冻融循环下混凝土冲击力学性能研究

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在我国西北以及东北地区混凝土结构会遭受低温所引起的冻融循环作用,这就不得不考虑温度变化对混凝土力学特性的影响。与此同时,风雪荷载、动水压力、交通意外事故、爆破、地震等也时常发生,以上事件所引发的动态载荷会对建筑物结构的安全性造成严重威胁。而混凝土是岩土工程施工中不可缺少的材料,对其动态性能的研究便引起了人们的关注。目前,关于混凝土动态特性的研究成果颇多,但对经历冻融循环后的混凝土材料在中低应变率下的力学性能和分形特性的研究还相对较少。因此,本文借助分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,分别对经历不同冻融循环次数下的C35、C40和C45混凝土试样开展冲击试验,并对其动态力学性能及分形特性进行研究。本文主要完成了以下工作:1、对混凝土试样展开不同次数的冻融循环(FTC)试验,然后采用SHPB装置对混凝土试样进行冲击试验,得到试样在不同冲击气压下的应力-应变曲线及动态峰值强度,分析了冻融循环次数和应变率对混凝土动态应力-应变曲线、峰值应力和动态强度增长因子(DIF)的影响规律。发现混凝土试样的动强度和DIF值随着冻融循环次数的增加而降低,随着加载速率的增加而提高。2、统计并研究了不同冻融循环后的混凝土试样在不同冲击气压下的冲击韧性。以冲击应力-应变曲线所包络的面积表征极限韧性,分析了混凝土试样的极限韧性随冻融循环次数和加载速率的变化规律。发现随着冻融循环的加剧,试样自身脆性增强,导致吸收外界能量的能力降低,其极限韧性不断下降;随着加载速率的提高,试样的骨料被贯穿,使得混凝土的极限韧性有所提高。3、对冻融循环过后在冲击荷载作用下的破碎混凝土试样的分形特征进行了研究。收集冲击试验过后混凝土破碎块,利用标准振筛机对混凝土碎块进行筛分,并对筛分过后不同粒径区间的碎块进行质量测定,根据混凝土冲击破碎块的分布方程来计算试样的分形维数,进而分析冻融循环次数与冲击气压变化对试样分形特性的影响规律。发现冻融循环次数的增大使得混凝土内部各相间粘结力下降,在较高的加载速率下促使混凝土破碎化加剧,最终导致其分形维数增加。4、通过电子显微镜扫描试验(SEM)对冻融循环过后的混凝土冲击破碎块进行微观观测,结合破碎块粒径状态分布,根据样品内部微裂纹发展趋势和水化产物形貌对混凝土冻融循环劣化机理进行探讨。发现冻融循环初期试样内部有较多填充性C-S-H凝胶,无明显裂缝产生;随着冻融循环次数的增加,尤其是达到75次后,混凝土整体性和密实性严重降低,试样内部出现大量裂隙,冲击破碎块也趋于粉末化。
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