不同加载速率对混凝土变角剪切的影响

陈旭鹏

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

1 试验材料与方案

1.1 试验材料与配合比

1)水泥：采用安徽省淮南市某水泥厂生产的P.O 42.5硅酸盐水泥，其各项指标完全符合《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)中规定的标准

2)粉煤灰：采用的是二级粉煤灰，含钙量和需水量均偏小，氯离子的含量≤0.02%。

3)细骨料：采用的是细度模数为1.84的细砂以及细度模数约为4.5的陶砂。

4)粗骨料：采用的是5～10 mm的石灰石和粒径≤15 mm的陶粒。

5)减水剂：高性能减水剂，减水率≥25%，各项指标均符合《混凝土外加剂》(GB9076—2008)中的规定。

6)玄武岩纤维：本实验采用的为短切玄武岩纤维，产地为淮南某纤维有限公司，长度为12 mm。纤维的各项指标如表1所示。

表1 玄武岩纤维的性能指标

7)玻化微珠：河南某建材公司生产的憎水型玻化微珠，性能指标见表2。

表2 玻化微珠的性能指标

7)植物纤维：本实验采用的是木质素纤维，原产地为淮南某纤维有限公司。

1.2 混凝土配合比(见表3)

表3 混凝土配合比 单位：kg·m-3

1.3 实验方法

本次实验为变角剪切实验，可以通过改变夹具的角度来改变剪切的角度，并可以以此实现对正应力与剪应力的调整与变动，试验加载的方式见图1。

图1 试件加载方式

试验时，分别选取34°，42°，50°，58°，66°五个剪切角度来进行变角实验，每个角度分别以1、3、5、7 mm/min的加载速率进行剪切，每种速率下的标准试件为3个，故每个角度的试验试件为12个，一共60个试件。试验试件如图2所示。

图2 试验试件

2 试验结果分析

2.1 试验结果

将夹具调整到角度分别为34°、42°、50°、58°、66°。分别以1、3、5、7 mm/min的加载速率进行加载，直到加载到试件破坏为止，得到如表4所示的的试验结果。

表4 变角剪切试验结果

因为变角度剪切试验中，水平面和剪切面存在着夹角α，所以可以将试件中的最大压力分解为正应力σ以及剪应力τ[1]，如图3所示。

根据规范《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561.2-2009)可以得到单个标准试件剪切面上破坏的正应力σ和剪应力τ分别为：

σ=(p/s)×cosα

τ=(p/s)×sinα

式中，σ为正应力，MPa；τ为切应力，MPa；P为试件达到断裂并破坏的峰值荷载，N；S为试件剪切面的表面积，mm2；α为试件的剪切面与水平面之间的夹角，(°)。

图3 试件正应力及剪应力

根据上述公式对试验结果进行一系列的处理，每组数据取其平均值得到每个角度在不同速率下的的正应力以及切应力，见表5～9。

表5 剪切角度为34°的应力

表6 剪切角度为42°的应力

表7 剪切角度为50°的应力

表8 剪切角度为58°的应力

表9 剪切角度为66°的应力

2.2 同一角度不同速率应力变化规律分析

同一角度不同速率应力变化见图4～8。从图4～8可知，剪切角度从34°变化到66°时，随着加载速率的增加正应力和剪应力呈现出先上升后下降的趋势，并且当加载速率为5 mm/min时，正应力和剪应力为最大值。

图4 剪切角度为34°应力大小

图5 剪切角度为42°应力大小

图6 剪切角度为50°应力大小

图7 剪切角度为58°应力大小

图8 剪切角度为66°应力大小

2.3 同一速率不同角度应力变化情况

同一速率不同角度应力变化见表10～13和图9～12。

表10 加载速率为1 mm/min的应力

表11 加载速率为3 mm/min的应力

表12 加载速率为5 mm/min的应力

表13 加载速率为7 mm/min的应力

图9 加载速率为1 mm/min应力大小

图10 加载速率为3 mm/min应力大小

图11 加载速率为5 mm/min应力大小

图12 加载速率为7 mm/min应力大小

由图9～12所知当加载速率一定时，试件的正应力随着剪切角度的增加而减少，而试件的剪应力随着剪切角度的增加呈现出先增加后减少的趋势，当剪切角度比较小的时候，当剪切角度越靠近45°时，剪应力越大。此外，当剪切角度在40°～50°时，在混凝土试块发生破坏的时候正应力和剪应力相差不大，都在20 MPa左右上下徘徊，当剪切角度较大时，发生在66°时，混凝土表面剪切力学性能迅速增强，发生破坏时正应力大约在15 MPa左右，剪应力大约为6 MPa[2]。

3 结 论

1)当剪切的角度一定时，随着加载速率的提升，正应力和剪应力大小呈现出先增加后减小的趋势。

2)当加载速率一定时，随着剪切角度的增加，正应力逐渐减小，而剪应力呈现出先增加后减少的趋势，并且当剪切角度越是靠近近45°时，剪应力越大。

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