砂浆-骨料界面粘结滑移本构关系的简化模型

砂浆-骨料界面粘结滑移本构关系的简化模型

混凝土广泛应用于建筑物、水工、桥梁、港口等领域。这是土木工程节水工程中最常用、剂量最大的结构材料。随着混凝土材料的认识不断深入，混凝土材料的力学能学研究从过去的宏观水平逐渐发展到详细的水平。在详细的观点上，混凝土通常被视为由砂岩、粗骨材料和边界材料组成的三元化合物。由于粗骨材料周围的水泥砂浆材料的结构与水泥砂浆材料的主要成分不同，因此形成边界。混凝土内部组成材料的分布是随机的。在水化学硬化过程中，水泥在砂浆内及其内部平台之间形成大量的微裂缝和微孔。混凝土材料的这些详细观察特性使破坏过程和破坏过程更加复杂，尤其是随着结构规模的增加而减少非均匀性和破坏的随机性。国内外许多科学家对砂浆-骨料界面的性质以及混凝土材料的宏观力学性影响进行了研究。在以前的混凝土材料试验中，砂浆-骨料界面是混凝土的“薄弱环节”。当负荷小于破坏负荷的30%时，微裂缝可以形成由砂浆岩或砂浆骨料界面形成的。此外，由于砂岩和粗骨材料的弹性模量不同，混凝土样品在重力过程中的砂浆岩和骨料界面可能会因滑移而受损。这种粘附滑移破坏是混凝土内部微裂缝形成、扩大和连接的主要原因，对分析混凝土材料的破坏过程具有重要价值。许多研究人员在微观层面上进行了大量的砂浆-骨料边界调查，但这些结果表明，这些研究成果与宏观力学能之间的关系难以联系，无法应用于混凝土结构的力学分析。混凝土结构内部应变及应变场的分布对于混凝土宏观性能的研究具有重大意义,是混凝土材料研究过程中的难点.光纤光栅传感器与传统传感器相比,具有体积小、精度高、寿命长及抗电磁干扰等诸多优点,近年来逐渐用于混凝土结构内部应变与温度的实时监测中.1979年美国航空航天局尝试性地将光纤传感器应用于复合材料内部监测其应变和温度后,在复合材料和飞行器领域以及其他一些领域,光纤传感器得到了更多的应用.1989年美国布郎大学的门德斯等人将光纤传感器用于钢筋混凝土结构中.此后,国外很多大学和研究机构都对光纤传感器在工程结构中的应用做了大量的研究工作,与此同时,我国的一些专家学者也对此展开了研究工作,并取得了一定的成果.为了研究混凝土试件在受力过程中砂浆与骨料间粘结滑移特性,笔者提出了一种新的试验方法.在含骨料的砂浆试件中,采用骨料上贴光纤及砂浆中埋放光纤的试验方法,测量试件加载直至破坏过程中骨料的应变、砂浆的应变及两者间的相对粘结滑移量.从而基于试验数据,对砂浆-骨料界面的荷载-应变关系进行分析后建立了砂浆-骨料界面的粘结滑移关系曲线,为数值模拟提供方便有效的分析模型.1文化应力与光栅应力应变布拉格光栅是利用光纤的紫外敏感特性,在光纤的一段范围内使纤芯折射率沿光纤轴向周期性变化的一种光栅.布拉格光栅用于传感器时的原理是:外界物理量导致布拉格光栅中心波长λB的变化,即通过对由外界扰动引起的中心波长λB漂移量的测量,来得到被测参数.λB与光纤光栅周期Λ及光纤纤芯平均折射率n有关,它们之间的关系为λB=2nΛ.(1)布拉格波长λB取决于光栅周期Λ和光纤有效折射率n,当作用于光纤光栅的被测物理量发生变化时,会引起Λ和n的相应变化,从而导致λB的漂移,反过来,通过检测λB的漂移可以得到被测物理量的变化信息.能够直接引起布拉格波长λB产生漂移的外界物理量包括应变和温度.当应变作用于布拉格光栅时,光纤光栅的压缩或拉伸会导致其周期的变化,同时光弹效应也会使n产生变化.由应变引起的λB漂移可表示为Δλ=λB(1-pe)Δε.(2)式中:Δε是轴向应变;pe是有效光弹系数.光弹系数可表示为pe=n2/2[p12-υ(p11+p12)].(3)式中:υ是材料的泊松比;pi,j(i=1,2;j=1,2)是光纤的光弹系数;n是折射率.当温度变化作用于布拉格光栅时,由于光纤材料的热膨胀会产生由热导致的应变.同时n也会由于热光效应而随温度产生变化.由热效应引起的波长漂移可表示为Δλ=λB(1+ζ)ΔT+λB(1-pe)αfΔT.(4)式中:αf是光纤的热膨胀系数;ζ是热光系数;ΔT是温度变化量.2试验总结2.1砂浆水泥试验采用在砂浆中埋置单个骨料的试件形式.单轴受拉和单轴受压试验试件的尺寸均为150mm×150mm×450mm,砂浆设计立方体抗压强度为60MPa(高强系列砂浆).60MPa砂浆所用水泥为大连小野田水泥有限公司生产的P·II52.5R普通硅酸盐水泥.砂为中砂.骨料平均粒径为35mm.砂浆配合比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(减水剂)=1∶0.30∶2.0∶0.01.砂浆力学性质如表1所示.2.2光纤传感器对骨料表面的加固试验共浇筑18个试件,单轴受拉和单轴受压试件各9个,每个试件中放两个骨料.为了对比,单轴受压和单轴受拉试件中,分别在6个试件中的骨料表面贴应变片,另外3个试件中的骨料内埋置光纤传感器来测量试验过程中骨料的应变.由于光纤传感器直径较小,试件浇筑前在骨料上切一薄凹槽,然后将光纤传感器埋置到凹槽内,这样可以将光纤传感器对骨料性能的影响降到最低.而贴应变片的骨料则要对其表面进行磨平,影响较大.骨料上的光纤传感器布置和应变片的布置如图1所示.试件浇筑过程中要特别注意光纤传感器的保护问题和定位问题.在试验中采用振动台使试件密实成型,试件分层浇筑,先在钢模板中填入50%左右的砂浆,然后将钢模放到振动台上进行振捣到密实,之后将带光纤传感器的骨料放置其中,铺一薄层砂浆后放入测量砂浆应变的光纤传感器,然后在模板中填入1/3左右的砂浆再次振捣,这时要特别注意的是要保证光纤传感器的方向与试验时加载方向一致,最后在钢模中填满砂浆振捣直至密实.由于下层砂浆经过振捣后较为密实,而上层砂浆量又不是很多,这样骨料不会在大范围内移动,并且在振捣过程中水泥水化后生成的凝胶体也可以起到保护光纤传感器的作用.2.3试验时的注意事项所有试验均在大连理工大学结构实验室完成.单轴受压试验在2000kN液压式材料试验机上进行,试件两侧放置LVDT,试件表面贴应变片,以此测量试件表面的变形.试验时,将试件放在试验机下压板的中心位置,在上下压板与试件之间垫钢制垫块.开动试验机前,先手动控制,当上压板与试件接近时,调整球座,使接触均衡.然后开动试验机直至试件破坏.单轴受拉试验在MTS单轴试验机上进行,试件两端预埋螺栓,试验时将试件放在试验机加载板的中间,通过位移控制调整作动器位置,让试件上的螺杆穿过加载板上的预留孔,使加载板与试件接触,经过反复调整后拧紧螺帽,注意使各个螺帽的松紧程度适中,以实现物理对中.然后开动试验机直至试件破坏.3试验结果与分析3.1管理体制下微裂缝的分布图2为试件单轴受压试验的典型破坏形态.对于单轴受压试验,当轴向压应力达到30%～50%的棱柱体抗压强度时,试件中的压应力较小,由于裂缝尖端的应力集中有些微裂缝开始发生扩展,但砂浆并未开裂,裂缝稳定扩展.当应力增加到50%～75%抗压强度时,粗骨料界面的裂缝逐渐扩展,水泥砂浆中也产生少量微裂缝.由于试件中裂缝的持续扩展,试件内部的裂缝状态逐渐趋于不稳定.当压应力超过75%抗压强度后,粗骨料界面裂缝快速扩展,砂浆中的原有裂缝也扩展很快,这些裂缝逐渐贯通,最后直至试件完全破坏.从试件受压过程和破坏后断裂面的分析来看,裂缝多在骨料附近处先起裂,然后随着应力的增大这些裂缝逐渐扩展并与周围砂浆中的裂缝逐渐相互贯通直到破坏,在沿应力平行方向产生纵向劈裂裂缝,穿过粗骨料界面和砂浆内部,破坏后断裂面上多表现为骨料与砂浆的脱粘.单轴受拉时,应力作用方向与裂缝扩展方向垂直,每条裂缝的产生和扩展都会减少试件承受荷载的面积,这导致临界裂缝的尖端应力逐渐增大,试件抵抗裂缝扩展的能力随之降低.单轴受拉破坏是由几个裂缝的相互贯通引起的,而不是像单轴受压下由很多个微裂缝逐渐扩展直至贯通引起的.在试验过程中,微裂缝出现之后迅速扩展,很快就引起试件的破坏.3.2界面裂缝扩展试验图3和图4分别为单轴受压和单轴受拉试验砂浆和骨料的应变ε与荷载P的关系曲线.从图3和图4中可以看出,当荷载小于极限荷载的10%时,砂浆和骨料的变形基本是一致的,也就是说试件内部并没有出现微裂缝的扩展.随着荷载的增加,骨料与砂浆变形的增长速度出现差异,即砂浆的变形增长要快于骨料的变形增长速度,不过在不超过70%～80%的极限荷载时,二者的应变增长速率之比基本上是不变的,从而说明砂浆与骨料之间的相对变形是稳定的,即在该阶段试件内部处于稳定的裂缝扩展状态.在混凝土中,由于界面区是水泥砂浆基体与粗骨料之间相互联接的桥梁,在应力水平远低于这两个组成相的强度时试件就可能由于界面的裂缝扩张贯通而破坏.混凝土的各个组分(如粗骨料与水泥砂浆基体)在单轴受压试验中一般都维持弹性性质直至破坏,而混凝土却呈现出非弹性性质.当应力>75%极限强度时,砂浆基体中孔隙处的应力集中会引起微裂缝的扩展,随着应力的增大基体的开裂也逐渐扩展,直至与界面区的裂缝相贯通,当裂缝贯通成为连续裂缝后材料就会发生破坏.单轴受压产生的劈裂裂缝和单轴受拉产生的拉断裂缝在最终破坏形态上有着很大差别,反映了两者不同的受力和破坏机理.在受压时,裂缝的产生和扩展需要的能量更多,破坏时表现出韧性破坏.而在受拉时,裂缝往往在应力水平很低时就会迅速扩展,呈现出脆性破坏.图5为不同测试手段测得的砂浆内、外部应变ε对比图.由于光纤传感器埋置在试件内部,可以直接测得砂浆内部的变形,而传统传感器(应变片和LVDT)只能粘贴在试件表面,通过测得试件表面的变形来估计试件内部的应变.另外,传统传感器的尺寸普遍要比光纤传感器大,其测量的应变是一定范围内的平均值,而埋置在试件内部的光纤传感器则测量的是局部变形值.从图5中也可以看出通过光纤传感器测得的内部变形与外贴应变片或LVDT测得的外部变形之间都存在差异,特别是当荷载较大时,砂浆内部微裂缝的扩展造成了材料的局部损伤,而这种损伤行为通过尺度较大的应变片或LVDT是很难发现的.这说明通过试件外部的变形测量来估计试件内部的局部变形或损伤是不准确的.4粘结滑移关系分析试件剖面图如图6所示,下截面取到光纤传感器中心处,图中黑色阴影部分为界面区,在本图中对界面区厚度进行了放大.由于光纤传感器的标距较小,在光纤标距范围内骨料的形状近似于柱体,砂浆-骨料间的界面区近似平行于加载方向.因此将光纤标距范围内的骨料等效成圆柱体来进行计算.根据文献,界面厚度一般在40μm左右,在计算中取界面的厚度为40μm.由图6可见,砂浆-骨料界面所受的荷载Pi等于试件所受的外荷载P减去砂浆所受的荷载Pm和骨料所受的荷载Pa,其中砂浆所受的荷载Pm和骨料所受的荷载Pa等于其各自的应变乘以其相应的弹性模量和受荷面积.这样界面的粘结应力τ可以通过界面所受的荷载Pi除以界面面积得到.图3和图4中单轴受压和单轴受拉试件的砂浆和骨料间的相对变形值即为砂浆-骨料间的粘结滑移量.经过计算,单轴受压和单轴受拉试件的粘结滑移关系分别如图7和图8所示.从图8中可以看出,单轴受压试件中砂浆-骨料间粘结滑移曲线的上升段大概可以分为两段,粘结应力τ在约15%峰值粘结应力之前,粘结滑移曲线基本上呈直线,滑移量s随着粘结应力τ呈线性增长,且增长速度较快,但总滑移量并不大.当粘结应力τ超过15%峰值粘结应力后,随着粘结应力τ的增大粘结滑移关系曲线开始变陡,滑移量s稳定增长但增长速度较慢,即试件中的裂缝开始稳定扩展.当粘结应力τ达到砂浆-骨料界面间的最大粘结应力后,曲线开始进入下降段,即粘结应力逐渐下降,而相对滑移量s迅速增大,这说明试件中的裂缝处于不稳定扩展阶段.而在残余粘结应力阶段,即使粘结应力τ不变的情况下滑移量s也急剧增大,试件中的裂缝迅速扩展直至贯通导致试件最终破坏.从图8中可以看出,单轴受拉试件的荷载滑移曲线上存在明显的拐点,在粘结应力τ在约15%的极限粘结应力之前,砂浆骨料间的粘结应力小于界面的静摩擦力,基本没有滑移产生.当粘结应力τ超过15%极限粘结应力后,砂浆-骨料间滑移量s开始稳定增长,直至试件最终破坏.根据单轴受压和单轴受拉试验粘结滑移关系的基本特征,为了方便在数值模拟中的应用,可以定义3个特征点来简化描述砂浆骨料间的粘结滑移过程,并由此提出粘结滑移本构关系简化模型,如图9所示.粘结滑移曲线上的主要控制参数有初始粘结应力τ0、极限粘结应力τu和残余粘结应力τr,相应的滑移量有s0、su和残余粘结应力出现时的滑移量sr.图中曲线表达式为对于单轴受压试件的砂浆-骨料界面的粘结滑移关系曲线的表达形式为对于单轴受拉试验的粘结滑移关系,在oa段由于砂浆骨料间的粘结应力小于界面的静摩擦力,基本没有滑移产生,但粘结应力仍然增加,直至τ=τ0才开始产生滑移.因此单轴受拉试件的粘结滑移关系曲线表达式为5测试结果与分析(1)通过试验发现试件在受力过程中,骨料与周围的砂浆间存在明显的粘结滑移现象,单轴受压试验中的滑移量远大于单轴受拉试验