宋帥奇,高丹盈,胡良明,嚴(yán)克兵

(1.鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心,河南鄭州 450002;2.河南城建學(xué)院交通工程系,河南平頂山 467044)

塑性混凝土強(qiáng)度和尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)研究

宋帥奇1,2,高丹盈1,胡良明1,嚴(yán)克兵1

(1.鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心,河南鄭州 450002;2.河南城建學(xué)院交通工程系,河南平頂山 467044)

通過對12個配合比、3個齡期共405個塑性混凝土試塊的強(qiáng)度試驗(yàn),研究了塑性混凝土相關(guān)強(qiáng)度之間的關(guān)系,塑性混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng),以及塑性混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:塑性混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度之間具有良好的統(tǒng)計關(guān)系;相比邊長為150mm的立方體試塊,邊長為100mm的塑性混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)系數(shù)分別為0.9375和0.8616;齡期對塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大的影響。在此基礎(chǔ)上,建立了相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)之間的換算關(guān)系式以及軸心抗壓強(qiáng)度與齡期的對數(shù)關(guān)系式。

塑性混凝土;強(qiáng)度指標(biāo);尺寸效應(yīng);試驗(yàn)研究

塑性混凝土是以膨潤土、黏土等摻合材料取代普通混凝土中的部分水泥配制而成的柔性材料,通常被用作防滲墻材料,廣泛應(yīng)用于大壩工程、大壩圍堰工程、大壩除險加固工程及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程[1]。近年來,塑性混凝土在我國三峽大壩圍堰、小浪底水庫上游圍堰、丹江口水庫副壩、冊田水庫等水利工程中廣泛應(yīng)用。我國對塑性混凝土的研究始于20世紀(jì)80年代,中國水利水電基礎(chǔ)工程局、長江科學(xué)院、清華大學(xué)、鄭州大學(xué)等單位開展了塑性混凝土的試驗(yàn)研究[2-7]。研究發(fā)現(xiàn)塑性混凝土具有強(qiáng)度低、彈性模量低、極限變形大、彈強(qiáng)比(彈性模量與強(qiáng)度的比值)小、滲透系數(shù)合適并可控等特點(diǎn),是較為理想的防滲墻材料。然而,針對塑性混凝土的研究大多側(cè)重于工程應(yīng)用,缺乏較系統(tǒng)的理論研究,對塑性混凝土強(qiáng)度的研究集中在有關(guān)因素對某個或某些強(qiáng)度的影響上,缺乏相關(guān)強(qiáng)度間關(guān)系的統(tǒng)計分析。由于塑性混凝土的組成材料復(fù)雜、影響因素較多,從總體上把握強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系十分重要。筆者進(jìn)行了12個配合比、3個齡期共405個試塊的強(qiáng)度試驗(yàn),研究塑性混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng),并通過對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計分析,建立塑性混凝土相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系式。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用42.5號普通硅酸鹽水泥、鄭州鄭東新區(qū)龍湖區(qū)粉質(zhì)黏土(以350目的粒度標(biāo)準(zhǔn)磨細(xì)至粉狀)、鈣基一級膨潤土、粒徑為5～20mm的碎石,細(xì)度模數(shù)為3.3的砂子(其級配曲線位于Ⅰ區(qū),屬粗砂)。參照前期塑性混凝土試驗(yàn)結(jié)果以及為確定用水量而提前進(jìn)行的紙杯試驗(yàn)的結(jié)果,配置滿足坍落度要求的12種塑性混凝土的配合比(表1),用以研究水膠比、砂率、水泥用量、黏土用量、膨潤土用量、齡期等對有關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)的影響。每組配合比均考慮28d和90d這2個齡期,對水膠比系列還考慮了180d齡期。

表1 塑性混凝土的配合比

立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)均采用尺寸為100mm×100 mm×100 mm和 150 mm×150mm×150mm這2種立方體試塊,抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試塊,軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和單向受壓下的變形試驗(yàn)采用尺寸為150mm×150mm×300mm的棱柱體試塊。每種情況下制作3個試塊,共計405個試塊。塑性混凝土采用機(jī)械拌和,人工或振動臺振搗,試模成型靜置48h后拆模,并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期后按照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。由于塑性混凝土彈性模量低、泊松比大,其縱向壓應(yīng)變受橫向拉應(yīng)變的影響較大,按照常規(guī)混凝土彈性模量的測試方法難以準(zhǔn)確測出塑性混凝土的縱向變形,因此,單向受壓下縱向應(yīng)變測試的測量標(biāo)距為300mm,即試塊全長。在試塊頂端加鋼蓋板,將電子位移計用磁性表座固定于試驗(yàn)機(jī)下壓板上,測試試塊全長的變形并通過自動數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)。軸向荷載由荷載傳感器通過自動數(shù)據(jù)采集儀采集,并將自動數(shù)據(jù)采集儀得到的軸向荷載和軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入計算機(jī),繪制出塑性混凝土的應(yīng)力～應(yīng)變曲線。

2 塑性混凝土強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系

2.1 劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)表明,對于邊長分別為100mm和150 mm的塑性混凝土立方體試塊,28d齡期的抗壓強(qiáng)度分別在1.1～3.27MPa和1.27～3.26MPa范圍內(nèi)變化,90d齡期的抗壓強(qiáng)度分別在1.74～4.59MPa和1.71～4.26MPa范圍內(nèi)變化;28d齡期的劈拉強(qiáng)度分別在0.14～0.43MPa和0.16～0.4MPa范圍內(nèi)變化,90d齡期的劈拉強(qiáng)度分別在0.2～0.5MPa和0.25～0.49MPa范圍內(nèi)變化。塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均隨水膠比的增大而明顯減小;隨砂率的增大先增大后減小,砂率為50%時和60%時相差不明顯,合適砂率在50%左右;隨水泥用量的增大而增大,但是增大的幅度趨緩,水泥用量以120kg/m3為宜;隨黏土用量的增大而明顯減小;隨膨潤土用量的增大先增大后減小。原因在于水膠比增大,塑性混凝土凝結(jié)硬化后內(nèi)部空隙增大,導(dǎo)致強(qiáng)度降低;砂率增大使細(xì)骨料表面積增大,一方面導(dǎo)致實(shí)際水膠比減小,有利于強(qiáng)度增大,另一方面砂率過大導(dǎo)致膠凝材料不能充分包裹骨料,對強(qiáng)度增長不利;水泥用量的增加在一定程度上增強(qiáng)了膠凝材料與骨料的膠結(jié),從而使強(qiáng)度得到提高,但膠凝漿體不能過多;黏土和膨潤土的摻入降低了材料間的膠結(jié)力,同時由于膨潤土吸水率大又能提高強(qiáng)度。

拉壓比是指在同一配合比下混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值,是衡量混凝土力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)。國內(nèi)外已有的研究資料[8]表明:普通混凝土拉壓比為0.058～0.125,且強(qiáng)度越高,拉壓比越小,脆性越大;高強(qiáng)混凝土拉壓比僅為 0.042～0.050。對試驗(yàn)結(jié)果分析可知,塑性混凝土拉壓比為0.106～0.181,比普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的拉壓比大得多,反映了塑性混凝土變形大的特點(diǎn)。同時,塑性混凝土劈拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增大而增大,見圖1,兩者之間的關(guān)系可用式(1)(2)表示:

式中:fs為塑性混凝土的劈拉強(qiáng)度,MPa;fcu為塑性混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度,MPa;R為相關(guān)系數(shù)。

塑性混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與式(1)計算值之比的均值為1.0397,均方差為0.1158,變異系數(shù)為0.1114;試驗(yàn)值與式(2)計算值之比的均值為1.0056,均方差為0.1050,變異系數(shù)為0.1044,試驗(yàn)值與式(1)和式(2)計算值均吻合較好。

圖1 劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)表明,28d齡期和90d齡期的塑性混凝土的抗折強(qiáng)度分別在0.38～0.99 MPa和 0.48～1.15MPa之間變化,并且抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度隨各試驗(yàn)參數(shù)變化的規(guī)律基本一致。分析可知,塑性混凝土的抗折強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的26%～44%,且隨抗壓強(qiáng)度的增大而增大(圖2),兩者之間的關(guān)系可用下面2個公式表示:

式中:ftm為塑性混凝土的抗折強(qiáng)度,MPa。

圖2 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

塑性混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值與式(3)計算值之比的均值為1.0046,均方差為0.0981,變異系數(shù)為0.0977;試驗(yàn)值與式(4)計算值之比的均值為0.9993,均方差為0.099 5,變異系數(shù)為 0.099 6。試驗(yàn)值與式(3)和式(4)所得計算值均吻合較好。

劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均能反映材料的抗拉性能,區(qū)別在于前者是剪拉、后者是彎拉,兩者之間有一定的相關(guān)性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,塑性混凝土抗折強(qiáng)度隨劈拉強(qiáng)度的增大而增大,見圖3,圖中劈拉強(qiáng)度為邊長為150mm的立方體試塊的試驗(yàn)值。塑性混凝土抗折強(qiáng)度與邊長分別為100mm和150mm的立方體試塊劈拉強(qiáng)度的比值在1.66～3.79和1.81～3.27范圍內(nèi)變化。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析得出,塑性混凝土的抗折強(qiáng)度與邊長為150mm的立方體試塊和邊長為100mm的立方體試塊的劈拉強(qiáng)度的關(guān)系分別如式(5)、式(6)所示:

式中:fs1和fs2分別為邊長為150mm的立方體試塊和邊長為100mm的立方體試塊的劈拉強(qiáng)度。

試驗(yàn)值與式(5)計算值之比的均值為1.0061,均方差為0.111 4,變異系數(shù)為 0.110 8;試驗(yàn)值與式(6)計算值之比的均值為 1.008 9,均方差為0.1436,變異系數(shù)為0.1423。由此可知,試驗(yàn)值與計算值吻合較好。

圖3 抗折強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較低,28d齡期和90d齡期的軸心抗壓強(qiáng)度分別在1.11～2.75MPa和1.44～3.77MPa之間,180 d齡期最高,也才達(dá)到5MPa,并且軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度隨各試驗(yàn)參數(shù)變化的規(guī)律基本一致。對于普通混凝土,軸心抗壓強(qiáng)度隨標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的增大而增大,前者與后者的比值在70%～92%之間。根據(jù)本文結(jié)果及文獻(xiàn)[9]龍湖試驗(yàn)數(shù)據(jù),塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度之間存在良好的線性關(guān)系(圖4),通過統(tǒng)計分析,兩者之間的線性關(guān)系式如下:

式中:fc為塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度,MPa。

圖4 軸心抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與式(7)計算值之比的均值為1.012 3,均方差為0.1158,變異系數(shù)為0.1144。由此可知,式(7)計算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2.4 峰值應(yīng)力與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

峰值應(yīng)力與軸心抗壓強(qiáng)度非常相近,軸心抗壓強(qiáng)度稍高于峰值應(yīng)力,兩者的差別主要是由加載速度不同引起的。測軸心抗壓強(qiáng)度的加載速度快于測單向受壓變形的加載速度。28d齡期和90d齡期的峰值應(yīng)力分別在1.06～2.79MPa和1.54～3.85MPa之間,180 d齡期的峰值應(yīng)力最高才達(dá)到4.6MPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(圖5),峰值應(yīng)力與軸心抗壓強(qiáng)度具有明顯的線性關(guān)系:

式中:fcp為塑性混凝土的峰值應(yīng)力,MPa。

圖5 峰值應(yīng)力與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

峰值應(yīng)力試驗(yàn)值與式(8)計算值之比的均值為1.0027,均方差為0.045,變異系數(shù)為0.045,計算值與試驗(yàn)值吻合較好。

3 塑性混凝土強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)及其與齡期的關(guān)系

3.1 強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

尺寸效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響不容忽視,試塊較小時受外界的約束較大,測到的結(jié)果偏大,試塊尺寸較大時測到的值偏小。普通混凝土抗壓強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊為準(zhǔn),邊長分別為100mm和200mm的立方體試塊應(yīng)分別乘以0.95和1.05的轉(zhuǎn)換系數(shù)。試驗(yàn)得到的塑性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)分別見圖6和圖7。結(jié)果表明,以邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊為準(zhǔn),邊長為100 mm的立方體試塊抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.9375,邊長為100mm的立方體試塊劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.8616。從圖6～7可以看出,邊長為

圖6 抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

圖7 劈拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

100mm的立方體試塊抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)系數(shù)與普通混凝土的相近,這主要是因?yàn)楦鶕?jù)圣維南原理,在相同的試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)機(jī)對相同尺寸試件端部的約束的影響范圍基本相同,試件尺寸對尺寸效應(yīng)的影響超越了材料對尺寸效應(yīng)的影響。

3.2 強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

由于影響塑性混凝土強(qiáng)度的因素非常復(fù)雜,為了簡化計算,參照普通混凝土強(qiáng)度與齡期的經(jīng)驗(yàn)公式并根據(jù)塑性混凝土強(qiáng)度的特點(diǎn)加以修正,得到齡期為n(n≥90d)的塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fcn與28d齡期時的軸心抗壓強(qiáng)度fc28的關(guān)系如下:

式中:fcn為齡期為n(n≥90d)時的塑性混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度,MPa;fc28為28 d齡期時塑性混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度,MPa。

齡期為90d和180d時的塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與按式(9)計算值之比的均值為1.0063,均方差為0.085 1,變異系數(shù)為0.0846,計算值與試驗(yàn)值吻合較好。

4 結(jié) 語

a.塑性混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均隨水膠比的增大而明顯減小;隨砂率的增大先增大后減小,合適砂率在50%左右;隨水泥用量的增大而增大,但增長的幅度趨緩,水泥用量以120kg/m3為宜;隨黏土用量的增大明顯減小,隨膨潤土用量的增大先增大后減小。

b.塑性混凝土相關(guān)強(qiáng)度之間具有良好的統(tǒng)計關(guān)系,根據(jù)對本文試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計分析,劈拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間、抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間具有線性函數(shù)或冪函數(shù)的關(guān)系,抗折強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度之間具有冪函數(shù)關(guān)系,立方體抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力與軸心抗壓強(qiáng)度具有線性關(guān)系。

c.相比邊長為150mm的立方體試塊,邊長為100mm的塑性混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)系數(shù)分別為0.9375和0.8616。齡期為n(n≥90d)時的塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fcn與28d齡期時的軸心抗壓強(qiáng)度fc28具有對數(shù)關(guān)系。

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[2]宋帥奇.塑性混凝土單向受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2008.

[3]嚴(yán)克兵.塑性混凝土基本性能的試驗(yàn)研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2008.

[4]張鵬.塑性混凝土材料性能研究及其應(yīng)用[D].鄭州:鄭州大學(xué),2005.

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[8]過鎮(zhèn)海.混凝土的強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系原理與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[9]高丹盈,朱海堂,趙軍,等.鄭州市鄭東新區(qū)龍湖水系成湖工程塑性混凝土防滲墻性能試驗(yàn)研究報告[R].鄭州:鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心,2006.

Experimental study on strength and size effect of plastic concrete

SONG Shuai-qi1,2,GAO Dan-ying1,HU Liang-ming1,YAN Ke-bing1(1.Research Center of New Building Materials and Structure,Zhengzhou University,Zhengzhou450002,China;2.Department of Traffic Engineering,HenanUniversity of Urban Construction,Pingdingshan467044,China)

Based on the strength tests on 405 specimens of plastic concrete with 12 mix proportions and 3 curing ages,the relationship among relevant strengths,the size effect of compressive strength and splitting tensile strength and the relationship between compressive strength and curing age were systematically investigated.The test results show that the compressive strength,splitting tensile strength and flexural strength of the plastic concrete exhibit a good statistical relationship.The cubic specimens with the side length of 100mm have size effect coefficients of the compressive strength and splitting tensile strength of 0.9375 and 0.8616 respectively compared with those with the side length of 150 mm.The curing ages have great influences on the strength of plastic concrete.On such a basis,the conversion formulae among relevant strength indices andthe logarithmic relationship between the axial compressive strength and the curing age were established.

plastic concrete;strength index;size effect;experimental study

TU528.01

A

1006-7647(2010)03-0032-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.009

國家自然科學(xué)基金(50979100);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2010CB635118)

宋帥奇(1981—),男,河南葉縣人,講師,博士研究生,從事結(jié)構(gòu)工程和建筑復(fù)合材料研究。E-mail:shuaiqisong@sina.com

2009-08-01 編輯:駱超)