大掺量粉煤灰混凝土应力－应变关系

曾　榕，陈慕杰，黄美玲，包恩和(桂林理工大学a.广西岩土力学与工程重点实验室; b.土木与建筑工程学院，广西桂林　541004)



大掺量粉煤灰混凝土应力－应变关系

曾榕，陈慕杰，黄美玲，包恩和
(桂林理工大学a.广西岩土力学与工程重点实验室; b.土木与建筑工程学院，广西桂林541004)

摘要:为研究大掺量粉煤灰混凝土后期力学关系，通过3种配合比的粉煤灰混凝土90 d及365 d的单向轴向加载试验，探讨其轴向和横向应力应变的力学特性以及耗能等。同时，采用我国规范公式以及国外具有代表性的公式进行应力应变计算并与试验结果相比较。研究表明:随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土抗压强度以及抗压强度对应的应变及弹性模量均能有效增大，但横向变形能力降低;中国规范公式和日本公式与试验数据吻合程度较高，尤其龄期为365 d时基本一致。因此，中国规范普通硅酸盐混凝土公式和日本常用普通硅酸盐混凝土公式能够较好的评价粉煤灰混凝土后期应力应变关系。

关键词:粉煤灰;混凝土;抗压强度;应力－应变

在土木工程行业，为提高粉煤灰的利用率，学者和工程技术人员对粉煤灰混凝土的性能进行了大量的研究。鲁丽华等［1］通过试验指出，粉煤灰用于混凝土的主要技术优势就是能够非常显著地改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土泵送性，减少混凝土需水量，减少泌水与离析现象，降低坍落度损失。汪潇等［2－3］通过较长龄期的试验研究了煤灰掺量为50%和60%的混凝土经较长时间养护和适量激发剂作用后，其后期强度发展较快，与基准混凝土强度相当，抗碳化性能有明显提高，并可改善混凝土的收缩性能，但对收缩变化趋势影响不大，还研究了水胶比、养护期龄和激发剂等对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响。孙家国等［4］采取大掺量粉煤灰、降低水胶比、掺入减水剂等技术措施，研究了大掺量粉煤灰对混凝土28 和60 d抗压强度的影响，试验表明:该混凝土适用于对工作性要求较高和对早期强度要求不高的工程。刘丹等［5］通过不同配合比混凝土试件28 d力学性能试验表明，在低水胶比情况下加大粉煤灰掺量是可行的。宋少民等［6］通过试验得出最优辅助胶凝材料掺量组合为煤灰掺量50%～60%、膨胀剂掺量为6%，在此条件下胶凝材料具有良好的膨胀与强度的协调性。贾福萍等［7］研究了高温作用对大掺量粉煤灰混凝土早期力学性能的影响。

以上关于粉煤灰混凝土力学性能研究很多，但多数研究局限于早期抗压强度且最大煤灰掺量为水泥掺量的1. 2倍以内;同时，相关学者的研究［8－9］指出，利用28 d龄期的性能指标并不能很好地反映大掺量粉煤灰混凝土的真实性能，进行较长期龄养护条件下粉煤灰混凝土力学性能研究具有良好的科研意义。因此，本文在水灰比不变的条件下，建立3种混凝土配合比A、B、C，分别为普通硅酸盐混凝土、大掺量粉煤灰混凝土(粉煤灰掺量为水泥掺量的0. 87倍)和特大掺量粉煤灰混凝土(粉煤灰掺量为水泥掺量的1. 63倍)，对其90及365 d龄期的标准试件进行加载试验，探讨其轴向和横向应力应变的力学特性以及耗能等，研究大、特大掺量粉煤灰混凝土后期力学性能。

1　试验部分

1. 1材料、配合比及试件

本试验采用的试件为标准条件下进行养护，龄期为90和365 d的标准试件。粉煤灰混凝土材料组成见表1。

混凝土配合比共3种，粉煤灰掺量分别为水泥掺量的0、0. 87和1. 63倍(表2)。每种配合比类型各制作2组试件，每组试件3个，共18个试件。

表1　粉煤灰混凝土材料组成Table 1　Compositions of fly-ash concrete

表2　粉煤灰混凝土配合比Table 2　Mixture ratios of fly-ash concrete

1. 2加载试验

采用1 000 kN万能试验机，单向轴向加载至试件破坏。为消除试件端部制作不平整产生的影响，在弹性阶段对试件进行3次重复的加载、卸载，然后再一次性加载至试件破坏。在圆柱形试件纵向、横向对称位置各布置2个应变片，应变片长度为70 mm。本试验每组试件试验数据都进行了均值法处理，得到均化后的一条应力－应变曲线。

2　结果分析

2. 1应力－应变关系

图1、图2分别为90 d和365 d龄期试件在轴向应力作用下的轴向应变曲线和横向应变曲线。图1表明:混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而提高，但提高的幅度逐渐减小;随着龄期的增加，粉煤灰混凝土(配合比B和C)与普通混凝土(配合比A)相比，其后期抗压强度提高的幅度更大;随着粉煤灰掺量的增加，混凝土轴向变形能力略有提高。图2表明:随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土的轴向应力显著增大;当龄期为90 d时，粉煤灰明显提高了混凝土的横向变形能力，但随着龄期的继续增加，粉煤灰混凝土横向变形能力明显降低，且粉煤灰掺量越大，其横向变形能力降低越多。

图1　轴向应力－应变曲线Fig. 61Curves of axial stress-strain

图2　轴向应力－横向应变曲线Fig. 62Curves of axial stress and hoop strain

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2. 2应力应变关系模型

2. 2. 1模型概要为推广粉煤灰混凝土的广泛应用，有必要建立粉煤灰混凝土的应力应变关系公式。文献［11］给出了一种普通硅酸盐水泥混凝土的应力应变关系公式。由于该公式适用范围较广，能够应用于抗压强度不超过130 MPa的混凝土，以下将根据本次试验结果对该式进行讨论。

式中:σ为混凝土应力; fc，r为混凝土抗压强度试验值; X是轴向变形与抗压强度对应应变εc，r的比值。式( 1)表明，要定义大掺量粉煤灰混凝土应力应变关系，需要明确3个参数X、a和b。根据文献［11］，试件的εc，r以及控制应力－应变曲线的系数a和b可用下式表示:

其中:εc，r为抗压强度fc，r对应的混凝土峰值压应变; Ec为混凝土弹性模量，可用式( 6)来确定; Esec为峰值点对应的割线模量。

由式( 2)～( 6)知，只要确定混凝土抗压强度试验值，就能求得3个参数以及混凝土的弹性模量。《混凝土结构设计规范》( GB 50010—2010)中计算公式如下:根据以上公式确定各试件主要参数，见表3。

2. 2. 2公式计算结果与试验结果的比较将试验中测得的数据代入式( 2)和式( 6)，可确定抗压强度与其对应应变和弹性模量的关系，计算结果与试验结果分别见图3、图4。就本次试验结果而言，式( 2)和式( 6)与实测数据符合情况较好。

由图3可得:随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土的抗压强度与其对应应变εo随之增大，特别是后期抗压强度提高明显，但对应压应变提高幅度不大。各公式计算结果基本一致，压应变的计算值略大于试验值。从图4可知，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土的抗压强度与弹性模量随之增大，特别是后期抗压强度和弹性模量提高明显，各公式计算结果基本一致，弹性模量的试验值均略大于计算值。

不同配合比各种计算方法的应力应变关系理论值和试验值如图5所示。

对比可以看出，各公式的契合程度都较好，计算值都略大于试验值。从整体来看，中国规范公式和日本公式契合程度最好，素混凝土时误差小于1%，龄期90、365 d时随着粉煤灰掺量的增多，误差有所增大。因此，中国规范普通硅酸盐混凝土公

表3　试件主要参数Table 3　Main parameters of fly-ash concrete blocks

式和日本常用普通硅酸盐混凝土公式能够较好的评价大、特大掺量粉煤灰混凝土后期应力－应变关系。

为了从能量的角度评价试验结果与计算公式，将式( 1)、式( 2)计算的变形能量和试件破坏过程中吸收的变形能量用图6表示。

可知，各公式的契合程度都较好，随着粉煤灰掺量越多，都出现一定的误差，但从整体来看，中国规范公式和日本公式契合程度最好。

图3　抗压强度与对应应变关系Fig. 63Curves of axial compressive strength and corresponding strain

图4　抗压强度与弹性模量的关系Fig. 64Curves of axial compressive strength and elastic modulus

图5　应力应变理论值与实测值关系Fig. 65Stress-strain curves of measured and theoretical value

3　结论

通过粉煤灰混凝土试块的单向轴向加载试验以及在普通硅酸盐水泥混凝土应力应变关系的研究基础上得到以下结论:

( 1)单位体积混凝土中粉煤灰用量在462 kg的范围内，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土的抗压强度、抗压屈服应变εc，r以及弹性模量增大。

( 2)随着龄期的增加，粉煤灰混凝土横向变形能力降低，且粉煤灰掺量越大，横向变形能力下降越快。

( 3)中国规范公式和日本公式较好的评价了本次试验的粉煤灰混凝土应力应变关系。

图6　应变能量的理论值与实测值Fig. 66Strain energy curves of measured and theoretical value

参考文献:

［1］鲁丽华，潘桂生，陈四利，等．不同掺量粉煤灰混凝土的强度试验［J］．沈阳工业大学学报，2009，31( 1) :107－111．

［2］汪潇，王宇斌，杨留栓，等．高性能大掺量粉煤灰混凝土研究［J］．硅酸盐通报，2013，32 ( 3) : 523－527．

［3］汪潇，王宇斌，杨留栓，等．大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究［J］．混凝土，2013 ( 2) : 5－7．

［4］孙家国，谷艳玲．大掺量粉煤灰混凝土抗压强度影响分析［J］．混凝土，2013 ( 11) : 97－100．

［5］刘丹，杜应吉．大掺量粉煤灰混凝土力学性能试验研究［J］．人民黄河，2011，33 ( 10) : 88－90．

［6］宋少民，贾博雅．膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土强度与碳化的影响［J］．建筑技术，2012，43 ( 8) : 755－757．

［7］贾福萍，崔艳莉，孙宜兵，等．高温作用对大掺量粉煤灰混凝土力学性能影响［J］．西安建筑科技大学学报:自然科学版，2011，43 ( 4) : 581－587．

［8］蒋林华，刘振清，叶义群．大掺量Ⅲ级粉煤灰混凝土耐久性研究［J］．建筑材料学报，2004，7 ( 3) : 328－331．

［9］杨钱荣．掺粉煤灰和引气剂混凝土渗透性与强度的关系［J］．建筑材料学报，2004，7 ( 4) : 457－461．

［10］Sakino K，Sun Y．Stress-strain curve of concrete confined by rectilinear hoop［J］．Journal of Structural Construction Engineering，1994 ( 7) : 95－104．

［11］Saenz L P．Discussion of equation for the stress-strain curve of concrete by Desayi and Krishnan［J］．ACI Journal，1964，61 ( 9) : 1229－1235．

Stress-strain characteristics of high-volume fly-ash concrete

ZENG Rong，CHEN Mu-jie，HUANG Mei-ling，BAO En-he
( a. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering; b. College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:Through the axial compression tests of the fly-ash concrete-blocks with three different mixture ratios during 90 and 365 days concrete age，the axial and transverse mechanical characteristics of stress-strain were determined and the mechanical property and energy costing of the test blocks were discussed．The stress and the strain of the test-blocks were calculated according to the national standard formulas and foreign representative formulas and were compared with the test results．The results show that the compressive strength，peak strain and elastic modulus of the test blocks increase with the quantity of fly-ash age increasing，while the hoop strain decreases．The research also indicates that the stress and the strain calculated by national standard formulas and Japanese formulas provide better evaluation both in the experiment result，and post-tress-strain relation of fly-ash concrete．

Key words:fly-ash; concrete; compression strength; stress-strain

通讯作者:陈慕杰，高级工程师，cmj1@ glut. edu. cn。

作者简介:曾榕( 1977—)，男，硕士，实验师，研究方向:结构工程，190556075@ qq. com。

基金项目:广西矿冶与环境科学实验中心项目( KH2012YB027)

收稿日期:2014－03－28

doi:10. 3969/j．issn. 1674－9057. 2015. 01. 012

文章编号:1674－9057( 2015) 01－0086－05

文献标志码:A

中图分类号:TU528. 01

引文格式:曾榕，陈慕杰，黄美玲，等．大掺量粉煤灰混凝土应力－应变关系［J］．桂林理工大学学报，2015，35 ( 1) : 86－90．