摘要
为研究超高性能海水海砂混凝土(Ultra-High Performance Seawater Sea-sand Concrete,UHPSSC)轴压应力-应变关系,探究钢纤维体积掺量对UHPSSC轴压力学性能和轴压应力-应变全曲线的影响,使用Instron 1346万能材料试验机测得UHPSSC应力-应变全曲线,借助Pycharm曲线拟合程序与已有混凝土应力-应变全曲线模型进行拟合与修正.结果表明:钢纤维掺量越高,轴压作用下UHPSSC的破坏程度越小,抗压强度和峰值应变也随之增加;已有模型拟合的UHPSSC应力-应变全曲线上升段与试验曲线比较相近,下降段后期差距较大;通过修正下降段形状参数,得到了更适用于描述UHPSSC应力-应变全曲线的修正模型,并验证该修正模型的适用范围.
随着城市化进程的推进,河砂和淡水资源日益短缺.海水、海砂总量丰富,易于获取,可替代淡水和河砂作为混凝土原材料.已有研究表
针对上述问题,可以采用耐腐蚀FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋代替钢筋,制备FRP筋增强海水海砂混凝土结
近年来,国内外学者对超高性能海水砂混凝土开展试验研究并取得了一些进展.朱德举
应力-应变关系能够描述混凝土在不同受力情况下的变形性能、承载能力和荷载下的破坏行为.在混凝土结构设计分析中,应力-应变关系广泛应用于材料力学分析、结构强度分析、地震动力学分析等领域,以评估结构的工作性能和安全性能.
在海水海砂混凝土应力-应变关系研究方面,目前仅对普通强度等级的海水海砂混凝土开展了研究:卢
综上,研究UHPSSC的轴压应力-应变关系,对促进其在结构设计和工程上的应用具有重要意义.本文重点研究UHPSSC在轴压荷载下的应力-应变全曲线,探究钢纤维掺量对UHPSSC力学性能的影响规律,并对应力-应变全曲线进行拟合与修正,得到更适用于UHPSSC的应力-应变全曲线方程,为UHPSSC的非线性分析和工程应用提供参考.
1 试验概况
1.1 试件设计
本次试验的变量为钢纤维体积掺量,分别掺入体积分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维,钢纤维的体积掺量是指钢纤维在混凝土中的体积比例.考虑到试验机量程和测试安全性,UHPSSC应力-应变全曲线测试试块尺寸参照文献[
1.2 原材料
海砂为山东产海砂,粒径在0.6~2.36 mm之间,氯离子含量0.012%,对原状海砂试样进行筛分试验,得到海砂级配曲线,见

图1 海砂的级配曲线
Fig.1 Gradation curve of sea-sand
水泥 | 海水 | 海砂 | 硅灰 | 粉煤灰 | 减水剂 | 消泡剂 |
---|---|---|---|---|---|---|
736.5 | 168 | 946.6 | 210 | 105 | 21 | 8.4 |
成分 | NaCl | MgCl2 | Na2S4 | CaCl2 | KCl | NaHCO3 |
---|---|---|---|---|---|---|
浓度/(g· | 24.53 | 5.20 | 4.09 | 1.16 | 0.695 | 0.201 |
1.3 试件浇筑与养护
试块在湖南大学绿色建材实验室进行制备与养护,同一种配合比试块一次性搅拌浇筑成型.首先将减水剂溶于海水中,然后将称量好的胶凝材料和海砂倒入搅拌锅中,慢速搅拌3 min,加入海水和消泡剂,慢速搅拌4 min,沿边缘加入钢纤维慢速搅拌 3 min,最后高速搅拌5 min,将拌合物倒入模具中振动密实,在养护室静置1 d后脱模,在80 ℃蒸养箱里养护3 d,然后自然放置至7 d.
各掺量UHPSSC在该搅拌流程下流动性良好,均可以正常浇筑装模成型.
1.4 加载方式与数据采集
UHPSSC轴压应力-应变全曲线测试加载仪器为Instron 1346万能材料试验机,如

图2 UHPSSC应力-应变加载测试图
Fig.2 UHPSSC stress-strain loading test
在超高性能海水海砂混凝土圆柱试件侧面贴纵向与横向应变片,通过DH 3817动静态应变测试系统对加载过程中的纵向与横向应变进行数据采集,通过位移计和压力传感器测量试件的荷载-位移曲线.
2 试验结果
2.1 单轴受压破坏模式
如

(a) 钢纤维体积掺量0.5%
(b) 钢纤维体积掺量1.0%

(c) 钢纤维体积掺量1.5%
(d) 钢纤维体积掺量2.0%
图3 UHPSSC轴压测试破坏图
Fig.3 Failure pattern of UHPSSC under axial compression test
钢纤维体积掺量1.5%和2.0%的UHPSSC,其受压面相对完整,脱落的混凝土碎块较少.轴压过程中,钢纤维与UHPSSC基体之间的黏结力可以起到阻裂作用,延缓裂缝扩展速度,因此加钢纤维的UHPSSC试块未发生炸裂.
2.2 应力-应变全曲线
对测得的试验曲线分析处理,得到含钢纤维UHPSSC的均值应力-应变全曲线,见

图4 不同钢纤维体积掺量UHPSSC应力-应变全曲线
Fig. 4 Complete stress-strain curve of UHPSSC with different steel fiber volume fractions
由测试结果可知,钢纤维体积掺量对上升段曲线形式几乎无影响,但是会提高UHPSSC的抗压强度和峰值应变.下降段曲线均比较陡峭,钢纤维体积掺量越高,下降段后期残余应力值相对越大;2.0%掺量UHPSSC残余应力最大,0.5%掺量UHPSSC残余应力最小,1.0%和1.5%掺量的UHPSSC残余应力相近且位于前两者之间.
2.3 应力-应变全曲线特征指标
应力-应变全曲线特征指标包括峰值应变、抗压强度、弹性模量和韧性指标.压力机测得的UHPSSC抗压强度见

图5 UHPSSC轴心抗压强度
Fig.5 Axial compressive strength of UHPSSC
钢纤维体积掺量/% | 峰值应变 | 抗压强度/MPa | 弹性模量/GPa | 韧性指标/MPa |
---|---|---|---|---|
0.0 | 0.008 0 | 105.34 | 43.41 | 0.405 |
0.5 | 0.009 1 | 113.08 | 44.06 | 0.957 |
1.0 | 0.010 0 | 122.95 | 44.72 | 1.190 |
1.5 | 0.011 0 | 133.75 | 45.37 | 1.280 |
2.0 | 0.011 4 | 139.67 | 46.08 | 1.380 |
钢纤维对混凝土增强增韧机理的主流理论包括复合理论、纤维间距理论和界面效应理
应力-应变全曲线测试的抗压强度要低于直接抗压强度,这是因为应力-应变测试加载速度慢,应变率小,加载速度越快,应变率越大,测得抗压强度值会稍大.
为了定量表示钢纤维掺量对UHPSSC峰值应力和峰值应变的影响,在这里引入纤维特征值,其中表示纤维体积掺量,表示纤维的长径比,长径比为59.1.参考已有研
(1) |
(2) |
式中:f为回归分析得到的峰值应力初始值;为钢纤维特征值.
回归计算结果(见
(3) |
(4) |

(a)

(b)
图6 线性回归关系
Fig.6 Linear regression relationship
混凝土弹性模量的测试方法比较复杂,而弹性模量与抗压强度密切相关,建立弹性模量与抗压强度之间的关系式是非常有意义的.根据抗压强度适用范围选择三个预测模型,基于实验数据对UHPSSC弹性模量进行预测.根据
参考文献 | 公式 | 适用范围 fcu/MPa | 误差值/% |
---|---|---|---|
郭晓宇 | 60~220 | -5.5 | |
Alsalman | 31~235 | 3.5 | |
Graybea | 126~193 | -1.6 |
3 应力-应变全曲线
3.1 应力-应变全曲线拟合与修正
将超高性能海水海砂混凝土应力-应变全曲线归一化处理,利用Pycharm曲线拟合程序将实验曲线与已有模型进行拟合,得出不同本构模型对应的拟合参数.通过实验与拟合曲线的对比图和相关系数,比较不同模型的拟合效果.
UHPC受压应力-应变全曲线的常用经验公式可分为真有理分式、假有理分式以及多项式;本文选用具有代表性的三种曲线模
Carreira和Chu真有理分式模
(5) |
周传波模
(6) |
鞠彦忠模
(7) |
式中:表示峰值应变;表示应变;表示峰值应力;表示应力;表示钢纤维体积掺量.
原始实验曲线记为Exp,真有理分式拟合曲线记为Model-1,周传波模型拟合曲线记为Model-2,鞠彦忠模型拟合曲线记为Model-3;不同模型方程拟合参数如
钢纤维体积掺量/% | Model-1 (n) | Model-2 (a,b) | Model-2-C (a,b) | Model-3 (a,b) |
---|---|---|---|---|
0.5 | 12.04 | 0.76, 17.60 | 0.76, 9.40 | 0.223 0, 0.056 8 |
1.0 | 9.70 | 0.84, 12.75 | 0.84, 7.47 | 0.380 4, 0.078 4 |
1.5 | 20.02 | 0.95, 31.39 | 0.95, 12.13 | 0.570 6, 0.031 9 |
2.0 | 13.16 | 0.91, 24.16 | 0.91, 11.32 | 0.486 4, 0.041 4 |

(a) 钢纤维体积掺量0.5%

(b) 钢纤维体积掺量1.0%

(c) 钢纤维体积掺量1.5%

(d) 钢纤维体积掺量2.0%
图7 不同模型拟合曲线与试验曲线对比
Fig.7 Comparison between fitting curves and experimental curves of different models
通过对比拟合曲线与试验曲线,各模型拟合曲线在上升段均与试验曲线十分吻合,在下降段各模型存在较大差异,可以明显看出Model-1拟合曲线在下降段后期与实验数据差距最大,Model-2和Model-3拟合曲线在下降段拟合效果要优于真有理式公式,但仍与实验数据有较大差距.现有混凝土应力-应变全曲线模型基于普通混凝土应力-应变全曲线模型,普通混凝土在下降阶段后期仅存在集料与砂浆之间的粘结残余应力,应力值较小;而在钢纤维增强UHPC中,UHPC基体强度高,钢纤维弹性模量大,且钢纤维与基体间还存在一定粘结力,导致钢纤维UHPC轴压作用下加载后期的残余应力较大.故对应力-应变全曲线下降段方程式进行幂次修正,Model-2和Model-3模型的拟合曲线比较接近,以Model-2曲线方程为例进行修正,Model-2修正拟合曲线记为Model-2-C.
普通混凝土轴压应力-应变全曲线下降段函数的分母最高幂次一般取2,钢纤维增强超高性能混凝土基体强度高,下降段后期更加饱满平缓,故该值需要修正.通过分析计算幂次修正后的拟合曲线相关系数,发现分母最高幂次在1.1到2.2的范围内,相关系数呈现

图8 幂次修正对相关系数的影响
Fig.8 Effect of power correction on correlation coefficient

(a) 钢纤维体积掺量0.5%

(b) 钢纤维体积掺量1.0%

(c) 钢纤维体积掺量1.5%

(d) 钢纤维体积掺量2.0%
图9 修正预测曲线与试验曲线对比
Fig. 9 Comparison between modified prediction
curve and test curve
对比拟合曲线与修正曲线,修正曲线对归一化曲线后半段的拟合效果更好.因此将修正曲线作为该配比UHPSSC的应力-应变全曲线方程,即
(8) |
(9) |
(10) |
3.2 应力-应变全曲线修正模型验证
通过

(a) 1.0%-UHPC

(b) 2.0%-UHPC
图10 模型验证
Fig. 10 Model verification
3.3 应力-应变全曲线对比
本节比较超高性能混凝土和超高性能海水海砂混凝土的应力-应变全曲线.在3.1节中的修正选用的是周传波模型,但是其钢纤维体积掺量为0%、1%、2%、3%,与本文试验有所区别;相较周传波模型,鞠彦忠模型的试验配合比与本文相似,并且拟合得到了钢纤维掺量与上升段参数和下降段参数的关系式,可以与本研究选取的变量对应比较,且周传波模型与鞠彦忠模型的拟合曲线比较接近.因此选用鞠彦忠模型的超高性能混凝土轴压应力-应变全曲线,与本章节测得的超高性能海水海砂混凝土受压应力-应变全曲线进行比较,具体见

(a) 钢纤维体积掺量0.5%

(b) 钢纤维体积掺量1.0%

(c) 钢纤维体积掺量1.5%

(d) 钢纤维体积掺量2.0%
图11 应力-应变全曲线对比
Fig.11 Comparison of complete stress-strain curve
通过归一化应力-应变全曲线对比图可以看出,海水和海砂的掺入,不影响UHPSSC的应力-应变全曲线发展规律,但是导致其上升段和下降段曲线均比普通UHPC更加陡峭.
4 结 论
1) 相比于无钢纤维UHPSSC,钢纤维掺量越高(不超过2.0%),轴压破坏后的试件更完整,UHPSSC的抗压强度和峰值应变、韧性指标均增大.通过线性回归得到纤维特征值与应力-应变全曲线中峰值应变和抗压强度的关系式;现有模型中 Graybeal弹性模量预测公式能够更准确地预测UHPSSC的弹性模量.
2) 现有几种应力-应变全曲线模型对UHPSSC应力应变曲线上升段拟合效果较好,但对下降段尤其是后期两者差距较大;周传波模型和鞠彦忠模型的拟合效果要优于真有理分式模型,但是下降段后期差距仍较大.
3) 通过修正下降段形状参数,得到了能更好地拟合UHPSSC的应力-应变全曲线方程―Model-2-C,修正后的应力-应变全曲线方程可为UHPSSC的工程应用提供参考.通过模型验证,该修正模型对水胶比在0.14~0.16的UHPC具有较好的拟合效果.
4) 海水和海砂的掺入,不影响UHPSSC应力-应变全曲线的发展规律,但是其上升段和下降段曲线均比普通UHPC更加陡峭.
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