C100混凝土的力学性能及应力-应变曲线

蔺喜强1，张涛1，霍亮1，张楠1，李国友1，戢文占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C100超高强的素混凝土和纤维混凝土的应力-应变曲线，同时对长龄期的C100超高强混凝土抗压强度、静压力弹性模量等力学性能的发展趋势进行研究。实验结果表明C100超高强混凝土应力-应变曲线采用刚性辅助装置测试是比较便捷和有效的实验方法，高强混凝土应力应变全曲线显示当混凝土所受荷载达到最大时，混凝土的破坏具有突变性，应力应变曲线没有明显的缓冲阶段，只有上升阶段和下降阶段两个过程。另外，钢纤维超高强混凝土应力应变曲线的变化规律也基本一致，但钢纤维的掺加能够使混凝土的在荷载作用下的应变得变化具有更加稳定和平缓的特点，达到破坏突变点后应力应变曲线平稳下降，说明钢纤维能够明显的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，混凝土的28d抗压强度超过100MPa，随着养护龄期达到180d和360d时，混凝土的抗压强度在此过程中仍然继续增长。两组混凝土在360d时的抗压强度分别达到了150.1MPa和163.7MPa，并且它们的静压力弹性模量在56d龄期时在50GPa左右。

关键词：C100超高强混凝土；应力应变曲线；长龄期养护；抗压强度；

1 引言

在实际混凝土结构中，混凝土承受各种各样的荷载，对应于不同的受力形式，混凝土有不同的强度和变形。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度低而抗压强度高，因而混凝土基本上用于承受压力，所以单轴受压状态是混凝土最简单、最基本的受力状态。超高强混凝土应力-应变关系全曲线、受压极限应变的研究则相对较少[1-4]。其原因主要在于试验设备在进行压力试验时，会积聚一定的应变能，当混凝土接近或达到极限强度时，弹性模量会剧烈下降，设备中的应变能瞬间释放，把混凝土压碎，导致混凝土受压全曲线的下降段不易获得。然而，混凝土单轴受压应力-应变全曲线是混凝土基本受

压特性的综合宏观反应，又是研究钢筋混凝土结构承载力和变形特征的主要依据，更是进行混凝土结构非性、弹塑性全过程分析必不可少的基本材料特征。

至今，不少学者提出了多种混凝土受压应力-应变曲线方程[5-8]，有些文献[9-12]还做了综述与试验测试。他们中的绝大多数采用上升段和下降段曲线统一的方程，按其数学函数的形式可分为多项式、指数式、三角函数式和有理分式等。应力应变曲线的上升段和下降段采用统一的方程表达，优点是参数少、形式简单和计算方便，但是其曲线形状很难满足试验曲线的全部几何特点。

Saenz于1964 年提出用多项式来拟合全曲线，方程如下：y=c1x+c2x+c3x +c4x

Sahlin、Smith 和Young 于1955 年提出用指数式方程来拟合全曲线：y=xe1−x

Young于1960 年提出用三角函数式来拟合全曲线：y=sin (π/2 x)。

Hognestad于1955 年在ACI 中建议的上升段和下降段分别的方程如下：

Hognestad和Rusch等人建议了上升段和下降段分别的方程，形式最简单，受工程师们的欢迎，已经纳入CEB-FIP MC90等混凝土结构设计规范。事实上，这两组曲线方程正是为满足工程实用而提出，将复杂的、连续的应力—应变全曲线简化成抛物线的上升段和直线的下降段，因而它们与实测曲线有一定差别。

本文主要是对C100的超高强混凝土的应力应变曲线进行测试，并对一年长养护龄期的C100混凝土的抗压、静压力弹性模量等力学性能进行研究，总结一些超高强混凝土力学性能发展规律。

2原材料与实验方法

2.1实验原材料

（1）水泥和掺合料，水泥为唐山冀东525普通硅酸盐水泥，矿物掺合料主要用山东鲁新建材公司生产的超细矿粉；甘肃三远硅材料有限公司生产的硅灰(活性Si0290%)。原材料化学分析结果如表2.1。（2）骨料，采用河北易县产玄武岩石子G大(15mm)，G小(10mm)，采用级配G大(15mm)：G小(10mm)=4:6比例。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，北京慕湖外加剂有限公司生产，其形态为粉体，减水率40%。

2.2实验方法

（1）应力应变曲线实验方法：在液压伺服实验机上设计附加刚性元件-钢桶来保证实验装置总体刚度超过高强混凝土试件破坏时的下降段的最大刚度，这样既能保证以等应变速度加载的进行，也能实现计算机采集实验数据，操作行对简单准确便于分析。

试件尺寸设计，本实验测试的混凝土强度超过100MPa，如果所测试的试件截面尺寸较大时，实验荷载将超过所用的200t的液压伺服万能实验机器的量程，所以混凝土的尺寸设计为70.7mm×70.7 mm×210.21mm。刚性辅助元件-钢筒，钢管采用Q345钢材加工，内径，外径，高度209.5mm,成型后的混凝土长度会有所略微的差别，在混凝土套入钢环后根据混凝土柱的实际长度通过在钢环上添加2mm、5mm垫片在实现钢环在混凝土在破坏前的介入，才实现增加测试试件部分的刚度，从而测量混凝土破坏下降段的应力应变关系。应变测定，每个轴心抗压试件的正反面各黏贴1个横向和竖向应变片，去确定混凝土的泊松比变化；钢桶帖1应变片来确定钢环在混凝土受力过程中的介入时间；钢桶外侧加两个位移传感器，在轴心受压试验中，试件开裂后，应变片将不能再工作，故应力-应变全曲线的下降段由位移计测出。

另外，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》进行测定混凝土拌合物的工作性能按照GB/T 50080- 2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测定。

3 实验结果与讨论

3.1 超高强混凝土的应力-应变曲线测试

实验选取三组水胶比同为0.25 的混凝土配合比,将成型试件拆模后养护至28d时进行应力应变曲线测试实验，其中两组为胶凝材料用量分别为600kg/m3和650kg/m3的素混凝土，另外一组为胶凝料用量为650kg/m3同时添加1%体积量钢纤维的混凝土。实验配合比如表3.1所示。

表3.1 混凝土实验配合比1

根据普通混凝土力学性能试验方法，将立方体混凝土试件放入300吨级的液压力学试验机，以恒定的加载速度加载，测出标准尺寸立方体的C100混凝土的抗压强度。再将粘贴好应变片的70.7mm×70.7 mm×210.21mm混凝土试件和钢管相互套入，并连接好数据采集线，一并放置于液压伺服万能压力机内，调整好球形支座，使钢管和混凝土试件水平，连接应变仪，安装位移计(如图2.1)。当试验机加压时，先是混凝土试件受力，当荷载达到混凝强度的10%左右钢管开始介入受力，液压伺服机记录出整个过程中变形值和相应的荷载值，并绘出曲线显示出来，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。本次试验加压结束后，取出破坏的混凝土，将钢管以同样的加载方式压至混凝土屈服值，伺服液压机记录整个过程的变形和相应的荷载值。在总荷载和总变形中减去相对应的钢管的荷载和变形值，即可测得混凝土试件相应的荷载和变形值，从而绘制出其应力-应变全曲线，如图3.3，图3.4和图3.5。

从图3.3、图3.4和图3.5可以看出，C100超高强混凝土受压荷载和位移全曲线由，上升段和下降段两部分组成，当位移趋于无穷时，试件爱你的受力趋于零。在荷载加载初期，混凝土荷载和形变位移大致呈线性关系，在荷载加载的过程中曲线的斜率基本不变，当荷载加至试件的最大承载力时，曲线的斜率在很短的区域内迅速变小直至试件破坏。在超高强混凝土中，由于混凝土本身具有很高的强度，内部缺陷相对较少，试件的内的微裂纹随着荷载的增加并没有持续的增加和扩展，但要接近最大荷载的时候，高强混凝土内部微裂纹则迅速扩展并且增多，骨料和水泥砂浆粘结面均有裂缝的发展，直到荷载等于试件最大承载力时，曲线的斜率下降为零，这一阶段为高强混凝土的应力-应变全曲线上升段。

由图3.3、图3.4可以看出未掺加钢纤维的高强混凝土，当达到最大荷载之后，同应变速率下，试件荷载迅速减小，应力-应变曲线进入了下降段，曲线的斜率变为负值。随着试件的变形增大，混凝土的裂缝的数量也增多，裂缝贯穿形成大的裂缝，导致混凝土的逐渐破坏。当荷载减小到最大荷载的20%-30%的时候，应力-应变曲线逐渐进入收敛阶段，不过这时混凝土的已近完全被破坏，之后的曲线未能测出。从图3.5可以看出，高强混凝土中添加钢纤维之后，应力-应变曲线在荷载最大值附近的变化与未掺加钢纤维的混凝土有明显的区别，曲线有明显的平滑过渡区域，可见钢纤维的添加改善了高强混凝土脆性，增加了混凝土的形变性能。在应力-应变曲线下降段时，进入收敛段的曲线也能清楚的表现出来。有应力应变曲线看出，进入下降段后，由于刚性辅助设备的作用，时间应变速度得到比较精确的控制，没有出现试件突然破坏。

混凝土的轴心受压应力应变全曲线由上升段和下降段组成，它是混凝上基本受压特性的综合性宏观反映，诸如混凝土的塑性应变的出现和发展、微裂缝的开展、内部缺陷和损伤、极限强度、破坏斜面的形成、残余强度和变形等等都在曲线上有相应的体现。同时应力-应变曲线又是研究混凝土结构的承载力和变形的主要依据，特别是在分析构件极限状态时的截面应力分布、弹塑性全过程以及抗震和抗爆结构的延性和恢复力特性等时，更是必不可少的材料本构成关系。通过清华大学过镇海等提出的模型(1979年)[13]：

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等的数值，可以得到对于不同原材料和强度等级的结构混凝土的与试验结果相符的理论曲线。

3.2 超高强混凝土的力学性能

实验选取两组混凝土配合比的水胶比为0.18，胶凝材料总量不同，混凝土配合比了如表3.4所示。对养护至一定龄期的混凝土进行抗压、抗折、劈裂和静压力弹性模量等力学性能实验。表3.5为不同养护龄期的混凝土的抗压强度测试结果。表3.6为其它的力学性能的测试结果。

表3.4混凝土试验配合比2

从表3.5可以看出，总体上超高强混凝土在养护龄期28d前的时间是抗压强度发展最快的一个阶段，它们的抗压强度都超过了100MPa。当养护龄期达到56d和180d时，抗压强度都呈继续增加的趋势。当养护龄期达到360d的时候，混凝土的强度相比180d时强度又有较大幅度的增长，两组混凝土的抗压强度分别达到了150.1Mpa和163.7MPa的超高强度。说明极低水胶比的混凝土的水化在28d后还具有继续水化和强度增长的潜力。

由表3.5试验数据看出， HS-1混凝土28d和56d的静压力弹性模量分别达到了44.9GPa和47.6GPa，而这两个龄期的HS-2组混凝土静压力弹性模量都超过了50GPa，说明这个两个强度等级的混凝土都具有较高的刚性。实验通过测定混凝土的抗折强度并计算混凝土的折压比，几组折压比都在0.1左右，这与现有研究得出的高强混凝土的折压比为10%左右的数据很接近[14]，符合高强混凝土强度的发展规律。

4结论

（1）采用刚性辅助装置来测试超高强混凝土应力-应变曲线是比较便捷和有效的实验方法，能够获得比较准确的曲线结果。

（2）超高强混凝土的应力-应变曲线与普通的混凝土应力应变曲线的变化规律有一定差别，高强混凝土应力应变全曲线在荷载最高点时没有明显的缓冲阶段，具有一定的突变性，这也反应了高强混凝土脆性大的特点。

（3）在高强混凝土中添加钢纤维测得应力应变曲线与素的高强混凝土的应力应变曲线的变化规律基本一致，但钢纤维的掺加能够使混凝土的在荷载作用下的应变值更加稳定和平缓的变化，所呈现的曲线具有一般混凝土应力应变曲线的拐点特点，说明钢纤维能够明显的改善高强混凝土的脆性。

（4）超高强混凝土应力-应变曲线的拟合应该分为上升段和下降段两个过程分段进行，建议采用过镇海模型进行曲线拟合。

（5）水胶比为0.18的超高强混凝土，混凝土的28d抗压强度超过100MPa，随着养护龄期达到180d和360d时，混凝土的抗压强度在此过程中仍然继续增长。两组混凝土在360d时的抗压强度分别达到了150.1MPa和163.7MPa，并且它们的静压力弹性模量在56d龄期时在50GPa左右。

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