輕質(zhì)多孔混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

輕質(zhì)多孔混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

0密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系的基本力學(xué)性能多孔混凝土（如蒸汽加熱混凝土和泡沫混凝土等）是一種耐旱、易熱、用途廣泛的節(jié)能建筑材料。然而，在許多建筑結(jié)構(gòu)中，僅用作墻體填充材料和屋頂材料的填充材料，而用作涂料的屋頂材料主要用于裝飾部分。通常，不考慮承受負(fù)荷的能力。因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)其受力性能的研究不多,關(guān)于其軸壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系及本構(gòu)模型的研究則更少。密肋復(fù)合墻體這種以截面及配筋較小的鋼筋混凝土框格為骨架,內(nèi)嵌輕質(zhì)多孔混凝土塊材整體澆筑成形的新型節(jié)能抗震墻體構(gòu)件中,蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土不僅起到保溫、圍護(hù)和分隔空間的作用,而且與隱形框架一起作為受力構(gòu)件參與工作,共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向及水平荷載,同時(shí)提供抗側(cè)移剛度。在該結(jié)構(gòu)體系以往研究中,沒(méi)有專門針對(duì)輕質(zhì)多孔混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究,在有限元分析中,基本上是參照普通混凝土的力學(xué)性能給出相應(yīng)的數(shù)值。眾所周知,輕質(zhì)多孔混凝土與普通混凝土的材料組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)均有很大的不同,兩者的基本力學(xué)性能必然存在較大的差異。因此,隨著密肋復(fù)合墻新型結(jié)構(gòu)體系的深入研究和不斷推廣,蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土的基本力學(xué)性能,尤其是應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的研究,就顯得十分重要和緊迫。在本文中,主要介紹了蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土這兩種輕質(zhì)多孔混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn),包括立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度、軸壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、峰值應(yīng)變等,并就其本構(gòu)模型進(jìn)行了研究與探討。1試驗(yàn)總結(jié)1.1混凝土本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究通過(guò)對(duì)蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土軸心受壓試驗(yàn),研究輕質(zhì)多孔混凝土基本力學(xué)性能及其變化規(guī)律,建立輕質(zhì)多孔混凝土應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型,為有限元分析和計(jì)算提供可靠試驗(yàn)依據(jù)。1.2單軸受體性能試驗(yàn)由于輕質(zhì)多孔混凝土的物理力學(xué)性能與容重有著密切關(guān)系,同時(shí)考慮到在目前建筑物中有大量的使用,因此,本文試驗(yàn)選取干容重為600～700kg/m3的蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土兩種輕質(zhì)多孔混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象。前期試驗(yàn)得到蒸壓加氣混凝土砌塊干容重為629kg/m3,平均抗壓強(qiáng)度為3.5MPa。泡沫混凝土砌塊的干容重為667kg/m3,平均抗壓強(qiáng)度為3.0MPa。本文將蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土各作為1組,進(jìn)行了單軸受壓性能試驗(yàn),觀察了試件的破壞形態(tài),得到了材料的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。試件編號(hào)及尺寸見表1。1.3減摩層變形標(biāo)定及加載試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)在清華大學(xué)水利水電系材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用的裝置為INSTRON8506四立柱液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)豎向最大靜載出力±3000kN,最大動(dòng)載出力±2500kN,最大頻率6Hz,如圖1所示。考慮到試驗(yàn)機(jī)壓板與輕質(zhì)混凝土試件間摩擦力對(duì)試件橫向變形的作用,在試件的兩端均采用減摩層以降低“套箍”效應(yīng)。減摩層為3層,采用大小約為160mm×160mm×0.5mm的聚四氟乙烯膜疊合,各層之間均勻涂抹黃油。由于在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中減摩層的變形會(huì)影響試件的試驗(yàn)結(jié)果,故需標(biāo)定減摩層的受壓變形。減摩層變形標(biāo)定是借助于150mm×150mm×150mm的A3號(hào)鋼立方體塊。在鋼塊的兩端墊上減摩層,并將其準(zhǔn)確放置在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)座上?？紤]到輕質(zhì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度基本在5.0MPa以內(nèi),只需對(duì)減摩層在輕質(zhì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)鋼塊進(jìn)行預(yù)壓,僅從20kN起,降到10kN,再升到20kN,往復(fù)預(yù)壓3遍。最后,給予試件10kN的初始?jí)毫?然后采用應(yīng)變控制,對(duì)試件進(jìn)行加載。記錄鋼塊試件和減摩層共同的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)值。減摩層變形標(biāo)定后,進(jìn)行輕質(zhì)多孔混凝土試件單軸單調(diào)受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€測(cè)定。在輕質(zhì)多孔混凝土試件兩端墊加減摩層,反復(fù)預(yù)壓3次,預(yù)壓荷載約為破壞荷載值的30%。再給予初始?jí)毫?略小于預(yù)壓荷載),采用應(yīng)變控制加載。為了獲得應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程,在進(jìn)行單軸單調(diào)受壓加載試驗(yàn)時(shí),本文采用等應(yīng)變速率方式進(jìn)行加載,應(yīng)變速率為300με/min,試驗(yàn)時(shí)每個(gè)試件均加載至殘余強(qiáng)度階段。試驗(yàn)結(jié)果全部由系統(tǒng)自動(dòng)采集,每隔1s采集1次數(shù)據(jù),每個(gè)試件的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在2000個(gè)左右。當(dāng)試件應(yīng)變達(dá)到1×104με時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理時(shí),輕質(zhì)多孔混凝土試件的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€結(jié)果,為測(cè)得數(shù)據(jù)減去減摩層相應(yīng)的數(shù)據(jù)。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1試件破壞形態(tài)輕質(zhì)多孔混凝土試件從開始加載到將近破壞之前,試件未出現(xiàn)可見裂縫。當(dāng)荷載接近或達(dá)到極限荷載的90%時(shí),在試件中部或底部開始出現(xiàn)豎向的短裂縫。隨著應(yīng)變的增加,裂縫開始增多。當(dāng)荷載達(dá)到最大值時(shí),裂縫沿豎向上下延伸、擴(kuò)展,形成主裂縫,最后試件劈裂破壞。試件各側(cè)面,基本都有一條從上到下貫通的豎向主裂縫,局部存在豎向或斜向短裂縫。各側(cè)面的豎向主裂縫相互連通,將試件劈裂為2個(gè)或多個(gè)小柱,如圖2所示。蒸壓加氣混凝土試件和泡沫混凝土試件試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)基本相似,但也存在不同之處:蒸壓加氣混凝土試塊的破壞過(guò)程短促,裂縫沿豎向上下迅速延伸、擴(kuò)展,立即形成主裂縫,最后試件劈裂破壞,屬于脆性破壞;而泡沫混凝土裂縫沿豎向上下并不是迅速而是緩慢延伸、擴(kuò)展,最后試件劈裂破壞,表現(xiàn)出一定的韌性。這是由于,泡沫混凝土和蒸壓加氣混凝土雖然同屬于輕質(zhì)多孔混凝土,但內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不盡相同所造成的。2.2極限強(qiáng)度與彈性模量通過(guò)試驗(yàn),得到了輕質(zhì)多孔混凝土的立方體強(qiáng)度、棱柱體極限強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量、殘余強(qiáng)度,有關(guān)結(jié)果見表2。從表2中可以得出,與普通強(qiáng)度等級(jí)的混凝土相比較,輕質(zhì)多孔混凝土的立方體強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量等值要小得多,但其峰值應(yīng)變卻比普通強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大30%～40%。蒸壓加氣混凝土的極限強(qiáng)度平均值為3.29MPa,峰值應(yīng)變?yōu)?730με,彈性模量為1458MPa,殘余強(qiáng)度為1.103MPa,殘余強(qiáng)度為極限強(qiáng)度的33.97%;泡沫混凝土的極限強(qiáng)度平均值為2.06MPa,峰值應(yīng)變?yōu)?783.3με,彈性模量為1753.7MPa,殘余強(qiáng)度為1.28MPa,殘余強(qiáng)度為極限強(qiáng)度的62.61%?？梢钥闯?泡沫混凝土與蒸壓加氣混凝土比較,峰值應(yīng)變幾乎一樣時(shí),但其極限強(qiáng)度平均值較低,因而彈性模量要小。另外,文獻(xiàn)試驗(yàn)所用加氣混凝土的干容重為500kg/m3,極限應(yīng)變?yōu)?720με,彈性模量為1750MPa;本文干容重為629kg/m3,平均極限應(yīng)變?yōu)?730με,平均彈性模量為1458MPa。與文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果比較,不同之處在于,在干容重相差不大的情況下,本文試驗(yàn)的材料極限應(yīng)變較大,彈性模量較低。2.3試件的力學(xué)性能根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù),整理得出單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€,分別如圖3(a),(b)所示。從圖3(a)的蒸壓加氣混凝土試件單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€中可以看出:在上升段內(nèi),應(yīng)力較小(σ<0.5σ0)時(shí),應(yīng)變近似按線性比例增加,處于彈性變形,曲線接近直線。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)0.5σ0后,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)略快,應(yīng)力—應(yīng)變曲線微凸,但斜率變化不大。當(dāng)接近最大應(yīng)力(σ>0.9σ0)時(shí),塑性應(yīng)變有較大增長(zhǎng)。達(dá)到極限應(yīng)變后,出現(xiàn)下降段,應(yīng)力基本上均是迅速下落,并且強(qiáng)度跌落50%左右。之后出現(xiàn)斜直線段,曲線緩慢降落,強(qiáng)度下降僅10%左右。對(duì)具體試件來(lái)說(shuō),JQ-1,JQ-3在達(dá)到極限應(yīng)變后,直線下落,并且強(qiáng)度跌落50%,之后緩慢降落;JQ-2出現(xiàn)了3次階梯形下落,可以看作是試件急速下落的一個(gè)臨界形式;試件JQ-4下降段較其他試件下降稍緩,但下降幅值仍然很大。從圖3(b)的泡沫混凝土試件單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€中可以看出:在上升段內(nèi),曲線基本和蒸壓加氣混凝土試件相同,但應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)總體要比蒸壓加氣混凝土大,即應(yīng)力—應(yīng)變曲線要更顯凸形,斜率變化略大。當(dāng)接近最大應(yīng)力(σ>0.9σ0)時(shí),塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較大。達(dá)到極限應(yīng)變后,出現(xiàn)下降段,應(yīng)力基本也均是迅速下落,強(qiáng)度跌落約為20%左右。之后出現(xiàn)斜直線段,曲線緩慢降落,強(qiáng)度下降10%左右。對(duì)具體試件來(lái)說(shuō),PM-1達(dá)到極限應(yīng)變后,應(yīng)力迅速豎直下落,而后出現(xiàn)一級(jí)臺(tái)階式曲線,隨著應(yīng)變控制的繼續(xù)加大,曲線緩慢下落;PM-2在達(dá)到極限應(yīng)力前,上升段出現(xiàn)了2次明顯的彎折,曲率明顯減小,但達(dá)到極限應(yīng)變時(shí),曲線未出現(xiàn)直線下落,而出現(xiàn)了多級(jí)臺(tái)階式下落,整體趨勢(shì)緩慢下降;PM-3先出現(xiàn)了局部的破壞后,才達(dá)到了極限應(yīng)力,而在下降段甚至出現(xiàn)了少量回升。雖然本次試驗(yàn)試件的數(shù)量不多,但和文獻(xiàn)得到的結(jié)論趨向一致,具有一定的研究?jī)r(jià)值;反映出輕質(zhì)多孔混凝土材料在達(dá)到極限應(yīng)變后,立即開裂,形成主裂縫,強(qiáng)度迅速下降,呈現(xiàn)出低強(qiáng)度彈脆性的力學(xué)性能。另外,蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土比較分析,雖然均屬脆性材料,但從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,二者又有著明顯不同的力學(xué)性能。(1)蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度的波動(dòng)性較大,殘余強(qiáng)度偏低,而泡沫混凝土強(qiáng)度波動(dòng)性較小,殘余強(qiáng)度較高。蒸壓加氣混凝土殘余強(qiáng)度系數(shù)約為0.2～0.5,而泡沫混凝土殘余強(qiáng)度系數(shù)約為0.5～0.75。(2)蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土的彈性模量均隨試件強(qiáng)度的增大而增大。以試件的應(yīng)力—應(yīng)變上升段曲線上σ=0.5σ0(σ0為極限應(yīng)力)的割線模量為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算彈性模量,蒸壓加氣混凝土的彈性模量較低,僅為1.3×103～1.6×103MPa,而泡沫混凝土的彈性模量達(dá)1.3×103～2.2×103MPa。(3)蒸壓加氣混凝土的受壓全曲線的上升段,在σ≤0.5σ0時(shí),應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系接近直線變化;應(yīng)力加大后,應(yīng)力—應(yīng)變曲線微凸,但斜率變化不大,而泡沫混凝土受壓全曲線上升段曲線微凸明顯。(4)蒸壓加氣混凝土在達(dá)到極限應(yīng)力后,全曲線下降段均出現(xiàn)了較大程度的迅速下落;而泡沫混凝土下降段緩慢回落,或者只有小幅度的下落,說(shuō)明蒸壓加氣混凝土的脆性比泡沫混凝土大。2.4本構(gòu)關(guān)系曲線本文根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理整理得出輕質(zhì)多孔混凝土無(wú)量綱單軸受壓本構(gòu)關(guān)系全曲線,分別如圖4(a),(b)所示。圖中采用無(wú)量綱坐標(biāo):x=ε/εp,y=σ/fc。從輕質(zhì)多孔混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系全曲線可以得出:在上升段內(nèi),先是處于彈性變形,曲線接近直線;當(dāng)應(yīng)力超過(guò)0.5σ0后,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)略快,應(yīng)力—應(yīng)變曲線微凸,但斜率變化不大;當(dāng)接近最大應(yīng)力(σ>0.9σ0)時(shí),塑性應(yīng)變有較大增長(zhǎng)。達(dá)到極限應(yīng)變后,出現(xiàn)下降段,迅速下落。之后出現(xiàn)斜直線段,曲線緩慢降落。因此,將全曲線分為上升段、下降段和斜直線段,是合理的。故本文采用3段曲線擬合單軸受壓本構(gòu)關(guān)系曲線,即上升段采用三次多項(xiàng)式,下降段分為兩部分采用有理式的形式擬合,表達(dá)式如下:y=?????????ax+(3?2a)x2+(2?a)x33b+12+bx?b2x21?fxc?ex0≤x≤11≤x≤1.051.05≤x≤4y={ax+(3-2a)x2+(2-a)x30≤x≤13b+12+bx-b2x21≤x≤1.051-fxc-ex1.05≤x≤4其中:d=efd=ef式中的a,b,c,d物理意義明確:a表示上升段的初始彈性模量與峰值割線模量的比值,值越大,說(shuō)明彈性越強(qiáng),塑性越小;b,c為材料脆性系數(shù),值越大,說(shuō)明脆性越強(qiáng),韌性越小;d為殘余強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的比值,值越大,說(shuō)明抗破壞能力越強(qiáng)。對(duì)于蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土,式中的參數(shù)取值見表3。從圖4中可以看出,輕質(zhì)多孔混凝土的單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€擬合公式與試驗(yàn)值符合較好,能夠統(tǒng)一地表述為輕質(zhì)多孔混凝土材料單軸受壓本構(gòu)模型。3力學(xué)性能分析本文對(duì)蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土兩種輕質(zhì)多孔混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和本構(gòu)模型的理論探討,主要結(jié)論為:(1)相對(duì)于普通混凝土而言,輕質(zhì)多孔混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度、彈性模量都要小一個(gè)量級(jí),而峰值應(yīng)變卻比前者大30%～40%。(2)輕質(zhì)多孔混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)?/p>