水工混凝土开裂试验系统、动强度率效应及三轴剪切特性研究

发布时间：2018-01-22 17:08

本文关键词： 混凝土开裂热弹性力学开裂温差动强度提高机理塑性混凝土　出处：《西安理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水利工程中使用的混凝土较其他行业具有一定的特殊性,大坝混凝土和塑性混凝土是其典型代表。大坝混凝土作为主要结构材料,其收缩引起的开裂以及受到地震作用下的动态弯拉破坏是其面临的关键问题。混凝土的抗裂性能评价一直是混凝土研究的热点和难点,一直未能得到很好解决。针对混凝土材料的抗裂性评价难题,作者发明了一种新型混凝土开裂试验装置,该装置通过引入温度应力作用,采用低线膨胀系数的钢环作为约束环,提高了试验设备的试验敏感性,可以定量评价混凝土的抗裂性。针对混凝土材料在地震作用下的动强度提高问题,本文通过理论分析提出了混凝土动强度的提高是混凝土不均匀性和惯性联合作用结果的观点,并采用特殊设计三点弯试验证明了本观点的正确性。最后针对水工混凝土中较特殊的塑性混凝土抗剪切特性,研究了三轴应力条件下膨润土与水泥掺比和围压等因素对塑性混凝土强度和变形特性的影响规律。主要成果如下:(1)根据热弹性力学理论,推导出了钢环和混凝土环组合系统在温降和干燥条件下的应力、应变和位移的解析表达式,为试验装置的改进提供了理论基础,并采用ABAQUS有限元软件验证了解析计算结果的正确性。分析结果表明,钢环线膨胀系数、钢环厚度、温降大小以及混凝土早期弹性模量均对钢环和混凝土环应力、应变和位移影响显著,其中温降大小和钢环线膨胀系数对混凝土环环向拉应力影响最为显著,分析结果为物理试验装置改进确定了方向。(2)根据理论分析结果,优选了钢环厚度分别为6mm、8mm、110mm时的情况进行混凝土开裂对比试验。试验结果表明,钢环厚度对钢环应变测值有显著影响,在相同温降条件下钢环厚度为6mm时对应的应变测值更大,更容易准确测量,最后综合分析确定了钢环厚度为6mm更优。不同养护温度和温降速率的混凝土开裂对比试验结果表明,养护温度为30℃,温降速率为1℃/h时,混凝土圆环在试验中未发生开裂,即混凝土环的环向拉应力未达到混凝土的极限拉应力。养护温度为60℃和80℃,温降速率为15℃/h时,混凝土环均产生了开裂破坏。养护温度为60℃和80℃的试验结果表明,养护为80℃,温降速率为15℃/h时试验结果的稳定性更优,据此确定了新型混凝土开裂试验装置的尺寸和试验方法。(3)采用新型混凝土开裂试验方法,研究了原材料因素(矿物掺合料、外加剂类型、坍落度、骨料类型、纤维)和龄期对混凝土抗裂性的影响。试验结果表明,在立方体抗压强度相同条件下,粉煤灰和硅灰的加入使得混凝土的抗裂性降低了 21%～47.6%。减水剂类型对混凝土抗裂性的影响最为显著,掺加萘系减水剂的混凝土较聚羧酸减水剂的混凝土抗裂性显著降低,降幅达61.2%抗裂剂对混凝土早期抗裂性影响不大。不同坍落度混凝土的开裂对比试验结果表明,大流态混凝土(19cm)较常态混凝土(6cm)混凝土的抗裂性降低了 12%左右,影响较小。通过不同骨料(人工花岗岩骨料、人工灰岩骨料,天然石英石骨料、天然砾石骨料)混凝土的开裂对比试验表明,以人工花岗岩骨料为基准,灰岩骨料较花岗岩骨料抗裂性提高了 12.5%,石英石骨料、砾石骨料较花岗岩骨料抗裂性降低了 32%和33.8%,即人工骨料配制的混凝土抗裂性明显优于砾石和石英石骨料,灰岩骨料较花岗岩骨料配制的混凝土抗裂性更优。聚丙烯纤维和钢纤维混凝土的开裂对比试验表明,聚丙烯纤维对混凝土的抗裂性有不利作用;钢纤维则显著提高了混凝土的抗裂性。钢纤维混凝土在温降过程中未发生应变突变,其约束钢环的峰值应变为361με,对应的混凝土平均拉应力为5.13MPa,即设备所能提供的最大拉应力,满足绝大多数混凝土的抗裂性评价要求。同一配合比不同养护强度时混凝土的开裂对比试验结果表明,同一配比混凝土后期抗裂性较前期有显著降低,降幅在16.0%～18.1%之间;随着养护龄期的增加,抗拉强度逐渐增加,其抗裂性又有增高趋势,但增幅较小。新型混凝土开裂试验法采用开裂温差作为抗裂性评价指标,能综合反映混凝土材料在温降条件下的开裂特性,并可以定量对混凝土材料的抗裂性进行评价。(4)针对混凝土在动态弯拉条件下的动强度提高问题,提出混凝土材料的静、动强度差异主要是由于材料的不均匀性造成的,混凝土材料的静、动强度与其破坏后裂纹的发展路径有关。静态破坏时裂纹沿着材料的薄弱面向前发展,即静态裂纹开裂遵循最小耗能原理;而动态破坏时,材料内部的应变能需要在瞬间得到释放,裂纹沿着能量释放最短路径向前发展,这时的裂纹穿过了材料的部分高强度区(如混凝土中的骨料),使得材料的动强度高于静强度,即动态裂纹开裂遵循能量释放率相关原理。通过特殊设计三点弯试验,成型菱形试件模拟弯曲时的骨料,采用微机伺服万能试验机和自由落体冲击试验对试验梁进行加载,在慢速加载(0.1mm/min)和快速加载(140mm/min)以及不同高度落锤(1m、3m、6m、9m)自由冲击,分析试件的破坏强度、破坏形态,以及裂纹的发展走向规律,证明了本观点的正确性,并给出了混凝土动态弯拉条件下的动强度表达式。(5)针对塑性混凝土在三轴应力作用下的抗剪切特性,通过改变塑性混凝土配合比中膨润土与水泥掺比,配制出28天立方体抗压强度为2MPa、4MPa、6MPa、8MPa左右的塑性混凝土进行常规三轴压缩试验,研究了膨润土与水泥掺比以及围压等对塑性混凝土强度和变形特性的影响。试验结果表明,随着膨润土掺量的增加,塑性混凝土的单轴抗压强度σc和粘聚力c具有相同的变化规律,即加入膨润土后混凝土单轴抗压强度及粘聚力均有显著降低。而塑性混凝土内摩擦角φ和拉压强度比α变化不大,即膨润土掺量对塑性混凝土强度的静水应力敏感性及拉压强度的差异性影响不大。最后建立了膨润土与水泥掺比与轴向应变值为0.5%时对应的割线模量E_(0.5)、峰值应变ε_(1f)、体积应变ε_v、以及模强比的完整函数关系。
[Abstract]:Based on the theory of thermal elastic mechanics , the paper presents a new kind of concrete cracking test device . The results show that the stress , strain and displacement of steel ring and concrete ring under the condition of temperature decreasing and drying are the most significant . The results show that the steel ring thickness is 6 mm , 8 mm and 110 mm respectively . The experimental results show that the crack resistance of concrete is reduced by 12 % to 47.6 % . ( 4 ) For the improvement of dynamic strength of concrete under dynamic bending conditions , it is pointed out that the static and dynamic strength of concrete is related to the development path of crack after failure .

【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV431

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