文摘

了解多孔混凝土的力学性能和能量响应循环加载和卸载下海绵城市道路建设的基础。在这项研究中,混凝土的孔隙度15%作为研究对象,和循环加载和卸载测试多孔混凝土的应力幅值下进行25 MPa, 30 MPa, 35 MPa在弹性阶段。压力振幅和周期数的影响混凝土的力学特性和损伤演化规律。实验结果显示如下。(1)随循环数的增加,混凝土的装卸弹性模量在不同应力幅值先增加然后减少;应力幅值越大,越快的增长和减速装卸弹性模量。(2)与循环数的增加,峰值应变和残余塑性变形增加。(3)应力幅值越大,混凝土的破坏就越高;越来越多的循环加载和卸载,混凝土的损伤逐渐增强。当损伤变量值是1,周期数和初始应力幅值之间的关系满足负指数函数。

1。介绍

海绵在中国城市建设是一个重要的机遇和挑战的新城市化建设,也是一个重要的方法来解决水资源短缺,水环境恶化,洪水灾害在当前新城市化建设(1]。由于透水混凝土的渗透性好,透水混凝土已广泛应用于城市建设的海绵(2]。透水混凝土的应用不仅满足环境保护的需要,还有效地利用城市水资源,缓解城市热岛效应1,3]。

目前,加载方式对混凝土的力学性能的影响已被广泛研究[4]。库克和Chindaprasirt [5)调查了加载历史对混凝土的抗压性能的影响。结果表明,混凝土的抗压性能在早期阶段缓慢上升;在达到一定的强度(理论值的10%左右),混凝土的抗压性能迅速减少伤害的发生。随后,库克和Chindaprasirt [6),探讨了加载历史对混凝土的拉伸性能的影响。Akutagawa et al。7]发现加载历史对混凝土的抗压性能不仅影响其抗压性能,还会影响混凝土的弹性模量和泊松比。通过MTS 815程控伺服测试系统,邢et al。8)进行了单轴压缩试验对混凝土圆柱试样在循环加载和初始载荷的影响,研究循环频率,循环应力幅值的增加混凝土的力学行为的标本。结果表明,在相同初始加载和循环应力幅值的增加,循环频率对混凝土的强度影响不大。在相同的初始载荷和循环频率,试样的强度随的增加循环应力幅值的增加。在相同的循环频率和循环应力幅值的增加,会降低混凝土的强度随着初始载荷的增加(9]。通过使用一个大型多功能动态和静态三轴仪,胡锦涛et al。(10王),et al。11梁,et al。12)治疗损伤特征为研究目标,分析了混凝土的本构模型在循环荷载下,然后获得法律的损害。根据歌曲的研究结果等。13),具体会有更多比单调加载疲劳应变循环荷载下。他们还发现,内部微裂纹造成的损伤累积的结果,混凝土材料的不可逆变形和各种力学参数的变化(14]。歌等。13,15]分析了混凝土在循环荷载下的破坏能量消散的滞回特性。他们还研究了混凝土在单调荷载下的破坏模式和循环荷载,然后发现裂纹的大小和类型加载方法直接相关。同时,在加载能量损失增加随着负载的增加水平,同时达到最大。马等。16]研究了煤矸石混凝土的破碎特征和渗流特征样本在不同压力和提出一个方法来使用分形维度预测渗透率的演化。江et al。17)比较和分析混凝土的疲劳损伤特性通过三种类型的循环作用的混凝土和疲劳寿命评估基于损伤变量。肖et al。18)建立了损伤累积模型的数学方程和物理意义下的岩石循环荷载和验证数据。

学者们用不同的实验方法研究混凝土孔隙度和物理和力学性能之间的关系,取得了丰富的成果19- - - - - -25]。Balshin [22]和Hasselman Fulrath [23]研究了孔隙度变化的影响在多孔混凝土的抗压强度通过实验,获得了抗压强度和孔隙度变化之间的关系。克努森(24)进行了一系列的渗流实验探索流体冲刷的影响行为样本孔隙度和渗透率。马等。26)的孔隙度和抗压强度之间的关系进行了探讨水泥泡沫混凝土和建立了一个数学模型来描述混凝土的孔隙率和强度之间的关系。邓和李27]采用发泡聚苯乙烯(EPS)颗粒直径约1 - 2毫米的近似在混凝土孔隙结构,获得了抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压弹性模量和静态C15,甜,和C30混凝土的孔隙度0,1%,3%,5%。据报道,在相同强度等级、抗压强度、抗拉强度、分裂和静态抗压混凝土弹性模量随孔隙度的增加减少。夏et al。28]讨论了孔隙度对人造岩石的能量耗散的影响从冲击负载的角度,发现冲击载荷的作用下,通过混凝土增加损耗的能量增加混凝土的孔隙度。

在研究混凝土的力学性能,混凝土的力学性能与不同的孔隙度主要研究单轴压缩下,以及具体的测试不考虑孔隙率。然而,海绵城市的道路建在多孔透水混凝土,和车辆有一个典型的循环加载和卸载影响道路。目前,很少有研究多孔混凝土循环荷载下的力学性能29日]。为此,实验方法用于分析循环数的影响,循环荷载振幅等参数对多孔混凝土的力学性能和能量耗散在这项研究中。

2。测试设备和测试计划

2.1。样品制备

混凝土的原材料样品在这个测试是水泥、石头、水。阿宝32.5级普通硅酸盐水泥是由徐州中国联合水泥公司。第5 - 13的灰岩砾石的粒径毫米作为粗骨料。灰岩砾石的表观密度是3010公斤/米³,细长的内容和片状粒子为5.25%,泥含量为0.26%,水分含量为0.24%。

立方混凝土孔隙度高的样品P= 15%,大小为100 mm×100 mm×100 mm的准备。根据以前的研究(30.),水的混合比例、水泥、和石头。然后,具体由混合器混合注入模具,和表面平滑后摇了摇床。混凝土养护室中治愈(温度20±2°C)为24 - 48小时,每8小时浇水。之后,模具被免职,脱模混凝土养护室中放置(温度20±2°C,湿度≥95%)和28天治愈。图1显示了一个处理具体样本的一部分。水饱和度的方法被用来移除标本,孔隙度不符合要求。最后,40块标本处理的后续研究。

2.2。实验设备

的万能试验机的地质力学与地下工程国家重点实验室中国矿业大学和技术被用来装载设备的测试。这个系统由四部分组成:控制阀门系统,动态加载系统、数据采集系统和计算机控制系统。数据采集系统由两部分组成。一个是位移载荷采集系统由测试装载设备;另一部分是ASMB2-8超级静态信号采集仪器。图2展示了主要的测试仪器。在测试期间,水平和垂直应变仪连接到的样本,如图2。

2.3。测试计划

首先,多孔混凝土的单轴压缩试验,获得了全应力-应变曲线,如图3。其次,多孔混凝土的变形过程分为不同的阶段:(I)初始压实过程 ,(2)近似线弹性阶段 ,(3)微裂纹演化阶段 ,和(IV)破坏阶段 。

在测试中,50%,60%,和70%的峰值应力混凝土在单轴压缩下,即,25 MPa, 30 MPa, 35 MPa,被选为低循环荷载的应力幅值。三个压力振幅近似线弹性阶段(阶段二)图3。在测试期间,相应的应力振幅被0.002毫米/秒加载位移加载和卸载到5 MPa(压实阶段之间的边界点和线弹性阶段)由0.002 mm / s位移卸货。这个过程被称为一个周期。60循环应力幅值下进行每组分析应力幅值的影响和周期数C混凝土的力学性能和损伤演化。

3所示。机械性能的多孔混凝土在不同应力振幅循环加载和卸载

3.1。应力-应变曲线的变化规律与应力幅值

图4显示了混凝土应力-应变曲线下的异同与不同的压力振幅循环加载和卸载。循环数的增加,峰值应变和残余塑性变形在不同应力振幅逐渐增加。然而,峰值应变和残余塑性变形的变化在不同应力幅值是不同的。应力幅值越大,较大的残余塑性变形的增加,峰值应变。当应力幅30 MPa和35 MPa,循环应力-应变曲线的密度变化从稀疏的密集和稀疏,而当应力幅值25 MPa,循环应力-应变曲线的密度变化由稀疏和稠密。这是可以解释如下。在装货前,有原始孔隙和裂缝的多孔混凝土,混凝土更容易变形;在负载的作用下,这些孔隙和裂缝逐渐和部分关闭,导致混凝土的密度。因此,循环应力-应变曲线显示了一个过程从稀疏的密度。当混凝土经历多个循环加载和卸载时,混凝土内部孔隙受损,导致新裂缝的产生。 At the same time, coupled with the development of the original cracks, the integrity of the internal structure of concrete becomes worse and the compressive capacity becomes weaker. Thus, the stress-strain cycle curve changes from dense to sparse. When the stress amplitude is 25 MPa, there is no change from dense to sparse in stress-strain cycle curves. It indicates that the internal structure of the sample is relatively complete after 60 cyclic loading and unloading cycles at the stress amplitude of 25 MPa. Besides, the concrete can generally withstand the action of multiple alternating loads if the applied load is relatively small.

3.2。混凝土力学性能的变化规律与应力幅值

不同载荷作用下应力振幅和周期,数量的变化规律不同的加载压力振幅和周期加载弹性模量EF, EC卸载弹性模量、峰值应变和残余塑性变形(相对应的应变卸载卸货期间5 MPa)的具体如图5。

混凝土加载后,初始微裂纹将扩大。当负载小,初始界面裂纹的长度和宽度将增加,形成一个新的界面裂纹。只要负载不超过一定数值时,裂纹将停止扩大由于恒定加载或卸载。然而,当重复循环荷载,裂缝将继续扩大和混凝土的力学性能会改变;应用负载越大,裂纹扩展越快。因此,当混凝土循环荷载作用下,其力学性能将相应改变。

如数据所示5(一个)和5 (b),压力振幅和周期数的影响装卸弹性模量可以获得。在相同的应力幅值下,装货卸货弹性模量和弹性模量的增加先上升,然后下降周期数。应力幅值越大,越快率上升和下降速率越快。当应力幅值25 MPa, 30 MPa, 35 MPa,有不同的周期数达到所需装卸弹性模量的峰值。55的周期数,35岁和15需要加载的弹性模量、峰值和50周期数据,30日和15需要卸载弹性模量的高峰期,分别。换句话说,应力幅值越大,所需的周期数越少的最大装载和卸载弹性模量。当应力幅值25 MPa和35 MPa,加载弹性模量的最大值是GPa 59.07和58.12的绩点,分别和卸载弹性模量的最大值是GPa 63.71和64.2的绩点,分别。因此,应力幅值越大,越小的最大值加载弹性模量和较大的卸载弹性模量的最大值。

数据5 (c)和5 (d)显示压力振幅和周期的影响数量峰值应变和残余塑性变形。它可以得出的结论是,应力幅值越大,相应的峰值应变和残余塑性变形越大在同一周期数。循环数的增加,峰值应变和残余塑性变形下的三个压力振幅线性增加。不同应力幅值下,有不同的增加率的峰值应变和残余塑性变形随循环数的增加。当应力幅值35 MPa,峰值应变和残余塑性变形的增加率与循环数的增加是最大的;当应力幅值25 MPa,增加率是最小的。

4所示。多孔混凝土的损伤演化规律

4.1。损伤变量的定义

多孔混凝土是一种弹塑性材料。在循环加载和卸载的过程中,混凝土的损伤演化过程密切相关,混凝土的应变振幅和周期数31日]。在相同的应力幅值下,卸载过程是一个缓慢的过程。只有当孔隙度累积的损伤阈值达到一定数量的周期后,卸货过程中混凝土的力学性能会减弱。衰减之前,在每一个周期中,混凝土的强度和弹性模量可能大于或等于初始混凝土的弹性模量。在这个时候,如果混凝土的损伤是根据传统的弹性模量定义方法,损伤变量将负面或损伤变量将是0。

因此,先前定义的损伤弹性材料不适用在这项研究中,和一个新的定义介绍了损伤弹塑性体。为一个周期的混凝土,破坏的变形模量

在这个时候,卸载刚度E_C表示如下:

的变形模量可以重新被损坏

然后,最后周期下的混凝土损伤模量可以表示为 在哪里和峰值应变和残余应变和吗E_F和E_C装货卸货弹性模量和弹性模量,分别。

混凝土在循环荷载下,损伤变量是一个函数的周期数,应力幅值和应变幅度。在分析混凝土的损伤变化时,有必要考虑加载模式和周期的具体数量。通过结合混凝土循环荷载下的力学参数,可以分析混凝土的内部损伤。

4.2。研究损伤的混凝土在循环加载和卸载

图6显示具体的损伤变量的变化规律与不同应力幅值下的周期数。如图6混凝土损伤变量的变化规律,周期数在四种不同应力幅值主要反映在以下几个方面:①在相同的应力幅值下,混凝土的损伤逐渐增加周期数的增加;②与相同数量的周期,下混凝土的损伤变量大应力幅值一般大于,在小振幅。5个周期后,混凝土的损伤变量的应力幅值下38 MPa是0.37,而混凝土的损伤变量的应力幅值下25 MPa是0.33。

逐渐损伤变量随循环数的增加,这表明混凝土的内部损伤是一个累积的过程。周期数的增加会导致逐渐成熟的混凝土内部裂缝的发展。许多裂缝不能关闭卸货后在重载和发展周围的空间。应力幅值越大,效果越明显。

损伤变量曲线可以简单线性安装如下:

当损伤变量值设置为1,循环荷载的数量要求的失败混凝土样本可以大致估计。通过计算185周期的循环加载所需样品失败25 MPa的压力振幅下,166个周期在30 MPa, 35 MPa下142次,131次在38 MPa。

4.3。寿命预测多孔混凝土在循环加载和卸载

由于测试条件的限制和循环加载和卸载的长周期,周期数和损伤变量之间的关系可以通过有效的测试数据,拟合和周期数时可以获得样品的损伤变量值是1在不同压力振幅。当循环加载和卸载的损伤变量设置为1,周期数25 MPa的压力振幅下30 MPa是通过计算方程(5)- (7)。通过这种方式,与振幅的关系可以建立周期当损伤变量的数量是1。直观地澄清混凝土损伤变量之间的关系,最初应用单轴压力、循环的具体数量之间的关系曲线和应力幅值如图7。

从图可以看出6,最初应用的逐渐增加压力,循环的具体数量逐渐减少。通过线性拟合最初外加应力和循环数,可以获得变化规律如下:

当54 MPa的压力值代入方程(8),发现周期数小于2,这是与单轴压缩下的测试结果一致。

5。结论

在这项研究中,万能试验机是用来加载和卸载混凝土样本15%的孔隙度在不同应力振幅位移加载模式。压力振幅和周期的变化的影响,在多孔混凝土的力学性能和能量耗散进行了分析。主要结论如下:(1)60循环加载和卸载测试下进行三个压力振幅的变化规律和循环加载和卸载混凝土应力-应变曲线。混凝土的应力-应变曲线的应力幅值下25 MPa从稀疏的密度;在压力下混凝土的应力-应变曲线的振幅30 MPa和35 MPa从稀疏的密度,然后稀疏。(2)应力幅值变化对混凝土的力学性能主要体现在以下方面:在三个应力振幅下,加载和卸载混凝土弹性模量先增加然后减少,应力幅值越大,越快的增长和减速弹性模量;峰值应变和残余塑性变形与循环数的增加逐渐增加,应力幅值越大,峰值应变和残余塑性变形越大在同一周期数;应力幅值越大,耗散的能量越大混凝土在同样的周期数,和具体的变化规律在三个压力振幅是大致相同的。(3)应力幅值越大,混凝土的破坏就越高。与循环加载和卸载时间的增加,混凝土的破坏变得越来越大。当损伤变量值是1,周期数和初始应力幅值之间的关系满足负指数函数。应力幅值是54 MPa时,混凝土的循环次数是1。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家重点研发项目(2019 yfc1904302)和中国能源集团科技项目(gjny - 20 - 111)。