梁　巖，羅小勇，史　艷

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州　450001;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙　410075)

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反復(fù)荷載下碳化混凝土力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系研究

梁巖1?，羅小勇2，史艷2

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

為研究碳化對反復(fù)荷載下混凝土力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系的影響，本文通過碳化混凝土棱柱體試件單調(diào)及反復(fù)荷載試驗(yàn)，得到各試件應(yīng)力應(yīng)變曲線及骨架曲線，考慮到碳化混凝土構(gòu)件的截面尺寸效應(yīng)，從混凝土碳化率的角度對比分析了單調(diào)及反復(fù)荷載下碳化對試件破壞形態(tài)、混凝土強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變及極限應(yīng)變的影響.試驗(yàn)表明：隨著反復(fù)荷載下碳化混凝土內(nèi)部損傷的積累，其應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段比單調(diào)荷載下的更為陡峭，破壞較為突然，反復(fù)荷載碳化混凝土延性變差;反復(fù)荷載下隨著碳化率的增加，混凝土碳化后的峰值應(yīng)變有所降低，但變化不大；而峰值應(yīng)力均有所提高，極限應(yīng)變均有所降低.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果引入與碳化率相關(guān)的下降段參數(shù)修正系數(shù)建立了碳化混凝土反復(fù)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，通過與試驗(yàn)對比分析表明本文確定的本構(gòu)關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.

混凝土；碳化率；反復(fù)荷載；本構(gòu)關(guān)系；力學(xué)性能

混凝土碳化是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一[1].國內(nèi)外學(xué)者對混凝土的抗碳化問題[2]、碳化的影響因素[3]、多因素作用對混凝土抗碳化性能的影響[4]、碳化模型[5]以及應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力損傷對碳化混凝土的影響[6-10]進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明：碳化混凝土峰值應(yīng)力提高，極限應(yīng)變降低，彈性模量增加，延性降低，脆性明顯增加.混凝土本構(gòu)關(guān)系是研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形特征的基本依據(jù)，是分析構(gòu)件極限承載力和進(jìn)行非線性全過程分析時(shí)必不可少的，對碳化后的混凝土的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，既為既有建筑物的耐久性及抗震性能分析提供了理論依據(jù)[11]，也對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義.耿歐[12]根據(jù)試驗(yàn)成果，建立了單調(diào)荷載下碳化混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系.但結(jié)構(gòu)在正常使用過程中，往往承受反復(fù)荷載作用，反復(fù)荷載下碳化混凝土的力學(xué)性能與單調(diào)荷載下有所差異.然而目前對碳化混凝土在反復(fù)荷載下的力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系研究未見報(bào)道，本文以混凝土碳化率為分析參數(shù)，通過試驗(yàn)研究碳化混凝土在反復(fù)荷載下力學(xué)性能及耗能性能的變化規(guī)律，并建立反復(fù)荷載下碳化混凝土的本構(gòu)關(guān)系，為疲勞荷載、地震作用、風(fēng)荷載及其他反復(fù)荷載作用下碳化混凝土結(jié)構(gòu)性能評估及既有結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù).

1　試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)依據(jù)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]及GB/T50081 -2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14].試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35.試件共5組，每組6個(gè)，其中3個(gè)進(jìn)行單調(diào)受壓試驗(yàn)，另外3個(gè)進(jìn)行反復(fù)受壓試驗(yàn)，見表1.

未碳化立方體試塊28 d強(qiáng)度為35.1 MPa，彈性模量為3.13×104MPa.碳化箱按JG/T247《混凝土碳化試驗(yàn)箱》采用CCB-70F試驗(yàn)箱，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為20%±3%，相對濕度保持在70%±5%的范圍內(nèi)，溫度保持在20 ℃±5 ℃.

表1　試驗(yàn)工況

1.2試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)設(shè)備采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，最大壓力3 000 kN，精度0.1 kN.試驗(yàn)開始前，將試件受力面磨平，保證兩端部與軸線垂直.試驗(yàn)在預(yù)加載結(jié)束后，設(shè)置加載程序，單調(diào)加載時(shí)開始的加載速度為0.3 mm/min，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力的70%時(shí)，把加載速度減小到0.1 mm/min，一直到試件破壞.在進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)時(shí)，與單調(diào)加載的加載方式類似，采用的是等位移增幅加載.上升段等位移加載速度為0.3 mm/min，增幅是0.05 mm.卸載段采用力控制，卸載速度為3 kN/s，荷載完全卸載后進(jìn)行再加載，直至試件破壞.反復(fù)荷載加載機(jī)制見圖1.

圖1　反復(fù)荷載加載機(jī)制

2　基于混凝土碳化率分析的原因

圖2　混凝土碳化率

混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在典型耐久性環(huán)境下，達(dá)到一定使用年限后，不可避免地發(fā)生混凝土碳化，在此定義混凝土碳化率為：混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面碳化混凝土面積Ac與混凝土總面積A的比值.

3　碳化混凝土力學(xué)性能退化分析

各試件均為混凝土壓碎破壞，未碳化及碳化率較小試件(T1，T2)，臨近破壞時(shí)混凝土剝落面積較大，裂縫發(fā)展相對較多；碳化率較大試件(T3，T4)破壞時(shí)混凝土剝落面積較小，裂縫發(fā)展相對較少，且貫穿整個(gè)試件，與沒有碳化的試塊相比，破壞較為突然.混凝土碳化后在反復(fù)荷載的作用下，在超過峰值應(yīng)力后，試件表面出現(xiàn)可見裂縫(見圖3).在試驗(yàn)過程中，有些試件在達(dá)到最大荷載時(shí)，隨著碳化率增加，破壞更加突然.當(dāng)總應(yīng)變達(dá)到3 500～4 500με時(shí)，混凝土試件表面形成臨界斜裂縫，破壞斜面與單調(diào)荷載作用下的類似，不同碳化時(shí)間試件反復(fù)荷載下破壞形態(tài)與單調(diào)荷載下基本一致.

3.1單調(diào)荷載下碳化混凝土力學(xué)性能

單調(diào)加載試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4.從圖4可以看出，混凝土隨著碳化率增加，碳化后混凝土的峰值荷載有所提高.

單調(diào)荷載試驗(yàn)主要結(jié)果見表2，其中峰值應(yīng)力取峰值荷載對應(yīng)的應(yīng)力值，峰值應(yīng)變?nèi)》逯祽?yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變，彈性模量取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上原點(diǎn)及0.4 fc點(diǎn)的割線模量(注：fc為試件峰值應(yīng)力).根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010附錄C2.1條規(guī)定，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段上，當(dāng)應(yīng)力(殘余強(qiáng)度)減至0.5fc時(shí)，所對應(yīng)的壓應(yīng)變?yōu)闃O限壓應(yīng)變?chǔ)舥.

圖3　試件破壞形態(tài)

應(yīng)變

從表2所示本文試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著碳化率的增加，混凝土碳化后的峰值應(yīng)變有所降低，但變化不大；而峰值應(yīng)力均有所提高，極限應(yīng)變均有所降低.不同碳化率的試件峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變的變化值不同，當(dāng)碳化率達(dá)到42.2%時(shí)，峰值應(yīng)力提高28.8%，彈性模量增加29.6%，極限應(yīng)變降低5.5%.

碳化混凝土峰值應(yīng)力σcp，峰值應(yīng)變?chǔ)與p，極限應(yīng)變?chǔ)與u及彈性模量Ec隨碳化率變化趨勢見圖5，對其分析見式(1)～(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：σp,εp,εu,E分別為試件峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變及彈性模量.

表2　單調(diào)荷載試驗(yàn)結(jié)果

碳化率/%　　　　　　　　　　　　　　　　　碳化率/%

碳化率/%　　　　　　　　　　　　　　　　　碳化率/%

由以上分析可知完全碳化后混凝土的峰值應(yīng)力約提高65%，混凝土碳化后的彈性模量隨著碳化率增加而增大，變化趨勢與峰值應(yīng)力一致.

3.2反復(fù)荷載下碳化混凝土力學(xué)性能

混凝土碳化后反復(fù)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6.從圖6可知碳化后混凝土在反復(fù)荷載作用下隨碳化率增加破壞更加突然，試件碳化28 d，碳化率達(dá)到42.2%時(shí)，混凝土的脆性有明顯增大.

圖6　碳化混凝土反復(fù)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果見表3，其中各數(shù)值計(jì)算原則同單調(diào)試驗(yàn).從表3可以看出，隨著碳化率的增加，混凝土碳化后的峰值應(yīng)變有所降低，但變化不大；而峰值應(yīng)力均有所提高，極限應(yīng)變均有所降低.不同碳化率的試件峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變的變化值不同，當(dāng)碳化率達(dá)到42.2%時(shí)，峰值應(yīng)力提高26.9%，彈性模量增加20%，極限應(yīng)變降低23.4%，延性降低.

表3　反復(fù)荷載試驗(yàn)成果

碳化混凝土峰值應(yīng)力σcp，峰值應(yīng)變?chǔ)與p，極限應(yīng)變?chǔ)與u及彈性模量Ec隨碳化率變化趨勢見圖7，對其分析見式(5)～(8).

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：σp,εp,εu,E分別為試件峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變及彈性模量.

圖7　反復(fù)荷載力學(xué)性能變化曲線

碳化混凝土應(yīng)變延性μc的變化可取碳化后極限應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值，見式(9)，隨碳化率增大變化趨勢見圖8.

(9)

由以上分析可知：反復(fù)荷載下完全碳化后的混凝土的峰值應(yīng)力約提高61.9%，峰值應(yīng)變降低10.6%,極限應(yīng)變降低45.9%,彈性模量增加50.3%,應(yīng)變延性約降低39.5%.

碳化率/%

3.3反復(fù)加載過程中損傷分析

碳化混凝土反復(fù)加載過程中損傷從延性損傷度及累積耗能兩方面分析，單位體積混凝土的累積耗能可用混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積來表示，延性損傷度可用式(10)來表示.

(10)

式中：D為混凝土延性損傷度；E′為已碳化混凝土彈性模量；E 為未碳化混凝土彈性模量.

碳化后混凝土的D值及累積耗能見表4.由表4可知，混凝土在碳化后D值增大，混凝土脆性增加，延性損傷度加大.另一方面，混凝土碳化率較小時(shí)耗能性能變化不大,當(dāng)碳化率較大時(shí),雖然強(qiáng)度有所增強(qiáng),但耗能性能降低,破壞突然.

表4　碳化混凝土損傷分析

3.4單調(diào)與反復(fù)荷載下碳化混凝土力學(xué)性能對比分析

將不同碳化率試件單調(diào)加載與反復(fù)加載包絡(luò)線進(jìn)行對比見圖9.從圖9可知碳化混凝土在反復(fù)荷載作用下的包絡(luò)線曲線和單調(diào)荷載作用下上升段的基本一致，峰值應(yīng)力變化不大；但由于反復(fù)荷載下碳化混凝土內(nèi)部損傷的積累，其下降段比單調(diào)荷載下的更為陡峭，破壞較為突然，反復(fù)荷載碳化混凝土延性變差.

圖9　碳化混凝土反復(fù)及單調(diào)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

4　反復(fù)荷載下碳化混凝土本構(gòu)關(guān)系

4.1模型選取

目前受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程的類型有多項(xiàng)式、有理分式、三角函數(shù)、指數(shù)式及分段式等.分段式表達(dá)式能夠較好地反映混凝土碳化后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段與下降段，該表達(dá)式具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：與試驗(yàn)曲線的幾何特征相似度很高，可以較準(zhǔn)確、完整地?cái)M合無論上升段還是下降段曲線，能夠較真實(shí)地反映混凝土受力性能.混凝土受壓本構(gòu)及受拉本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]建議公式.

(11)

(12)

式中：αc為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)； dc為混凝土受壓損傷演化參數(shù).

(13)

(14)

式中：K為混凝土未碳化時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)εu/εc推算的αd與規(guī)范建議值比值；a為計(jì)算參數(shù)，見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算(見圖10)取為2.249.

碳化率/%

在反復(fù)荷載下,受壓混凝土卸載及再加載應(yīng)力路徑可按下列公式確定：

(15)

(16)

式中：εz為受壓混凝土卸載至零應(yīng)力點(diǎn)時(shí)的殘余應(yīng)變;Er為受壓混凝土卸載/再加載的變形模量.

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

基于本文模型計(jì)算試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖11.

圖11　碳化混凝土反復(fù)荷載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖11可知本文確定的本構(gòu)關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，能較好地反映碳化混凝土在反復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.其中上升段吻合較好，下降段盡管對其進(jìn)行修正，但計(jì)算值與試驗(yàn)值仍有一定差別，特別是對于高碳化率試件.這是由于高碳化率試件混凝土脆性加強(qiáng)，另一方面，混凝土在達(dá)到峰值應(yīng)力后裂縫發(fā)展并不規(guī)律，導(dǎo)致了應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段不穩(wěn)定，導(dǎo)致計(jì)算值與試驗(yàn)值有所差別.

5　結(jié)　論

本文通過碳化混凝土在單調(diào)與反復(fù)荷載下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，得出的主要結(jié)論如下：

1)采用碳化深度來表征碳化對混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的影響不能考慮實(shí)際構(gòu)件截面的尺寸效應(yīng)，應(yīng)采用混凝土碳化率作為參數(shù)更合理地描述混凝土碳化后力學(xué)性能變化規(guī)律.

2)混凝土不同碳化率的反復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線包絡(luò)線與單調(diào)加載的基本一致,但由于反復(fù)荷載下碳化混凝土內(nèi)部損傷的積累，其下降段比單調(diào)荷載下的更為陡峭，破壞較為突然，反復(fù)荷載碳化混凝土延性變差.

3)反復(fù)荷載作用下，隨著碳化率的增加，混凝土峰值應(yīng)變及極限應(yīng)變降低，但變化不大，彈性模量及峰值應(yīng)力提高.當(dāng)混凝土完全碳化時(shí)，峰值應(yīng)力提高61.9%，彈性模量增加50.3%，極限應(yīng)變降低45.9%，應(yīng)變延性約降低39.5%.

4)根據(jù)碳化混凝土試驗(yàn)結(jié)果，引入與碳化率相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系下降段修正系數(shù)，建立了碳化混凝土反復(fù)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，通過與試驗(yàn)對比分析表明本文確定的本構(gòu)關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.

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Study on Carbonated Concrete Mechanical Property and Constitutive Relation under Cyclic Load

LIANG Yan1?,LUO Xiao-yong2,SHI Yan2

(1.College of Civil Engineering,Zhengzhou Univ,Zhengzhou,Henan450001,China;2.College of Civil Engineering,Central South Univ,Changsha,Hunan410075,China)

For better understanding of the mechanical property and constitutive relation of carbonated concrete under cyclic load,cyclic load and monotonic load tests were carried out on prism specimens.Considering the effect of section sizes on carbonated concrete member,the hysteresis loop and skeleton curve of the specimens were obtained,and the effects of carbonization on specimen failure mode,concrete strength,elasticity modulus,peak strain,and ultimate strain were analyzed from carbonation rate perspective.It's revealed that,because of the accumulated internal damage under cyclic load,the stress-strain curve of carbonated concrete decreased significantly,and the ductility was less than that under monotonic load.Furthermore,the peak strain of carbonated concrete decreased a little,peak stress increased,and ultimate strain decreased with the increase of carbonization depth.Based on the test results,under the consideration of carbonation rate and the introduction of the parameters at stress-strain curve descending branch,the stress-strain constitutive relation of carbonated concrete under cyclic load was established,which agreed well with the experimental values.

concrete; carbonization rate; cyclic load; constitutive relation; mechanical property

1674-2974(2016)09-0043-08

2015-10-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608488)，National Natural Science Foundation of China(51608488) ；河南省等高學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A560025)

梁巖(1986-)，男，河南洛陽人，鄭州大學(xué)講師，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:lyfeel555@163.com

TU528

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