博源仪器15年专注混凝土检测技术
林希强1、张涛1、霍亮1、张楠1、李国友1、纪文湛1、李小龙2
(1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300)
(2.中国矿业大学（北京），北京 100083)
摘要：利用刚性辅助装置测试了C100超高强素混凝土和纤维混凝土的应力-应变曲线，研究了C100超高强混凝土在长期作用下的抗压强度、静压弹性模量等力学性能的发展趋势。试验结果表明，利用刚性辅助装置测试C100超高强混凝土的应力-应变曲线是一种比较方便、有效的实验方法。高强混凝土的全应力-应变曲线表明，当混凝土所受荷载达到最大值时，混凝土的破坏是突发性的，应力-应变曲线无明显的缓冲阶段，只有上升阶段和下降阶段两个过程。此外，钢纤维超高强混凝土的应力-应变曲线的变化规律基本相同，但加入钢纤维可以使混凝土在荷载作用下的应变变化更加平稳、平缓。 达到损伤突变点后，应力-应变曲线稳步下降，表明钢纤维可以明显改善高强混凝土的脆性。同时，水胶比为0.18的超高强混凝土28天抗压强度超过100 MPa。当养护龄期达到180天和360天时，混凝土的抗压强度在此过程中不断提高。两组混凝土在360天的抗压强度分别达到150.1 MPa和163.7 MPa，在56天的静力弹性模量在50 GPa左右。
关键词：C100超高强混凝土；应力-应变曲线；长期养护；抗压强度；
1 简介
在实际混凝土结构中，混凝土要承受各种各样的荷载，对应不同的应力形式，混凝土具有不同的强度和变形。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度较低，抗压强度较高，因此混凝土基本用来承受压力，所以单轴压缩状态是混凝土最简单、最基本的应力状态。关于超高强混凝土应力-应变关系全曲线和极限压应变的研究相对较少[1-4]。主要原因是试验设备在进行压力试验时，会积累一定的应变能，当混凝土接近或达到极限强度时，弹性模量会急剧下降，设备内的应变能瞬间释放，将混凝土压垮，导致混凝土压缩曲线的下降段难以获得。但混凝土单轴压缩应力-应变全曲线是混凝土的基本应力状态。
受压特性综合宏观响应是研究钢筋混凝土结构承载力与变形特性的主要依据，也是进行混凝土结构非线性和弹塑性性能全过程分析不可缺少的材料基本特性。
迄今为止，已有不少学者提出了多种混凝土压缩应力-应变曲线方程[5-8]，部分文献[9-12]也对其进行了综述和试验测试。它们大多对曲线上升段和下降段采用统一方程，按其数学函数形式可分为多项式、指数、三角函数和有理分式等。应力-应变曲线上升段和下降段用统一方程表达，具有参数少、形式简单、计算方便等优点，但其曲线形状难以满足试验曲线的全部几何特征。
1964年，Saenz提出用多项式来拟合整条曲线，公式如下：y=c1x+c2x+c3x +c4x
1955 年，萨林、史密斯和杨提出用指数方程来拟合整个曲线：y = xe1 − x
1960年，杨提出用三角函数来拟合整条曲线：y=sin(π/2 x)。
Hognestad 于 1955 年在 ACI 中提出的上升和下降阶段方程如下：
Hognestad和Rusch等人提出的上升段和下降段方程形式最为简单，受到工程师的欢迎，并被纳入CEB-FIP MC90等混凝土结构设计规范。其实这两组曲线方程都是为了满足工程实用性而提出的，将复杂连续的应力-应变曲线简化为抛物线上升段和直线下降段，因此与实测曲线有所差别。
本文主要对C100超高强混凝土的应力-应变曲线进行测试，研究养护一年后C100混凝土的抗压强度、静压弹性模量等力学性能，总结出超高强混凝土力学性能的一些发展规律。
2 原材料与实验方法
2.1 实验原料
（1）水泥及外加剂：水泥为唐山冀东525普通硅酸盐水泥。矿物掺合料主要为山东鲁信建材有限公司生产的超细矿粉；甘肃三元硅材料有限公司生产的硅灰（活性Si0290%）。原材料化学分析结果见表2.1。（2）骨料：河北易县产玄武岩石材，G大（15mm）、G小（10mm），级配比为G大（15mm）：G小（10mm）=4：6。细骨料：河北石家庄河砂，细度模数M=2.5，含泥量1.11%。（3）高效聚羧酸减水剂，北京牧湖外加剂有限公司生产，粉剂形式，减水率为40%。
2.2 实验方法
（1）应力-应变曲线实验法：在液压伺服试验机上设计附加刚性元件——钢筒，保证实验装置的整体刚度大于高强混凝土试件破坏时下降段的最大刚度，既能保证以恒定应变速率加载，又能实现实验数据的计算机采集，操作简便、准确，便于分析。
试件尺寸设计，本次试验测试的混凝土强度超过100MPa，若测试的试件截面尺寸较大，则试验载荷将超出所用200t液压伺服万能试验机的范围，故将混凝土尺寸设计为70.7mm×70.7 mm×210.21mm。刚性辅助元件—钢管，钢管采用Q345钢材，内径、外径、高度209.5mm，成型后混凝土的长度会略有不同。混凝土装入钢圈后，根据混凝土柱实际长度，在钢圈上增加2mm和5mm的垫片，实现混凝土破坏前钢圈的介入，增加试件部分刚度，从而测量混凝土破坏下降段的应力-应变关系。应变测量，在每个轴向压缩试件的正反面粘贴横向和纵向应变计，测定混凝土泊松比的变化； 在钢鼓上粘贴应变计，用于确定钢圈在混凝土受力过程中的介入时间；在钢鼓外侧增加两个位移传感器，在轴压试验中，当试件开裂后，应变计不再起作用，因此用位移计测量应力-应变曲线的下降段。
其中混凝土力学性能试验按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，混凝土拌合物工作性能按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。
3 实验结果与讨论
3.1超高强混凝土应力-应变曲线试验
试验选取水胶比均为0.25的三组混凝土配合比，成型试件脱模后养护28天后进行应力-应变曲线测试试验。两组分别为胶凝材料为600kg/m3和650kg/m3的普通混凝土，另一组为胶凝材料为650kg/m3且加入1%体积钢纤维的混凝土。试验配合比见表3.1。
表3.1 混凝土试验配合比1
按照常见的混凝土力学性能试验方法，将立方体混凝土试件置于300吨液压力学试验机内，以恒定的加载速度加载，测量标准尺寸立方体C100混凝土的抗压强度。然后将70.7mm×70.7mm×210.21mm的混凝土试件和贴有应变计的钢管相互套入，连接数据采集线，一起放入液压伺服万能压机内，调节球形支撑，使钢管和混凝土试件水平。连接应变计，安装位移计（如图2.1所示）。试验机加压时，混凝土试件首先受到应力，当荷载达到混凝土强度的10%左右时，钢管开始介入应力，液压伺服机全过程记录变形值和对应的荷载值，并绘制曲线显示。应变采集系统记录混凝土的应变、钢管的应变和整个试验装置的应变值。 压力试验完成后，取出已损伤的混凝土，以同样的加载方式将钢管压至混凝土屈服值，伺服液压机记录整个过程的变形及对应的荷载值。将总荷载和总变形减去钢管对应的荷载及变形值，即可测得混凝土试件对应的荷载及变形值，绘制其全应力-应变曲线，如图3.3、3.4、3.5所示。
从图3.3、3.4、3.5可以看出，C100超高强混凝土抗压荷载与位移全曲线由上升段和下降段两部分组成。当位移趋于无穷大时，试件所受力趋于零。在荷载加载初期，混凝土荷载与变形位移大致呈线性关系，在荷载加载过程中，曲线斜率基本保持不变。当荷载加到试件的最大承载力时，曲线斜率在很短的区域中迅速下降，直至试件破坏。在超高强混凝土中钢结构应力应变检测，由于混凝土本身强度高，内部缺陷相对较少，试件内部微裂缝并不会随着荷载的增加而继续增多和扩展。 但当接近最大荷载时，高强混凝土内部微裂缝迅速扩展增多，在骨料与水泥砂浆的粘结面产生裂缝，直至荷载等于试件的最大承载力，曲线斜率降至零，此阶段为高强混凝土全应力-应变曲线的上升段。
从图3.3、3.4可以看出，无钢纤维高强混凝土在承受最大荷载时，在同一应变速率下试件荷载迅速下降，应力-应变曲线进入下降段，曲线斜率变为负值。随着试件变形的增加，混凝土中裂缝的数量也随之增加，裂缝贯通形成大裂缝，导致混凝土逐渐破坏。当荷载降低到最大荷载的20%-30%时，应力-应变曲线逐渐进入收敛阶段，但此时混凝土几乎完全破坏，后续曲线无法测量。从图3.5可以看出，高强混凝土中加入钢纤维后，在最大荷载附近应力-应变曲线的变化与无钢纤维混凝土有明显不同。 曲线有明显的平滑过渡区，说明钢纤维的加入改善了高强混凝土的脆性，增加了混凝土的变形性能。在应力-应变曲线的下降段，进入收敛段的曲线也能清晰的显示出来。从应力-应变曲线可以看出，进入下降段后，由于刚性辅助设备的作用，时间应变速率得到较为准确的控制，试件没有出现突然破坏的现象。
混凝土在轴压作用下的应力-应变曲线由上升段和下降段组成，是混凝土基本抗压特性的综合宏观反映，塑性应变的出现和发展、微裂缝的发展、内部缺陷与损伤、极限强度、破坏坡度的形成、剩余强度与变形等均在曲线中得到体现。同时钢结构应力应变检测，应力-应变曲线是研究混凝土结构承载力与变形的主要依据，特别是在分析极限状态下构件截面应力分布、整个弹塑性过程以及抗震、抗爆结构的延性与恢复力特性时，是不可缺少的材料结构关系。根据清华大学郭振海等（1979）[13]提出的模型：
上升段和下降段各有一个参数a和α，通过对这两个参数赋予不同的值，对于不同原材料、不同强度等级的结构混凝土，可以得到与试验结果一致的理论曲线。
3.2 超高强混凝土的力学性能
试验选取水灰比为0.18、胶凝材料总量不同的两组混凝土配合比，混凝土配合比见表3.4。对养护至一定龄期的混凝土进行了抗压、抗弯、劈裂、静压弹性模量等力学性能试验，不同龄期混凝土抗压强度试验结果见表3.5，其他力学性能试验结果见表3.6。
表 3.4 混凝土试配比2
从表3.5可以看出，总体上，养护龄期28 d之前是超高强混凝土抗压强度发展最快的阶段，其抗压强度均超过100MPa。当养护龄期达到56 d和180 d时，抗压强度继续提高。当养护龄期达到360 d时，混凝土强度较180 d时有明显提高，两组混凝土抗压强度分别达到150.1Mpa和163.7MPa的超高强度。这说明极低水灰比混凝土的水化在28 d以后仍有继续水化强度增长的潜力。
从表3.5试验数据可以看出，HS-1混凝土在28d和56d时的静力弹性模量分别达到了44.9GPa和47.6GPa，而HS-2混凝土在这两个龄期的静力弹性模量均超过了50GPa，说明这两个强度等级的混凝土具有较高的刚度。试验测定了混凝土的抗弯强度，并计算了混凝土的弯压比，几组弯压比都在0.1左右，与现有研究[14]得到的高强混凝土弯压比在10%左右的数据十分接近，符合高强混凝土强度的发展规律。
4。结论
(1)利用刚性辅助装置测试超高强混凝土应力-应变曲线是一种相对方便、有效的实验方法，可以得到相对准确的曲线结果。
(2)超高强混凝土的应力-应变曲线与普通混凝土的应力-应变曲线有所差别，高强混凝土的应力-应变曲线在最高荷载点处无明显的缓冲阶段，且有一定的突变，这也反映了高强混凝土的脆性。
(3)高强混凝土中添加钢纤维测得的应力-应变曲线与普通高强混凝土的应力-应变曲线基本一致，但钢纤维的加入可以使混凝土在荷载作用下的应变值更加稳定，变化更加平缓，呈现的曲线具有一般混凝土应力-应变曲线的拐点特征，表明钢纤维可以明显改善高强混凝土的脆性。
(4)超高强混凝土应力-应变曲线拟合应分为上升阶段和下降阶段两个阶段，建议采用郭振海模型进行曲线拟合。
(5) 水胶比为0.18的超高强混凝土，混凝土28 d抗压强度超过100 MPa，当养护龄期达到180 d和360 d时，混凝土抗压强度在此过程中不断提高，两组混凝土在360 d时的抗压强度分别达到150.1 MPa和163.7 MPa，在56 d时的静力弹性模量在50 GPa左右。
参考
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