動態(tài)荷載作用下混凝土的動態(tài)力學(xué)性能試驗研究

混凝土動態(tài)損傷特性在許多平民和軍事項目中，使用不同的混凝土結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)承受靜態(tài)負(fù)荷的作用，還應(yīng)不可避免地受到地震、爆炸和其他動態(tài)負(fù)荷的影響。例如，不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的地震負(fù)荷、波浪對海岸和海洋平臺的影響、港口碼頭超載、車輛與道路的碰撞以及核電站保護(hù)外殼的外部影響，以及其他影響負(fù)荷的變化，以及水庫的動水壓?；炷潦堑湫偷穆拭舾行圆牧?在動態(tài)荷載作用下其動態(tài)特性及損傷特性將發(fā)生很大改變,因此對混凝土的動態(tài)損傷特性進(jìn)行研究顯得十分重要。混凝土材料在澆筑后水泥水化時散熱不均導(dǎo)致其內(nèi)部存在微裂紋和微孔隙,這些微裂紋微孔隙稱之為初始損傷。在受到荷載作用后,內(nèi)部微裂紋會不斷的延伸擴(kuò)展,并隨著荷載的增加,裂縫擴(kuò)展速度加快直至各裂縫貫通而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞,這種過程稱為混凝土損傷演化過程。劉軍等研究了不同應(yīng)變率下混凝土的動態(tài)損傷演化過程;CHEN研究了損傷對混凝土軟化和強(qiáng)度的影響。研究表明,混凝土損傷演化過程在動荷載作用下與靜荷載作用下是不同的。隨著應(yīng)變率的增加,混凝土的彈性模量損傷退化加快了,混凝土在峰值荷載時的損傷值變大了,而且更加接近于破壞值。近些年來,混凝土動態(tài)損傷特性的研究逐漸被人們所重視,一些學(xué)者開始對混凝土動態(tài)損傷特性進(jìn)行研究,王道榮等在Hopkinson壓桿上對混凝土進(jìn)行“損傷凍結(jié)”試驗,研究了混凝土動態(tài)受壓損傷演化與應(yīng)變和應(yīng)變率之間的關(guān)系;李寧等在模擬爆振臺上對混凝土試件進(jìn)行了爆振損傷試驗,研究了爆振對混凝土材料損傷特性的影響;鄧宗才根據(jù)混凝土在單軸拉壓情況下的變形和損傷試驗,提出了混凝土單軸情況下的動力損傷本構(gòu)模型;何長江等針對混凝土的動態(tài)沖擊問題,給出了混凝土的HolmquistJohnson-Cook損傷本構(gòu)模型;Burlion等對混凝土進(jìn)行了Hopkinson單軸動態(tài)抗拉抗壓試驗,研究了考慮應(yīng)變率效應(yīng)的混凝土動態(tài)損傷演化過程;Eibl等根據(jù)混凝土動態(tài)試驗結(jié)果,提出了考慮應(yīng)變歷史的動態(tài)本構(gòu)模型。但是由于混凝土動力試驗比較復(fù)雜,對試驗設(shè)備剛度及精度等要求較高,動態(tài)試驗的研究還是很有限,大多數(shù)是關(guān)于混凝土動力特性的試驗,關(guān)于損傷的試驗較少,特別是應(yīng)變率對混凝土動態(tài)損傷特性影響的試驗研究極少。因此,有必要對混凝土在動態(tài)受拉荷載作用下的損傷特性進(jìn)行深入的研究。本文在MTS-810NEW電液伺服試驗機(jī)上對混凝土進(jìn)行動態(tài)受拉損傷試驗,以切線模量的退化來量度損傷,研究了地震荷載作用下混凝土的抗拉損傷演化規(guī)律,同時分析了應(yīng)變率對混凝土受拉強(qiáng)度、彈性模量、臨界應(yīng)變及泊松比的影響。1試驗過程1.1液伺服流量試驗本試驗采用大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)試驗室引進(jìn)的美國MTS-810NEW電液伺服萬能試驗機(jī),該設(shè)備的最大負(fù)荷為±100kN。并對加載頭進(jìn)行設(shè)計改裝,使之滿足啞鈴形試件要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京京南航天數(shù)據(jù)技術(shù)公司研制的DSPS動態(tài)信號實時分析系統(tǒng),該系統(tǒng)有48個采集通道,最大分析頻率為50000,可以滿足動態(tài)試驗采集需要。1.2混凝土原料配比采用總長度為200mm的啞鈴形試件,中間部分長100mm,截面形狀為正方形,中部截面為70mm×70mm,兩端逐漸過渡為100mm×100mm。試件所用水泥采用大連水泥廠生產(chǎn)的“海鷗”牌32.5R普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料為大連地區(qū)天然河沙;粗骨料為連續(xù)級配的碎石,考慮到實際工程常用的粒徑大小,石子的最大骨料粒徑采用20mm;攪拌用水為普通自來水?？紤]到實際工程中常用的混凝土強(qiáng)度等級以及試驗設(shè)備的能力,采用C25強(qiáng)度等級。其配合比為水泥∶水∶石子∶砂=1.00∶0.40∶2.36∶1.16。試件用鋼模先人工振搗然后在振動臺上振搗成型,24h后拆模,在水中養(yǎng)護(hù)2d,然后,用草簾覆蓋包濕,最外面再用塑料布覆蓋保溫,之后每天早晚各澆水一次,直至28d,其后在自然條件下養(yǎng)護(hù)。1.3試件與試件的連接試驗時,采用電阻應(yīng)變片來量測試件的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變,在混凝土試件的兩個對面中心用環(huán)氧乙烯膠粘貼“+”字交叉的橫向應(yīng)變片和縱向應(yīng)變片,應(yīng)變片的大小采用50mm×4mm。同時,為了更加準(zhǔn)確測量試件的縱向變形,在另兩個側(cè)面上,安放自制的夾式位移引伸計,測量標(biāo)距為70mm。試件的連接采用粘貼式,試件兩端采用中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生產(chǎn)的JGN-Ⅱ型建筑結(jié)構(gòu)膠(其抗拉強(qiáng)度大于35MPa,抗剪強(qiáng)度大于18MPa)和帶有螺孔的足夠厚的鋼板粘結(jié)(鋼板的厚度能夠保證試驗的強(qiáng)度和剛度),鋼板通過螺栓固定在試驗機(jī)的加載頭上。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。試驗時,通過液壓伺服系統(tǒng)控制作動頭的運(yùn)動來對試件加載。加載大小及頻率通過控制系統(tǒng)發(fā)出的電信號及頻率來進(jìn)行。在加載前,調(diào)整好試件與設(shè)備連接螺栓的松緊程度,并初步對試件進(jìn)行幾何對中,然后對試件施加0.5kN左右的荷載,調(diào)節(jié)四根鋼桿螺母的松緊程度對試件進(jìn)行物理對中,使加載時試件受力均勻。同時,由于試驗機(jī)安裝了球鉸,能夠自動校正微量的偏心。1.4靜態(tài)應(yīng)變試驗考慮到在地震荷載作用下,混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)的應(yīng)變率為10-3/s~10-2/s,本文拉伸試驗設(shè)計應(yīng)變率為10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s、10-1/s五組,并取10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率。加載方式為:對混凝土試件直接拉伸至破壞。2高應(yīng)變率試驗及拉伸試驗結(jié)果由于混凝土動力受拉試驗受到試驗設(shè)備、試驗技術(shù)及試驗結(jié)果離散性等多方面的影響,與受壓試驗相比試驗難度較大,成功率偏低。而且由于加卸載時試驗機(jī)控制系統(tǒng)的局限性,以及高應(yīng)變率時試件慣性、受力不平衡等諸多因素的影響,因而試驗結(jié)果的準(zhǔn)確程度也有所降低。通過對37塊混凝土試件進(jìn)行動態(tài)拉伸試驗,其中有15塊較好。同時,進(jìn)行混凝土動態(tài)受拉試驗時,混凝土試件在很短的時間內(nèi)就發(fā)生破壞,而且由于試驗機(jī)本身的剛度以及采集設(shè)備的局限性,本混凝土動態(tài)受拉試驗采集到的下降段試驗數(shù)據(jù)很不理想,因此本試驗只對混凝土動態(tài)受拉上升段進(jìn)行分析。2.1損傷演化規(guī)律混凝土單軸受拉試驗前人已進(jìn)行了不少,普遍認(rèn)為在應(yīng)力小于(0.6~0.8)ft范圍內(nèi),混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線基本上處于彈性階段,此階段初始微裂縫沒有發(fā)展,也就是認(rèn)為沒有新的損傷發(fā)生,應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系,并定義此應(yīng)力值為彈性極限,而超過此應(yīng)力值時,粘結(jié)裂縫開始增長,初始損傷開始發(fā)展,并有新的損傷出現(xiàn),應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始為非線性關(guān)系。此后很多學(xué)者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變率的提高,混凝土內(nèi)部裂縫的開展發(fā)生了滯后,損傷特性發(fā)生了改變,使混凝土動態(tài)受拉彈性極限和屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增加進(jìn)一步增大,即使應(yīng)力應(yīng)變曲線線性段變長。但是應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段增長隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律,以及不同應(yīng)變率下?lián)p傷演化與靜態(tài)加載下的一些差別還有待進(jìn)一步研究。本文在宏觀層次上定義損傷,用材料試件受損傷而引起宏觀力學(xué)性能參數(shù)(彈性模量、強(qiáng)度、密度等)的變化來量度損傷。這里采用混凝土受拉切線模量的退化來表征損傷,即定義損傷D為:式中:E0指初始切線模量;Ec指任一應(yīng)力水平比對應(yīng)的切線模量。這種定義方法可以不計混凝土的初始微裂隙和微空洞,可以大大簡化材料內(nèi)部損傷的生成和演化的測量過程,對混凝土在直接受拉情況下的實時損傷演化規(guī)律進(jìn)行分析和研究。圖2~圖6為不同應(yīng)變率下混凝土受拉損傷變量D與應(yīng)力水平比之間的關(guān)系。橫坐標(biāo)應(yīng)力水平比定義為不同應(yīng)變率下?lián)p傷值對應(yīng)應(yīng)力σ與相應(yīng)峰值應(yīng)力平均值σm的比值,縱坐標(biāo)為相對應(yīng)此應(yīng)力水平的損傷值D。從中可以看出,在不同應(yīng)變率下混凝土受拉應(yīng)力水平比-損傷值曲線在形狀上比較相似,但在某些局部發(fā)生了一定的改變。從損傷的角度來看,可以把混凝土受拉應(yīng)力應(yīng)變上升段曲線分成3個階段:第一階段,初始損傷沒有發(fā)展,新的損傷也沒有生成;第二階段,損傷穩(wěn)定發(fā)展階段,此階段初始損傷開始發(fā)展,并有新的損傷生成;第三階段,損傷不穩(wěn)定發(fā)展階段,此階段損傷迅速發(fā)展,直至破壞。這3個階段從曲線上也可以反映出來。通過對損傷隨應(yīng)力水平比的分析計算,不同應(yīng)變率下?lián)p傷未發(fā)展階段的最大應(yīng)力水平比如表1所示,從表中可以看出,隨著應(yīng)變率的增加,損傷未發(fā)展階段的最大應(yīng)力水平也隨之增加。說明,在高應(yīng)變率下,混凝土內(nèi)部裂縫的開展相對于低應(yīng)變率下出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是高應(yīng)變率下混凝土內(nèi)部自由水的粘滯性限制了裂縫的開展。以應(yīng)變率為10-5/s時的應(yīng)變速率為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率,10-4/s、10-3/s、10-2/s、10-1/s損傷未發(fā)展階段的最大應(yīng)力水平比分別增加了4.58%,5.47%、8.86%、10.64%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),不同應(yīng)變率下,損傷穩(wěn)定發(fā)展階段的長度也不相同,隨著應(yīng)變率的增加,損傷穩(wěn)定發(fā)展階段應(yīng)力水平比范圍呈逐漸減小的趨勢。2.2試驗結(jié)果分析混凝土以較高應(yīng)變率直接拉伸時,其抗拉強(qiáng)度隨之提高。但是,由于試驗設(shè)備、試驗方法等不同,很多研究者得出的結(jié)論差別較大。大連理工大學(xué)的尚仁杰對混凝土進(jìn)行應(yīng)變率為1.0×10-5/s,2.0×10-4/s,2.0×10-3/s,2.0×10-2/s動態(tài)受拉試驗,得出應(yīng)變率每提高一個量級,強(qiáng)度約提高17%;肖詩云等在MTS伺服疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行混凝土動態(tài)受拉試驗,以10-5/s時的抗拉強(qiáng)度為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度,研究了應(yīng)變率分別為10-4/s、10-3/s、10-2/s時強(qiáng)度的變化,得出每增加一個量級混凝土的抗拉強(qiáng)度約增加5.7%;閆東明等研究了C10、C20兩種強(qiáng)度混凝土在應(yīng)變率10-5/s到10-0.3/s范圍的強(qiáng)度變化,得出應(yīng)變率每增加一個量級,強(qiáng)度約增加13.4%。研究雖然進(jìn)行了不少,但這些研究都是對混凝土強(qiáng)度等級非常低的情況下進(jìn)行的研究,而且研究結(jié)果相差較大。通過對本試驗結(jié)果進(jìn)行計算與分析,C25混凝土抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化的結(jié)果如表2所示。從表中可以看出,隨著應(yīng)變率的增加,混凝土極限抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)的增加了。以應(yīng)變率為10-5/s時的強(qiáng)度為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度,當(dāng)應(yīng)變率為10-4/s、10-3/s、10-2/s、10-1/s時,混凝土的抗拉強(qiáng)度分別增加了6.37%、13.08%、20.48%、25.47%。眾多研究者對混凝土受拉時強(qiáng)度提高的機(jī)理進(jìn)行了分析,一般認(rèn)為混凝土強(qiáng)度的增加主要是因為隨著應(yīng)變率的增加,混凝土破壞時內(nèi)部微裂縫來不及擴(kuò)展或者擴(kuò)展不充分使混凝土內(nèi)部骨料被拉斷所引起的,應(yīng)變率越大,骨料拉斷的越多,所以強(qiáng)度提高的就越多。從試驗時的現(xiàn)象所觀察到:在低應(yīng)變率時,破壞面比較粗糙,破壞主要在骨料與砂漿的結(jié)合面;而當(dāng)應(yīng)變率較高時,破壞面則趨于平整,同時還發(fā)現(xiàn)混凝土受拉試件斷面隨著應(yīng)變率的提高,破壞面上骨料破壞有增加的趨勢,而且破壞時的聲響更加清脆。對混凝土在動態(tài)荷載作用下的強(qiáng)化效應(yīng)的理論解釋基本都是基于巖石類材料微裂紋存在的不可避免性,認(rèn)為率敏感性的產(chǎn)生與應(yīng)變率對微裂紋發(fā)展的影響有關(guān),主要從能量和微損傷角度方面進(jìn)行解釋。從能量角度看,混凝土材料的破壞是由裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展所致,根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點(diǎn),相對于裂紋發(fā)展所需的能量,裂紋形成過程所需的能量遠(yuǎn)比裂紋發(fā)展過程所需的能量高。應(yīng)變率越高,產(chǎn)生的裂紋數(shù)目越多,因而需要耗散更多的能量,而高應(yīng)變率下,荷載作用時間極短,材料沒有足夠的時間用于能量的積累,只能通過提高應(yīng)力的辦法來達(dá)到提供能量的目的,結(jié)果就使材料的強(qiáng)度剛度隨著應(yīng)變率的增加而提高。從微損傷的角度來看,損傷出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象,損傷的滯后延緩了混凝土的軟化效應(yīng),并且使混凝土內(nèi)部裂紋發(fā)展不充分。從本文損傷演化的分析來看,在開始加載階段,混凝土內(nèi)部初始損傷沒有發(fā)展,隨著應(yīng)力水平的增加,損傷開始發(fā)展,進(jìn)入損傷初步發(fā)展階段。由于不同加載速率下,損傷發(fā)展階段長短不同,低應(yīng)變率下?lián)p傷發(fā)展階段長,高應(yīng)變率下?lián)p傷發(fā)展階段短,如果假設(shè)損傷發(fā)展的速度相同,那么在高應(yīng)變率下?lián)p傷發(fā)展積累就相對較小,導(dǎo)致最后強(qiáng)度的提高。圖7為混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度增加系數(shù)與應(yīng)變率的關(guān)系圖。從圖中可以看出,混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度增加系數(shù)與應(yīng)變率的對數(shù)近似成直線關(guān)系,且線性相關(guān)性較好,這與以前的眾多研究者得出的結(jié)論符合得較好。按照一般經(jīng)驗公式:可以得到抗拉強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的近似關(guān)系:式中:fts為應(yīng)變率為10-5/s時的混凝土準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度;ft為混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度;為應(yīng)變率,單位為s-1;為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率,本文取。2.3不同變形率下混凝土變形特性的分析2.3.1應(yīng)力應(yīng)變曲線分析混凝土材料的彈性模量反映了混凝土受力后的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)?；炷潦芾跏茧A段,應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為線性關(guān)系,可認(rèn)為混凝土處于彈性階段。在本試驗中也發(fā)現(xiàn),在達(dá)到強(qiáng)度的70%前,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系接近線性。而且應(yīng)變率不同,線形段長短不同。圖8為本文試驗得到的不同應(yīng)變率下的幾條典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線分析,定義初始彈性模量為初始線階段的切線模量。通過對不同應(yīng)變率下線性段分析,得到彈性模量如表3所示。從表中可以看出,不同應(yīng)變率下,彈性模量離散性較大。但是如果忽略試驗數(shù)據(jù)的離散性,可以認(rèn)為隨著應(yīng)變率的增加,混凝土的彈性模量基本不變。從圖8中5條曲線也可以看出,在混凝土受載初期,應(yīng)力應(yīng)變曲線基本重合,也表明混凝土的彈性模量基本不變。從損傷的角度來看,由于不同應(yīng)變率下,混凝土初始階段損傷并未發(fā)展,因而混凝土初始彈性模量保持不變。2.3.2臨界應(yīng)變增加系數(shù)臨界應(yīng)變定義為混凝土峰值應(yīng)力處的應(yīng)變。在本試驗的研究中,發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的提高,混凝土的臨界應(yīng)變也隨著增大,如表4所示。取應(yīng)變率為10-5/s為混凝土擬靜態(tài)應(yīng)變率,定義臨界應(yīng)變增加系數(shù)為不同應(yīng)變率下的臨界應(yīng)變與擬靜態(tài)應(yīng)變率下臨界應(yīng)變的比值。臨界應(yīng)變增加系數(shù)與應(yīng)變率的關(guān)系如圖9所示。從圖中