摘要
基于劈裂试验,研究了陶粒对蒸养混凝土(SC)-自密实混凝土(SCC)黏结界面力学特性的影响.结果表明:陶粒能提高SC‑SCC黏结界面的劈裂抗拉强度,增加黏结界面的张开位移值,提升黏结界面的延性;黏结界面应力-应变曲线可分为线性发展阶段、塑性发展阶段和失效破坏阶段;双参数Weibull分布模型可较好地模拟黏结界面应力-应变曲线的上升段,当黏结界面的陶粒引入量低于4 kg/
将两种不同属性的混凝土互相黏结而形成复合结构,在工程领域中应用非常广泛,如修复、加固和非连续浇筑施工
为提升CRTS Ⅲ型轨道板结构的服役稳定性,中国学者针对CRTS Ⅲ型轨道板黏结界面在静态和动态荷载下的破坏特
基于高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构轨道板用C60蒸养混凝土、充填层用C40自密实混凝土的原材料和配合比进行试验,其中胶凝材料采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥(C)、Ⅰ级粉煤灰(FA)、S95级矿渣粉(GGBS),骨料采用碎石(G)和河砂(S),外加剂采用聚羧酸高性能减水剂(SP),对于充填层SCC,还加入了黏度改性剂(VMA)以满足其良好的充填性能,水(W)采用自来水.SC和SCC的配合比如
Concrete | C | FA | GGBS | SP | W | S | VMA | G | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5-10 mm | 10-16 mm | 10-20 mm | ||||||||
SC | 315.00 | 90.00 | 45.00 | 4.50 | 135.00 | 660.00 | 0 | 484.00 | 0 | 726.00 |
SCC | 308.00 | 78.00 | 104.00 | 7.28 | 178.00 | 835.00 | 31.00 | 324.00 | 486.00 | 0 |
采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的模具制备尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的SC,称量1.2 kg新拌SC并浇筑于模具内,手动捣平表面后,采用人工抛洒的方式在SC表面抛洒陶粒.外抛陶粒为粒径10~15 mm的页岩陶粒,筒压强度6.1 MPa,陶粒引入量S分别为0、2、4、6 kg/

图1 蒸养制度
Fig.1 Steam curing system

图2 试件制备
Fig.2 Specimen preparation
劈裂抗拉试验装置如
(1) |
式中:P为试件的劈裂抗拉破坏荷载,N;A为试件的黏结界面面积,m

图3 劈裂抗拉试验装置图
Fig.3 Device diagram of splitting tensile test
另外,由于本试验采用100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件,劈裂抗拉强度需乘以尺寸换算系数0.85.
对断裂后试件的黏结界面进行拍照,如

图4 破坏断面图
Fig.4 Failure surface diagram

图5 应力-应变曲线范围
Fig.5 Scope of stress‑strain curves

图6 劈裂抗拉强度
Fig.6 Splitting tensile strength
进一步观察
结合数字图形相关(DIC)技术,对典型试件黏结界面破坏过程的应变云图进行绘制,如

图7 黏结界面破坏过程的应变云图
Fig.7 Strain contour figures at bonding interface failure process
根据DIC结果的位移场数据,可以得到主裂纹在不同荷载时刻的位移值,将某个荷载时刻在跨黏结界面2个边界点的水平位移值(U)相减,结果即为黏结界面的张开位移值.因此,在黏结界面处绘制1根跨界面的检查线L0,如

图8 L0检查线示意图
Fig.8 Schematic diagram of measure line L0

图9 L0检查线在不同荷载下的位移值分布
Fig.9 Distribution of bonding interface opening displacement value of L0 at different loads
根据损伤力学理论可知,当采用等应变假设时,在一维应力状态下可以采用
(2) |
式中:E为弹性模量;D为损伤变量.
由前述黏结界面的破坏形态可以知道,黏结界面的破坏主要是由于SCC剥离SC表面或者SCC剥离陶粒表面产生的.从宏观上来看,其实质仍然是靠近黏结界面SCC的损伤与断裂.当黏结界面承受劈裂抗拉荷载时,其损伤程度与其内部各微元有关,且微元强度符合双参数Weibull分
(3) |
式中:为黏结界面的强度分布;m、a为模型中与损伤分布有关的2个参数.
在荷载作用下,黏结界面上微元破坏的数目n与总微元数N之间具有如下关系:
(4) |
则荷载作用下的损伤变量D可以用破坏微元数与总微元数的比值来表示:
(5) |
结合式(
D= | (6) |
根据应力-应变曲线的边界条件(,),进一步得到:
(7) |
(8) |
将
(9) |
(10) |
对于黏结界面混凝土,E取值为应力-应变曲线上线性段的斜率.
根据黏结界面应力-应变曲线上线性段的斜率和极限荷载处的应力、应变以及
S/(kg· | Specimen No. | E/MPa | m | ||
---|---|---|---|---|---|
0 | 01 | 1 394.3 | 1.26 | 0.002 242 | 1.098 |
02 | 1 624.2 | 1.45 | 0.001 998 | 1.241 | |
03 | 1 287.8 | 1.30 | 0.002 057 | 1.405 | |
2 | 21 | 1 152.3 | 1.25 | 0.002 147 | 1.469 |
22 | 737.3 | 1.32 | 0.004 952 | 0.983 | |
23 | 1 146.2 | 1.70 | 0.002 486 | 1.937 | |
4 | 41 | 1 143.8 | 1.40 | 0.002 493 | 1.406 |
42 | 1 736.5 | 1.45 | 0.001 980 | 1.158 | |
43 | 1 550.1 | 1.55 | 0.001 884 | 1.579 | |
6 | 61 | 2 564.5 | 1.59 | 0.001 503 | 1.130 |
62 | 3 503.4 | 1.93 | 0.003 001 | 0.591 | |
63 | 488.0 | 1.47 | 0.004 014 | 3.484 |
将

图10 不同黏结界面的试验曲线和模型曲线对比图
Fig.10 Comparison of theoretical curves and test curves of different bonding interfaces
进一步按照

图11 损伤变量D的演化过程
Fig.11 Damage variable evolution process
采用现场工艺浇筑和充填的SCC会在SC底部形成1个上浮层,该上浮层主要由SCC中的砂浆组成.当黏结界面中没有引入陶粒时,黏结界面上浮层与SC之间形成混凝土黏结区;而在黏结界面引入陶粒后,黏结界面由混凝土黏结区以及上浮层和陶粒形成的陶粒黏结区组成,如

图12 黏结界面黏结模型示意图
Fig.12 Structure model diagram of bonding interface
(1)陶粒能嵌入SC,增大SC表面面积,随着SCC的浇筑和充填,陶粒还能进一步嵌入到SCC的上浮层中,由于陶粒表面较SC表面粗糙,上浮层中水泥石与陶粒的机械咬合作用更
(2)陶粒在上浮层中吸、释水,起到了内养护作
(3)外部荷载会以陶粒为节点形成应力网
(4)当陶粒引入量增加时,陶粒黏结区面积增加,混凝土黏结区面积相应减少.在本试验中,当陶粒引入量为6 kg/
(1)在蒸养混凝土SC和自密实混凝土SCC黏结界面引入陶粒,可以观察到陶粒能稳定存在于黏结界面,且改善了黏结界面中SCC的上浮层结构,黏结界面呈现陶粒吸附在SC表面,并剥离SCC表面的破坏模式.
(2)在本试验调查范围内,当陶粒引入量为6 kg/
(3)黏结界面应力-应变曲线可分为线性发展阶段、塑性发展阶段和失效破坏阶段.
(4)双参数Weibull分布模型能较好地模拟黏结界面应力-应变曲线的上升段.损伤变量计算表明,当陶粒引入量在4 kg/
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