飽和大骨料混凝土雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究.pdf

1、由于有很多常年在水環(huán)境中存在的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土長時(shí)間浸泡在水中，水壓力作用下混凝土材料微觀裂縫會(huì)存在飽和水，致使混凝土的力學(xué)性能發(fā)生變化，會(huì)影響到混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力以及使用年限。作為大體積混凝土結(jié)構(gòu)的常用材料，研究大骨料混凝土在動(dòng)態(tài)荷載下的多軸力學(xué)性能，是開展大體積混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究和分析的基礎(chǔ)，對在地震作用下大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和耐久性具有重要的意義。本文依托項(xiàng)目編號為51079019的國家自然科學(xué)資金項(xiàng)目，使用三軸靜、動(dòng)試

2、驗(yàn)設(shè)備，分別對兩種不同狀態(tài)（干燥和飽和）的大骨料混凝土在單軸和雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
　　(1)開展了關(guān)于干燥和飽和大骨料混凝土的單軸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。分析了應(yīng)變率對兩種大骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和峰值應(yīng)變的影響。干燥和飽和大骨料混凝土在同一應(yīng)變率下的破壞形態(tài)類似，大部分表現(xiàn)為骨料和砂漿的界面破壞，試件的破壞主要由骨料和砂漿的界面脫粘引起。兩種大骨料混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都隨著應(yīng)變率的提高而增加

3、，并且伴隨著更多的宏觀裂縫的出現(xiàn)，并有更多骨料破壞。與干燥混凝土試驗(yàn)結(jié)果相比，飽和混凝土在動(dòng)態(tài)荷載條件下的抗壓和抗拉強(qiáng)度提高更多。荷載的慣性作用和混凝土微裂縫中自由水的粘性作用是飽和大骨料混凝土強(qiáng)度提高的主要原因。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立應(yīng)變率與兩種混凝土的強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的關(guān)系。
　　(2)開展了關(guān)于干燥和飽和大骨料混凝土的動(dòng)態(tài)雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下試驗(yàn)。兩種混凝土的破壞形態(tài)、強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變曲線受到應(yīng)變率和應(yīng)力比的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明

4、:在靜態(tài)加載條件下，平行于加載方向有一些分布均勻的裂縫，而隨著應(yīng)變率的增加，裂縫的數(shù)量明顯增多，隨著應(yīng)變率的增大，更多的骨料沿著試件斷裂面發(fā)生破壞。試件的宏觀破壞形態(tài)主要由應(yīng)力比決定，而應(yīng)變率對其的影響幾乎沒有。兩種大骨料混凝土在應(yīng)力比為0.5時(shí)雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度高于任何應(yīng)力比的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，飽和混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的強(qiáng)度比干燥混凝土的強(qiáng)度小，而在動(dòng)態(tài)荷載條件下，飽和混凝土的強(qiáng)度高于干燥混凝土的強(qiáng)度。在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，混凝土微裂縫中的飽

5、和水加快了微裂縫的滑移開裂，由于飽和水的楔入作用使得混凝土內(nèi)部細(xì)觀缺陷的微裂縫迅速發(fā)展，增大了損傷，是飽和混凝土強(qiáng)度降低的主要原因。而在動(dòng)態(tài)加載條件下，高速率荷載產(chǎn)生高強(qiáng)度應(yīng)力狀態(tài)，混凝土的初始裂縫的滑動(dòng)速度和飽和水的粘性力與荷載應(yīng)變率成正比，由于飽和水的粘性力和慣性作用導(dǎo)致飽和混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度比干燥混凝土強(qiáng)度提高。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了兩種混凝土材料在雙軸壓荷載下的動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則。
　　(3)對干燥和飽和大骨料三級配混凝土開展了動(dòng)態(tài)

6、雙軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下試驗(yàn)。對兩種混凝土的破壞形態(tài)、強(qiáng)度以及峰值應(yīng)變受到應(yīng)變率和應(yīng)力比的影響進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:含水率對試件的破壞模式影響不大，無論是干燥還是飽和試件，均為單條裂縫的破壞，兩種混凝土在動(dòng)態(tài)雙軸拉壓荷載作用下的破壞形態(tài)同單軸拉伸試驗(yàn)，均屬拉斷型破壞，說明破壞裂縫主要是由極限拉應(yīng)變引起，混凝土試件的破壞形態(tài)沒有受到側(cè)向壓力的影響。隨著應(yīng)變率的提高，兩種混凝土的動(dòng)態(tài)拉強(qiáng)度都增加，且隨著側(cè)壓力的增加而減少，兩種混凝土應(yīng)變率對混

7、凝土的峰值應(yīng)變影響不大，而應(yīng)力比對峰值應(yīng)變影響較大。飽和大骨料混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的雙軸拉壓強(qiáng)度比干燥大骨料混凝土的強(qiáng)度小，而在動(dòng)態(tài)荷載條件下，飽和大骨料混凝土的強(qiáng)度高于干燥大骨料混凝土的強(qiáng)度。其原因同準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉條件，在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，飽和混凝土拉伸強(qiáng)度的降低是由于微裂縫中飽和水的存在使得混凝土尖端的粘聚力降低。在動(dòng)態(tài)加載條件下，裂紋中飽和水產(chǎn)生的有益拉應(yīng)力以及高速加載條件下的Stefan效應(yīng)使得混凝土界面相的宏觀強(qiáng)度相應(yīng)提高，因此在動(dòng)

8、態(tài)加載條件下，飽和大骨料混凝土的強(qiáng)度提高的較多。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了二干燥和飽和大骨料混凝土在主應(yīng)力空間和八面體應(yīng)力空間的雙軸拉壓動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則。
　　(4)本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用內(nèi)時(shí)理論和損傷力學(xué)，參考了對大骨料混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生影響的飽和水和骨料級配及應(yīng)變率等因素，建立了本構(gòu)模型，編制了計(jì)算程序，并計(jì)算了飽和大骨料混凝土雙軸動(dòng)態(tài)加載試件的試驗(yàn)過程，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢基本一致，表明在考慮飽和水因素的條件下，模型能夠較好地反映混