;σ>0.75fc:试件Pc1的残余应变分别为卸载时应变的0.039;试件Pc2的残余应变分别为卸载时应变的0.036。(2)下降段的残余应变为:试件Pc1的2次残余应变分别为卸载时应变的0.451和0.637;试件Pc2的3次残余应变分别为卸载时应变的0.086、0.239和0.615。试验结果表明,下降段的残余应变)p随卸载应变*1增大而增大,回归分析试验结果可得到以下公式:3.1uhpc重复加载基于以上试验及分析结果,UHPC重复应力-应变曲线的包络线与UHPC受压本构关系曲线取为一致。定义σ1、ε1为卸载时混凝土的应力、应变;εp为残余应变。UHPC重复加载应力-应变模型如图8所示。UHPC重复加载应力-应变关系曲线包络线采用式(1)中上升段公式,重复加、卸载采用分段拟合:(1)卸载曲线方程:其中:当ε1≤εe时,a=0.015;当εe<ε1≤ε0时,a=0.04;εp=-0.4(ε1/ε0)2+2.5ε-2ε0;εe=3000=με。(2)再加载曲线方程:3.2重复加载电压适应性曲线的调整结果3.2.1试验结果对比图7的试验包络线采用式(1)拟合结果见图9。可以看出,上升段试验结果吻合良好,试件Pc1下降段与试验结果吻合较好,而试件Pc2当时下降段与试验结果吻合较好,当时差异较大。3.2.2返回曲线图7试验曲线采用式(1),(3)~(8)拟合结果见图10。从图10可以看出,拟合结果与试验结果基本吻合。4试验结果及分析本文进行UHPC的受压全曲线试验,在试验的基础上,得到了以下结论:(1)采用刚性辅助架增加试验机刚度的方法得