摘要:研究了页岩陶拉与碎石按不同体积比混合配制的各组混凝土，在不同龄期时的应力-应变全曲线，并经过无量纲化处理分析。结果表明，混合骨料混凝土的应力-应变全曲线方程宜来用分段曲线的形式，其中上升段可采用与现行规范中普通混凝土相同的形式，但系数不同。对于同水灰比的各组混凝土，随陶粒掺量的增加，混凝土峰值应力几乎呈线性趋势降低，而其峰值应变则变化不大;随龄期的增长，峰值应力均增长，而峰值应变却有所降低。
关键词: 页岩陶粒; 应力-应变全曲线;峰值应力
中图分类号: TＵ528.2 文献标志码: A 文章编号:1671－4431(2007)07－0018－04
混凝土的单轴受压应力-应变全曲线是其力学性能的综合性宏观反应，是研究混凝土结构承载力和变形的主要依据。国内外许多学者已经对普通混凝土和高强混凝土的应力-应变全曲线开展了大量的研究〔1-2〕，得出高强混凝土与普通混凝土相比，其应力-应变全曲线上升段更接近于直线，相应于最大应力处的应变值增大，下降段更陡的结论。对于轻骨料混凝土的应力-应变全曲线国内外也做了很多试验工作[3-5]，发现在同等峰值应力情况下，轻骨料混凝土的峰值应变要大于普通混凝土的峰值应变。而对于以轻骨料替代部分普通骨料配制的混合骨料混凝土应力-应变全曲线的研究还是空白，因此系统地研究陶粒与碎石以不同体积比混合配制的混凝土在不同龄期时的应力-应变全曲线，并与同水灰比的普通混凝土和轻骨料混凝土进行比较，对于结构设计具有重要的意义，以期为混合骨料混凝土的应用提供基本的本构关系。
1 实验
1.1 原材料
试验用哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌PO42.5水泥。哈尔滨第三发电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。哈尔滨宾县生产的普通型页岩陶粒，最大粒径16mm ，1h吸水率5.6%，筒压强度6.4MPa。5-20mm连续级配的石灰岩碎石，视密度2643kg/m3。细度模数2.9、含泥量1.05%、体积密度2610kg/m3级配合理的中砂。唐山产UNF-5高效减水剂和上海产SJ-2型引气剂。各种原材料性能指标均满足标准要求。
1.2 方案
1.2.1 配合比
试验配合比以普通混凝土配合比为基准配合比，其控制参数为:水灰比0.29，粉煤灰掺量15%，超量取代系数1.3，调整减水剂和引气剂的掺量，控制混凝土拌合物坍落度为30-50mm，含气量为(5土0.5)%。在基准配合比基础上分别用不同比例(0、25%、50%、75%、10%)的宾县普通型页岩陶粒取代相同体积的碎石配制试验用各组混凝土，编号分别为B印、BP25、BP50、BF75、BP100。
1.2.2 方案
试件尺寸为100mm×l00mm ×300mm ，试验标距为200mm，试验在YES200普通液压试验机上进行，并附加2台刚度较大的刚性元件来承担部分荷载，以提高加载系统的整体刚度，同时对于强度较高的BFC组试件，下降段采用多次重复加卸载的方法，以便测出应力-应变全曲线的下降段，加载应变速率保持在5件/s。试验采用位移计测量混凝土的轴向变形，通过拉压传感器和位移计将荷载和纵向变形转化为电信号，并用X-Y函数记录仪进行数据采集。
2 结果及分析
2.1 现象
对于陶粒掺量较多的混凝土试件BP50、BP75和BP100，加载至试件极限荷载的90%左右，试件表面开始出现平行于受力方向的微细裂纹，裂缝数量基本没有增长;对于陶粒掺量较少的试件BP0和BP25，当荷载达到峰值应力或超过峰值应力时，裂缝数量则迅速增加，且裂缝宽度也增大，峰点过后，很快出现平行于荷载方向的可见裂缝，试件内部劈裂声更加明显，随后形成斜裂缝并迅速发展，贯通整个截面，大多数试件断裂成若干分离的小柱而导致整体试件的最后破坏。
从断面的破坏形式来看，未掺陶粒的混凝土BFD基本上属于斜面剪切破坏形态，随陶粒掺量的增加，破坏则由斜截面剪切转为纵向劈裂。
2.2 结果
2.2.1 全曲线分析
对每组3个试件的曲线取平均值得到5组陶粒与碎石不同体积比混合配制的混凝土应力-应变全曲线，图1为分别养护至28 d和150d时的应力-应变全曲线最终汇总结果。
从图1中可以明显看出如下特征。1)随陶粒掺量的增加，曲线上升段的斜率依次变小，表示配制的混凝土弹性模量依次降低。这是由于轻骨料自身的弹性模量较低，刚性小，抑制水泥石基体应变的能力弱的缘故。2)随着陶粒掺量的增加，曲线下降段的坡度变得越缓，这一方面是由于陶粒的掺人使得混凝土的强度有所降低，而强度的大小又是决定曲线下降段形状的最重要的因素;另一方面，当试件所承受的荷载超过峰值应力时，由初始裂缝形成的可见裂缝发生并不断被新的贯穿裂缝分割直至形成主要贯通裂缝，这一形成过程中许多应力集中使得混凝土破坏速度加快，而弹性模量较低的轻骨料的掺人延缓了这种现象的发生。3)随着混凝土养护龄期的增长，各组混凝土的上升段更接近于直线，下降段更陡，峰值应力均增长，而峰值应变却有所降低。不过150d龄期时各条曲线随陶粒掺量的变化规律与28 d的类似。
2.2.2 峰值点分析
从图2和图3中可以看出随着陶粒掺量的增加，混凝土的峰值应力几乎呈线性趋势降低，这与其强度变化规律类似，主要是由于陶粒自身的颗粒强度较低，低于水泥石的强度，陶粒掺量的增加，使得混凝土中易破坏的薄弱环节增多的缘故。其峰值应变随着陶粒掺量的增加略微降低，这是由于轻骨料混凝土的峰值应变比相同强度等级的普通混凝土大，且峰值应变随强度等级的提高而有所增大[5]，所以随着陶粒掺量的增加，一方面由于轻骨料的掺人使得其配制的混凝土峰值应变增加，而另一方面其带来的混凝土强度降低又导致应变变小，两方面的综合作用使得混合骨料混凝土的峰值应变与同水灰比的普通混凝土与轻骨料混凝土相比变化不大。
随着龄期的增长，各组混凝土的峰值应力都增长，而峰值应变却有所下降。这是由于水泥水化程度的提高和本试验的各组混凝土均掺加了粉煤灰，粉煤灰的二次水化效应使得后期水泥石结构更加致密，强度逐渐增长，峰值应力增加;而水化产物的充分填充也使得水泥石总孔隙率变小，脆性变大，所以峰值应变均有所降低。
2.2.3 数据拟合
对试验的所有曲线无量纲化，无量纲坐标用x＝ε/εc，y=σ/σc表示，得到的典型曲线如图4所示。
上升段采用过镇海等提出的数学表达式模型(2)进行拟合，无量纲化以后各组混凝土上升段的试验点差异不大，因此可对所有试验点用一条曲线拟合，拟合后的参数A为1.2143，方程式为
y= 1 .2143x + 0.5714x 2 －0 .7857x 3 (1)
曲线与试验点吻合良好，其相关系数R2为0.9871。
对于曲线下降段目前较为常用的形式是有理式，通过对试验结果的分析，当1≤x≤1.2时，各曲线方程也采用三次多项式(3)和试验结果较吻合;当1.2≤x≤5.0时，采用公式(4)来对各组混凝土应力-应变关系进行Sigmoidal有理函数形式的数值逼近。拟合后的曲线见图5，系数见表1。
从图5中可以看出，各段的试验结果与拟合曲线均吻合良好，其相关系数R2≥0.915。并且当陶粒掺量不少于50%时，配制的各组混凝土应力-应变全曲线基本不受龄期的影响。
3 结论
a. 混合骨料混凝土的应力-应变全曲线方程宜采用分段曲线的形式，其中上升段仍可采用与GB50010-2002中普通混凝土全曲线相同的形式，但其中系数不同。
b. 对于同水灰比的各组混凝土，随陶粒掺量的增加，混凝土应力-应变全曲线的上升段斜率变小，下降段的坡度变缓，峰值应力几乎呈线性趋势降低，而其峰值应变则变化不大;随龄期的增长，各组混凝土的上升段更接近于直线，下降段更陡，峰值应力均增长，而峰值应变却有所降低。
c. 对于同强度等级的各组混凝土，当陶粒掺量较多时，其应力-应变全曲线基本不受龄期的影响。
