土木工程外文翻译.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流土木工程外文翻译.精品文档.水泥和混凝土的研究高温之后普通高强度高性能的混凝土的三轴强度和失效标准。文章信息文章历史：2009年3月29完稿，2009年8月27发表。关键词：高强度高性能混凝土HSHPC 高温 应力比 三轴强度 失效标准摘要：100毫米100毫米100毫米的普通高强度高性能混凝土立方体样本，在经历从20摄氏度的正常温度到200,300,400,500和600摄氏度的高温之后，使用一种大型的静态-动态的真实三轴试验机，进行了各种应力比的三轴实验。使用三层塑料膜与甘油的减磨垫，被放置在抗压试验板和标本之间。混凝土样品的拉伸载荷飞机

2、经减员机的处理，然后将样品与载荷板用结构胶粘结起来。研究者将样品失效的模式特征和裂缝的方向进行了观察和描述；对三个主要的静态优势在相应的应力状态下进行了测量；同时也对普通高强度高性能混凝土（HSHPC）在受到高温作用后，由温度和应力对三轴优势造成的影响进行了分析。实验结果表明，在受到高温作用后，HSHPC的单轴抗压强度没有完全随着温度的升高而降低，其单轴抗压强度的三轴比率依赖不同温度和应力比下HSHPC的刚度。在此基础上，研究者提出了多轴应力状态下具有温度参数的新失效准则。它提供了高温环境下承受复杂载荷的HSHPC结构强度分析的实验与理论体系基础。2009爱思唯尔有限公司保留所有权利介绍混凝土

3、近一个世纪以来都是主要的建筑材料。近年来，高性能混凝土（HPC）正在逐渐成为传统的普通强度混凝土（ NSC ）的替代产品。所谓的HPC通常被定义为高强度，高流动性，高持久性混凝土。或者被定义为拥有这些特性之一；此外，高性能减水剂和超细矿物掺合料成为绝对必要的成分。高强度混凝土（ HSC ）致密的微观结构确保了高强度和非常低的渗透性。因此，在与普通强度混凝土（ NSC ）相比较时，它具有相对低弱的变形能力和高得多的“脆性刚度”。 最近的一项火灾测试结果表明，在接触高温之后，高性能混凝土和普通强度混凝土的属性有非常大的差异。测试指出，HSC在被烈火炙烤时随着温度快速上升而容易剥落，甚至爆裂。因此，

4、HSC在耐火应用中主要令人担忧的的一个问题是其火灾条件下的性能。众所周知，传统的钢筋混凝土的分析和设计方法仍是普遍根据基本单轴强度测试中材料的性能得到的，虽然我们知道，真正的单轴结构条件是极其罕见的。在实践中，许多混凝土结构，如剪力墙，螺旋柱和节点建筑，核电反应堆的压力容器等，都是处于多轴应力状态下的。同时，由于计算机，有限元方法和混凝土结构的HSHPC的广泛应用，对多轴应力状态下的力学的实验研究，和对钢筋混凝土非线性行为设计，以及基于多轴力学行为的钢筋混凝土结构的研究，越来越显得重要和迫切。因此，许多国内外的研究者已对HSHPC给与了相当的重视。在20世纪70年代后期，一些研究者为了设计核反

5、应堆集装箱开始进行多轴应力状态下NSC的实验研究。然而，大多数研究是为了描述HSC或HPC在单轴应力状态或在多轴应力状态下的力学行为而进行的。HSC或HPC单纯的多轴载荷下的机械行为是极为稀缺的。并且，其中大多数关于密闭压缩的（两个平等应力）混凝土的行为的实验，使用处于三轴向空间中和轴向载荷下的圆柱形试样，已经在三轴应力状态下进行了。卢和托马斯在用两个0.125毫米厚的聚四氟乙烯板润滑（顶部有一个0.015毫米厚的铝箔层）测试100毫米200毫米和 100毫米150毫米气缸标本的时候，研究了在单轴和三轴压缩下HSC和钢纤维强化的高强度混凝土的力学行为。以前的关于高温对HSC或HPC属性影响的调

6、查也只是侧重于行为的力量和单轴受压变形。研究者罗指出，高温作用之后HPC的强度退化和残余强度比NSC严重得多。研究者陈指出，造成很大比例的强度损失的温度范围400 C和800 C，对混凝土强度损失有重要影响。这篇论文介绍了三轴应力状态下，使用一个大型的静态动态的真三轴试验机，测试分别受六个温度作用后，混凝土各种应力比的强度退化规律和破坏准则。三轴试验在100毫米100毫米100毫米的立方米混凝土试件上进行。本文也可以作为受到高温度作用，例如火灾等的HSC和HPC结构的设计和寿命预测的参考（测试数据，相关的公式和机械行为，维护）。2.材料与实验程序表1：强度水平水-凝胶比率水(kg/m3)水泥(

7、kg/m3)飞灰(kg/m3)细骨料(kg/m3)粗骨料(kg/m3)减水剂(kg/m3)暴跌（cm）抗压强度 (fC/MPa)HSHPC0.3117547094.52615.771094.716.772460.162.1 材料与配比本次调查所使用的胶凝材料是采用中国标准P I52.5R（标准压缩强度高于52.5兆帕，年龄在28天）和单级飞灰。粗骨料碎石（直径从5毫米到20毫米不等），细骨料是天然河砂（细度模数为2.7 ）；水是自来水。表1显示了HSHPC的混合物重量和主要的混合比例参数。（fC是100毫米100毫米 100毫米的HSHPC立体样本的单轴抗压强度，样本带有耐高温的减磨垫，其强度

8、值约等于150毫米150毫米300毫米的棱镜强度）2.2 样品及测试方法2.2.1铸造和固化标本粗骨料和细骨料混合约1分钟，并注入一定比例的水，然后依次加入水泥和单级粉煤灰。西卡（R）的NF第三减水剂的剩余比例的水（这其中也包括逐渐增加暴跌和持久性的能力和缓慢加入迟缓还原剂，但是除了普通的水）在一分多钟内也缓慢加入。最后，这些成分被混合两到三分钟。所有的标本都投入钢模具，并用振动试验台稍稍挤压紧凑。铸件24小时后脱模，然后根据“ GBJ82 -85的长期试验方法和普通混凝土的耐久性，在20 3 C和95 RH （相对湿度）的条件下固化28天，存储在一个自然条件为25 C和55 RH（相对湿度）

9、 的在房间里。测试标本的生产时间是一年左右。测试的混凝土试件尺寸在100mm100mm100mm,150 mm150 mm150 mm或者150 mm150 mm300 mm。100毫米的混凝土块被用来测量多轴强度的测试。基于HSHPC的强度等级和棱镜的能力，每次测试在六个150毫米立方米的标本和六个150毫米150毫米 300毫米的柱状标本上进行。2.2.2 仪器和测试方法高温和多轴机械性能的试验在大连理工大学的国家海岸重点与海洋工程实验室进行。高温测试仪器和多功能三轴试验机器分别如图1和2所示。高温测试的样本为100毫米的立方体，对于每个应力比，至少有6个试件被加热。这100毫米的立方体标

10、本分别被加热到峰值温度200，300，400,500和600摄氏度，升温速率为10 C /分钟（升温速率,10 C /分钟被称为炉温 ）。达到峰值温度之后，维持6小时；电炉的冷却时间约1小时，然后，取出标本自然冷却至室温。这些样本在24小时后用多轴试验机进行测试，在这项研究中，所有标本的表面干燥后才能暴露在高温下。在HSHPC标本在从200 C至600C的温度范围内不断升温的测试过程中，没有观察到爆裂现象。三轴试验是在三轴试验机上进行的，这种三轴试验机可以产生三个独立的压缩或拉伸应力。三轴试验过程是必要的，以确保每个立方试样的尺寸统一。主应力方向应该始终垂直于试样表面。研究采用比例加载模式。放

11、置在压板和试样之间的减磨垫由三层压缩塑料膜构成。混凝土试样的拉伸载荷平面经过减员机处理，样本用结构胶与加载平面胶合起来。三轴压缩状态下的样本以0.3-0.5兆帕/ s的加载速度在3方向进行了测试，但在单轴拉伸状态下以0.03-0.05兆帕/ s的速度在1方向进行。三轴压缩下，经过正常温度和分别为20 ，200 ， 300， 400， 500 ， 600 C的高温作用后，9个不同的应力比接受了测试。主应力表示为123（压缩记为负，拉伸记为正）。对于每一个特定的应力比，至少有三个标本和他们的平均值被用来作为测试结果。在此过程中，显示出明显偏差的结构已经被丢弃。图3分别显示了三轴应力状态下三轴试验机

12、中的加载方向和试样的状态。图1：图2：图3：3.测试结果和讨论3.1实验结果普通的HSHPC在高温后不用应力状态，应力比的三轴应力下的实验结果由表2给出：表 2：温度水平应力比MpaMpaMpa200.00:0.00:11:0.00:0.000.00:1.00:10.10:0.10:10.10:0.27:10.10:0.42:10.10:0.52:10.10:0.77:10.10:1.00:12003004005006003.2失效模式图4显示了多轴应力状态下HSHPC标本的表面恶化的失效模式。从图4很明显可以看出高温对HSHPC的影响没有改变劈裂的失效模式。在图4 （a,b）中，单轴抗压强度

13、负载下的HSHPC样本被分割到多个微型年棱镜（棱镜型失效模式）。正如图4(c,d)所示，双轴压缩下，2和3 4的表面上也有平行板型。此外，随着应力比和温度的升高，裂缝变得更大。如图4（e,f，g）所示，它们是单分裂裂缝，单剪和双剪裂缝的失效模式。这些裂缝是三轴压缩分别加载的随机斜剪的裂缝形状。这也可以被看成剪切型故障单剪和双剪裂缝的失效（方向与3表面的裂纹的角度大约是20 - 30）是三轴压缩下在2的表面上形成的。图4（h，i）分别显示了单轴拉伸载荷下的拉伸失效。开裂方向和应力比之间没有联系。有人注意到，在裂缝装载表面有一个随机的方向，因为粗骨料的影响。上面提到的故障模式表明，提供沿1和2方向

14、的约束压力将改变失效的模式。虽然三轴应力状态下的故障模式是不同的，但失败的原因是，沿着卸载或者减压飞轮的劈拉应变大大超过HSHPC的极限抗拉强度应变。3.3 强度特性如表2和图5所示，很明显，在温度达到200摄氏度和300摄氏度之后，3f /fc的值在应力比=0比1要高；也就是说，相应的单轴抗压强度FCT比FC高（常温）。而这种说法与NSC和HSC分别提述的结论不一致。但是，当所受的温度超过400 ，随着温度的增加会逐步降低；这与HSC的参考结论一致。我们可以从表2和图5（a,b）中看到，在高温200，300， 400， 500和600 C作用后，单轴抗压强度（ 63.96 ， 61.64 ，

15、49.7 ， 35.72 ， 24.9兆帕）分别是原抗压强度在20C （60.16兆帕）时的1.06， 1.02， 0.83 ，0.59和0.41倍。而。但是，单轴拉伸强度（4.81 ， 4.14 ，2.99 ，1.82 ，和1.01兆帕）分别为原来抗拉强度（5.08兆帕）的0.95 ，0.82 ，0.59 ，0.36 ， 0.20倍。上述的讨论表明，与其他温度比较，单轴抗压强度FCT 200 C和300 C后是增加的。但是，单轴抗拉强度fct是逐步随着温度的升高而降低。因此，温度约400 C是极限强度的关键。FC ，FCT分别是正常温度和其他不同温度下有减摩垫的单轴压缩强度。从表2也能看出，

16、双轴3f在相应的应力比 = 2/3 = 1下高于所有温度的。此外，应力比对3f /的影响程度不同温度下是不同的。例如，当2/3等于1.00时，经正常温度20和高温200 ， 300， 400， 500 ， 600作用后，- 3f（ -66.78 ，-67.48 ， -66.69 ，-55.88 ，-42.26 ，-30.65兆帕）的值分别为高温下单轴抗压强度（60.16兆帕）的1.11 ，1.12 ，1.11 ，0.93， 0.70倍和0.51倍。但是，它们是相应的温度作用后单轴强度（ 60.16 ， 63.96 ， 61.64 ， 49.7 ， 35.72和24.9兆帕）的1.11 ， 1.

17、06 ，1.08 ，1.12 ， 1.18和1.23倍。Kupfer博士，高野，米尔斯和齐默尔曼进行了双向混凝土强度试验。Kupfer博士与赫尔穆特的双轴抗压强度测试结果是，当200毫米 200毫米50毫米的标本的刷轴承被用来作为减摩垫压板，单轴抗压强度约1.18至1.27倍。高野山的测试结果是，测试有两个树脂片硅和油脂的100毫米立方样本，当最大负荷力的方向和投射方向平行时，单轴抗压强度约1.25至1.40倍；米尔斯和齐默尔曼的实验结果是，使用含两个树脂片和轴油脂的57.4毫米的立方样本，单轴抗压强度为约1.275到1.568倍。图6的a,b分别显示了HSHPC在不同温度前后的中间应力比 =

18、 2/3三轴抗压强度f和3f （和）单轴抗压强度的比值之间的关系。从图6 a可以看到，最大强度3f对应的间应力比大约是 = 0.50。在相同的温度下，3f的变化依赖于应力比。此外，影响3f变化的应力比曲线约是一个抛物线状曲线。如图6a所示，很明显，600 之后，-3f/fc所有的应力比下的值都高于1。从图6 b可以看到，相同温度下三轴3f比相应的单轴抗压强度高得多。此外，-3f/应力比的影响程度不同温度下是不同的。并且，三轴压缩下逐渐增加的程度远远高于双轴压缩。比如，当2/3是等于0.42或0.52时，在每一个温度三轴压缩强度是最大的。- 3f（ -157.74 ， -155.31 ， -16

19、0.50 ， -148.12 ， -118.77 ， -90.51兆帕）的值在受到正常温度20度和高温200， 300 ，400 ，500和600 C作用后单轴抗压强度（ 60.16兆帕）分别为单轴抗压强度（ 60.16兆帕）的2.62， 2.58 ， 2.67 ， 2.46 ，1.97和1.50倍。不过，在相应的温度下，它的值分别是（60.16 ， 63.96 ， 61.64 ， 49.7 ， 35.72和24.9兆帕）的2.62 ，2.43 ， 2.60， 2.98 ， 3.33和3.63倍。同时，在常温下，论文中-3f/fc增加的比例低于参考文献中的NSC。上述讨论表明，与其他温度相比，

20、单轴抗压强度在200摄氏度和300摄氏度之后增加了；但的值减小了。相应地，HSHPC的刚度比其他高温后要高。因此，双轴压缩下增加的程度除了应力比以外，还依赖于混凝土高温作用后的刚度。高温后混凝土的刚度越大，其双轴压缩下增加的程度越少（注：是不同温度下带有减磨垫的单轴压缩强度）。图 4：不同温度下，多轴应力状态下HSHPC的失效模型因此，通过上述的讨论，它表明，从多轴到单轴，抗压强度逐渐增加的程度依赖于应力比，应力状态和不同温度作用后HSHPC的刚度；在200 C和300之后，单轴抗压强度增加了，并且，刚度很高，但的值减小了。因此，多轴压缩下逐渐增加的程度取决于不同温度和应力比作用后的混凝土刚度

21、。其刚度越大，则增加的倍数越少（论文提出的所谓的“脆性-刚度”在此被定义为“普通HSHPC的强度在不同的温度后增加“）。3.4 失效标准基于表2显示的强度特性的实验结果和失效的包络面理论分析，本论文提出了新的失效标准。提出的拉伸-压缩的公式如下所示： （1）其中，通过表2中混凝土的失效特点的实验结果可以确定这些参数；此外，和可以根据以下公式得到：（2）=， （3）图 5 多轴应力状态下不同温度对的影响：其中是八面体正应力; 和分别是八面体剪应力在不同温度下的拉伸-压缩参数。根据混凝土拉压经络包络面的失效特点得到的参数如下所示：（1）沿着这三个方向（即：），在相等的拉伸负载下，拉伸-压缩力和静态

22、应力是同一个公式，就是：C1=C2=。其中，C是三轴抗拉强度与单轴抗压强度相等的概率；也就是故障包络面和拉伸压缩经络和静水压力轴之间的交叉点的坐标值；和分别表示单轴和三轴拉伸强度；是和的比例系数。（2）随着静水压力的下降，偏平面逐渐变成一个圆的形状（） （5）其中，是静水压力；是偏应力；此外。最大值和最小值分别当时出现。（3）当静水压力逐渐达到最高值时，偏面大约是三角形()方程（1）转化为如下的形式： （7）也就是， （8）经过对实验结果不同强度值的反复计算，如表2所列，偏平面的方程用下面的形式表示： （9）其中，a, 1, 2和C是失效标准的四个参数，需要根据表2和方程7得到的实验数据用合适

23、的方法评估。这四个参数的测定需要借助四个不同应力状态下的数据。目前的实验方案提供的数据对应到四个独特的应力状态：单轴拉伸（ = 0 ）; 单轴压缩（ = 60 ）; 双轴等值压缩（ 2 = 3 ， = 0 ）和三轴压缩（ 1 = 2 3 ， = 60 ）。对于这四个参数a，1 ，2 和c，表3给出了不同温度下的计算结果。使用表3中关于不同温度下HSHPC参数值的回归分析，得到下面的公式（20 CT 600 C）： （10）图 7 给出了方程8到10的比较和测试值。从中可以看到高温之后，三轴压缩下HSHPC在主应力平面的失效模式具有更好的精度和适用性。图 6：4. 讨论混凝土在微观尺度上的是由三

24、个阶段组成的复合材料：胶结部分，聚合部分，以及这两种成分的过渡区域。由于干燥和聚合粒子和水泥部分的热收缩不匹配，微裂纹将形成。温度的变化会导致微观结构的不同。普通混凝土在不同温度下三轴表现发生变化的主要原因是高温中裂纹的形成和生长。裂纹主要存在于混凝土内水泥的黏贴聚合界面上，这些聚合界面甚至比之负载和环境的影响还要严重。HSHPC强度的轻微增加与温度的急剧上升（在200 C和300之间）有关系，归因于一般的硬化水泥凝胶,或因被吸收的水分的消失而造成的凝胶粒子之间增加的表面应力。在该温度下吸收的水将会消除，取决于混凝土的孔隙率，强度开始增加。温度超过400，HSHPC开始迅速失去强度。在这些温度

25、下，水泥浆体脱水导致其逐步解体，这导致周围的混凝土张紧。如果拉伸应力超过混凝土的抗拉强度，微裂纹就会发生。随着裂纹的生成和扩展，承载面积将会减少。另一方面，考虑承受三轴应力的混凝土，每个新生裂纹的增长扩展将减少承载面积。面积的减少会导致关键裂纹尖端的应力集中的增强。因此，普通混凝土的抗压强度随着温度增加而逐渐减少。在温度400 C以上，这种效果能够明显的观察到。当温度为400至600C之间，就会分解; 高于600 ，结构损伤会受到碳酸钙分解的影响。这种现象发生的原因是损伤越大，元素的压缩越少。图 7：5. 结论根据对实验成果和测试结果的分析，可以得出以下结论：(1) 在100毫米的HSHPC立

26、方样本上进行从200 C至600C的温度范围的高温测试时，没有观察到爆裂现象。（2） 高温对普通混凝土HSHPC的影响未改变失效模式。HSHPC在单轴，双轴和三轴压缩的状态下，受高温作用前后，其失效模式分别是棱镜型，平行板型和斜剪形。但是，单轴拉伸状态下的失效模式是张力失效。对应力进行限制，可以改变失效模式。（3）所有的压力比下，HSHPC的多轴压缩极限强度（特别是三轴压缩）在相同温度下高于相应的单轴压缩强度，但低于双向拉伸压缩下的。普通HSHPC的单轴抗压强度在200和300C之间没有下降。HSHPC标本在200和300C之间的刚度高于400C以上的刚度。400 C左右的温度是迅速下降的极限

27、强度的关键温度。三轴、单轴抗压强度逐渐增加的程度取决于应力状态，应力比和不同温度后HSHPC的刚度。（4）关于普通HSHPC，研究者提出了在多轴应力状态下，一个带有温度参数的新失效标准。参考资料：1 Metin Husem, The effects of high temperature on compressive and flexural strengths of ordinary and high-performance concrete, Fire Safety Journal 41 (2) (2006) 155163.2 Metin Husem, Serhat Gozutok, Th

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