混凝土拉伸应力与应变全曲线的试验研究

混凝土拉伸应力与应变全曲线的试验研究

全曲线反映了c10以上高强度混凝土的压力和拉张力的性能，可以更好地反映其基本力学特性。这是混凝土结构和钢筋混凝土结构强度、变形、破坏和破坏理论的主要基础之一。特别是其中的拉应力应变曲线的峰值点以后的下降段(或称软化段)曲线,对于混凝土和钢筋混凝土构件的弹塑性全过程力学分析、极限状态下的截面应力分析、损伤与断裂机理分析和抗震结构的延性与恢复力特性研究等都具有重大意义。在文献中,介绍了混凝土受拉应力与应变全曲线实验结果,但数据不齐全、指标很分散。为了适应“八五”攻关课题需要,采用闭环电液伺服刚性试验机及刚性夹具试验装置,成功地测定了C40混凝土试件轴向受拉应力与应变全曲线,并从中确定其弹性、强度、应变等主要力学性能指标,为进行C40混凝土的本构模型、强度理论、损伤机理和断裂判据研究,提供了基本力学特性参数。1试验试验装置(1)根据中华人民共和国水利电力部《水工混凝土试验规程》(SD105—82)中关于混凝土极限拉伸试验试件的形式及尺寸,制备适用的轴心受拉试件。(2)选用刚度足够大的试验装置。采用INSTRON1342闭环回路电液伺服试验机及一对刚度较试件大10倍的上下夹具构成该试验装置。经实测其整体刚度值远大于试件受拉荷载与变形下降段曲线的绝对值刚度10倍以上,从而确保当试件受拉超过最大承载能力后,不会出现因试验机弹性势能的迅速释放而导致试件突然拉断。(3)在试件中间段测量区内的两侧面对称安装高精度夹式引伸计测量伸长变形。在前后面对称粘贴专用长标距电阻应变片测量其纵向与横向应变。(4)将试件安装在上下夹具中固定,然后将其移置入INSTRON1342试验机的上夹头中夹紧固定。再将荷载传感器和引伸计的测量导线接入试验机的伺服控制器,由X-Y仪绘全曲线,并由打印机打出数据。(5)最后将荷载、变形、应变的显示器调零,固定下夹头,启动试验机开关,使试件缓慢均匀地受力变形,即测得轴心受拉应力与应变全曲线如图1所示。2混凝土试验设施2.1正长岩砂石岸加工根据“八·五”攻关85-208-01-03专题,全级配混凝土试件的原材料特性参数如下:(1)水泥为525号硅酸盐水泥;(2)石料取自二滩水电站工程采料场,将正长岩以人工破碎加工成大、中、小石料,其相对密度为2.72;(3)人工砂为正长岩破碎碴,其细度模数为2.78;(4)碎石最大粒径为50mm、最小粒径为5mm,三级配;(5)所掺高效减水剂为水泥用量的0.2%等。2.2粗骨料配合比依据全级配混凝土约定的配合比,三级配混凝土的粗骨料配合比为小石∶中石∶大石=0.25∶0.25∶0.50;三级配混凝土配合比为水泥∶水∶砂∶石=1∶0.43∶2.13∶5.22。2.3试件的养护试验依《水工混凝土试验规程(SD105—82)》规定,制备立方体200mm×200mm×200mm试块、圆柱体>150mm×300mm试件和板状100mm×100mm×600mm试件,按约定要求在标准养护条件下,精心养护28d和90d,准时逐个试验。3拉伸伸长特性从图1所示混凝土轴心受拉应力与应变全曲线上的4个特征点E,P,C,F清晰反映出混凝土受拉伸长过程中不同阶段力学行为的基本特性和力学性能指标。3.1初始弹性模量和泊松比在试件受拉后的初期阶段,量测到的荷载、应力、伸长、应变都是按比例增加。当应力达到抗拉强度极限的50%～60%时,对应比例极限与弹性极限对应点E,因此图1全曲线上OE线段基本上为直线,可看作是线弹性阶段。因此,C40混凝土受拉的初始弹性模量和泊松比可分别采用:E0=39.8～41.8GPa;μ=0.18～0.21。3.2非线性弹性阶段ep段当加载超过E点后,伸长变形比荷载增长快,应力与应变关系逐渐偏离直线,图线呈上凸曲线,反映出高度非线性弹性特征。在拉应变εP为(118～120)×10-6时,曲线的切线趋于水平,此点即为测得的峰值应力对应点P,因此EP段可称为非线性弹性阶段。C40混凝土受拉的峰值应力σP(即抗拉强度极限)为4.05MPa,峰值应变εP为(118～120)×10-6。其OEP曲线的割线模量EΡ=σΡεΡ=34EP=σPεP=34GPa。3.3下降软化段试件的表面裂纹当荷载达到P点后,随之试件承载力迅速下降,图线呈下凹曲线直到C点,其应变较峰值应变εP迅速增长4～5倍,可把PC段称为下降软化阶段。在该阶段肉眼可观察到试件表面裂纹从微小0.1mm扩展成宏观裂缝0.5mm的过程,显然混凝土受拉下降软化段的下凹曲线是与测量标距内出现的裂缝位置和宽度等密切相关。经观察测定P点附近裂缝宽度约为0.1～0.2mm,C点附近裂缝宽度为0.5mm,C点相对应的应变εC约为500×10-6。3.4裂缝贯通断裂阶段cf当试件残余承载力约为最大承载力的25%时,图线超过下降软化点C后,其残余承载力下降较缓慢,而裂缝扩展较迅速,随即沿截面四周贯通,形成缝宽为0.3～0.5mm的主裂缝后试件迅速断裂为两段,可称CF为裂缝贯通断裂阶段。多批试验中观察发现,该阶段试件横截面上还有未开裂的小面积与粗骨料的咬合效应,这时残余承载力尚有最大承载力的10%,试件量测标距总伸长为0.8mm。试件断口多为凹凸不平,但其轮廓清晰,大部分沿粗骨料表面裂开与发展,部分石料拉裂,小部分沿粗骨料之间的砂浆拉裂而断成两段。4混凝土c0/a3吸收文献中的有益思路,对混凝土受拉应力与应变全曲线,采用在峰值P点相连续的两个方程式,来分别描述上升(或称线弹性与非线性弹性)段和下降(或称软化损伤)段曲线。该曲线以应力与应变的相对值表示,其坐标取为x=ε/εΡ‚y=σ/σΡ‚(1)x=ε/εP‚y=σ/σP‚(1)式中:ε为拉应变;εP为峰值P点对应的应变;σ为拉应力;σP为峰值应力或抗拉强度极限。对于上升段,其曲线向上凸,且较陡,宜采用多项式的高阶项为y=a0+a1x+a2x2+a6x6。该式应满足边界条件:①x=0,y=0;②x=0,dydx=E0EΡ;③x=1,y=1;④x=1,dydx=0。这样可求得系数a0,a1,a2和a6的值。若将C40混凝土的E0/EP=1.2代入,求得上升段曲线方程为当x≤1时,y=1.2x-0.2x6。(2)对于下降软化段,其曲线向下凹,且较平坦光滑,宜采用有理分式:当x≥1时‚y=xα(x-1)β+x,(3)式中α,β参数,经多个试件的试验曲线按最小二乘法计算,当β=1.7,α=0.3σ2P时,下降软化段曲线形状较好。在图2中实线为根据上升段采用六阶抛物线、下降段采用有理分式的数学模型作出的计算曲线,虚线为图1所示的试验曲线,二者相当吻合。试验中观察到混凝土受拉时的下降软化段曲线,与量测标距内出现的裂缝位置和宽度密切相关,因此,国内外一些学者建议受拉应力应变曲线可与裂缝宽度或断裂能量G工建立联系。美国学者Gopalaratnam与Shah提出混凝土受拉应力与应变全曲线,分别以上升(硬化)段与下降(软化)段来描述。上升段时,试件应力与峰值点应力应变和弹性割线模量有关,其表达式为σ=σΡ[1-(1-ε/εΡ)A]‚(4)式中:A=EPεP/σP;EP为上升段曲线割线模量。下降段时,试件应力与量测标距中裂缝宽度有关,其表达式为σ=σΡ(e-kWλ),(5)式中:W为混凝土裂缝宽度,其单位可采用μm或mm;k,λ为常数,经多组试验统计与试验对比确定,取λ=1.01,k=1.544×10-3。5混凝土应变全曲线的理论基础(1)采用闭环回路电液伺服试验机与刚度颇大的上下夹头,构成具有足够大刚度的试验装置,用来进行混凝土轴心受拉应力与应变全曲线试验,是简捷、可行、有效和成功的。(2)由于使用混凝土组分原材料的品质不同、配合比不同和制备试件的工艺与质量不尽相同等原因,混凝土受拉时峰值应力σP的分散性较大,应变也各异,但全曲线形式的变化规律基本上是相似的。(3)对于混凝土轴心受拉应力与应变全曲线的上升OEP段和下降PCF