超高性能混凝土(UHPC)三轴试验室变形过程的计量记录

1. 介绍

超高性能混凝土(UHPC)是一种结构致密的新型混凝土结构,强度高达250n/mm2,与钢相似。它的强度是普通混凝土的十倍。

与普通混凝土相比,其特点是具有显著较低的固有重量和“开放式结构”。这种结构比普通混凝土结构更容易受到动态激励和疲劳荷载的影响。

在UHPC结构中,主要的单轴应力发生在杆形构件中,而多轴应力发生在紧凑构件中,德国研究基金会(DFG)支持的一个研究项目希望通过分析和实验,对UHPC在单轴和三轴载荷下的疲劳行为进行研究。

具有多项异性损伤的UHPC三维力学模型的参数一般通过主子午线试验(旋转对称应力和变形状态)来确定。

2. UHPC的三维力学模型

2.1. 基础

用有限元程序对混凝土和钢筋混凝土支护结构进行数值分析需要合适的力学模型,该模型能真实地描述材料的非线性响应、渐进裂纹的形成和损伤以及潜在的破坏状态。

标准强度混凝土非线性材料响应数学描述模型的详细概述见 [Grünberg/Göhlmann-2005].

断裂包络线通常被几何描述为不变量 I1, J2 和 J3 的函数[Chen-1982]。 I1表示静水压应力状态,而J2和J3表示应力偏差的分量。

通常采用 Haigh-Westergaard 坐标 ξ、ρ  和 θ 公式来表达。任何应力状态σ由静水压应力分量ξ、偏应力ρ和偏转角θ来描述(见图1)。

2.2. UHPC三相模型

传统的失效模型对超高性能混凝土的应用有限。这就是为什么三相模型被用于UHPC【Grünberg et al.-2007】。在该模型中,脆性和韧性材料的响应都由主子午线的特征曲线来描述,特别是断裂包络线的压向子午线。

在单轴荷载作用下,超高性能混凝土在拉压作用下均表现为脆性破坏。添加纤维不会改变这一特性。可以预期,这种脆性将极大地改变拉向和压向子午线曲线。为了建立多轴加载下具有各向异性损伤的超高压混凝土的三维力学模型,有必要了解这些压缩和拉伸子午线曲线(见图1,右图)。

 

图1:Haigh-Westergaard坐标(顶部)中显示的断裂包络线和主子午线截面中UHPC的三相模型

主子午线应力状态对于已开发的三相模型特别有用。这些应力状态主要是轴向压缩载荷和旋转对称横向应力状态。

为了确定必要的参数,汉诺威莱布尼茨大学的für Massivbau研究所(混凝土建筑研究所)正在进行静态以及动态单轴和三轴试验研究。

3. 实验研究

3.1. 压向子午线试验

压向子午线对应用特别重要,因为这是与建筑实践相关的应力比的位置。在三轴试验室中研究了低静水压载荷与轴向高压载荷叠加产生的应力比。这些研究的应力比是在压向子午线上获得的,因此高于单轴强度。在混凝土中,即使是较低的横向压力荷载也会导致轴向承载强度的明显提高。

研究在圆柱形UHPC试样(直径=60 mm)上进行。采用∅(h=180mm,DFG优先项目1182“UHPC可持续建筑”[Schmidt-2008]中的“M2Q混合物”)。在比较单轴研究中,达到了fcm=198 MPa的强度。

3.2. 三轴试验室和设备

三轴试验室已经多次用于测定混凝土的静态多轴强度[Dahl-1992],[Rogge-2002]。但到目前为止,更重要的应用领域是岩土工程和岩石力学。这种试验装置的优点是,横向压力载荷以液压方式施加在试样上,而不阻止轴向变形。

这里的动态研究需要特殊的密封系统和试样相位同步加载特殊控制系统。DBTA60-100-RT-DYN三轴试验室(图2)是与制造商合作开发的,设计用于最高5赫兹的动态载荷。

图2:DBTA60-100-RT-DYN动三轴试验装置

压力装置通过一个上封盖的阶梯式密封件,靠着上压印进行密封。轴向力由现有通用加载装置 - 1 MN圆柱体施加。横向压力由伺服液压试验装置直接产生,并由Walter&Bai公司的pcs8000多通道控制装置驱动,相位与5赫兹加载频率同步。3mm厚的丁腈橡胶样品套管保护UHPC试样不受油的影响。

由于液压室非常大,也可以将附加测量技术直接放置在试样上(见第3.2.3节)。

测量信号可通过8根4线电气引线从压力装置中取出。测试单元设计用于最高1000 bar的油压。借助特殊的铝填料,可以将单元中的油量从约8升减少到约1.5升,这样也可以在横向上实现“适当”的正弦加载。

3.2.1. 试验台和测量采集

三轴试验室安装在现有的伺服液压试验台上(图3),集成到新的控制系统中,并连接到放大器。

将制造商的单个组件(三轴试验室、液压控制和测量技术)集成到具有简单试验顺序的试验台中,是汉诺威莱布尼茨大学混凝土施工研究所内部开发完成的。

图3:试验台上的三轴试验室

一些测量通道也与控制有关。因此,有必要首先用PCS-8000控制系统记录这些通道(气缸压力、LVDT、周向伸长计),然后在相同的控制时间(0.125 ms)内,再次通过模拟输出模块(0-10 V)将它们传输到放大器。压力变送器(横向压力)和激光距离传感器不需要传输,因为两个系统的电压信号可以并行测量。

为了能够记录足够数量的测量通道,使用了三个 HBM QuantumX MX840B 通用放大器,总共24个可用测量通道。该放大器支持载波频率(CF)全桥激励,因此可以防止电磁干扰。测量数据采用 HBM 数据采集软件 catman Easy 进行记录和可视化。

5Hz的加载频率下,选择200s/S的信道数据速率,用Bessel/20hz进行实时滤波,使控制系统获得平滑的信号。此采样率能够记录记录测试峰值,进行长期测试(多达15亿个负载循环)。测量数据可采用不同的格式(bin、ASCII)输出。

图4显示了三轴试验室、仪器和控制系统的试验装置图,包括测量和采集。

图4:系统概述:三轴试验室、仪器、控制系统和放大器

有关所用仪器及其特殊性能的更多详细信息,请参见下文。

3.2.2. 三轴试验室外测量技术

Walter&Bai公司生产的PZ-d1000/600伺服液压试验缸,用于轴向加载,活塞最大行程为250mm,可施加1mn的载荷。气缸位移由 HBM WA 200 位移传感器 记录,测量范围为±200 mm。圆筒和球形帽之间的力由测量范围为±1000 kN 力传感器测量。

图5:三轴试验室外的测量技术

P2VA1压力传感器(D-1)从压力室上部区域的外部拧入三轴试验室,记录油压(高达1000 bar)并返回电压信号(0.5-10伏)。在一些试验中,在下单元入口使用了一个额外的P5MA绝对压力传感器(D-2),测量范围高达500bar。该测量信号由 QuantumX 放大器直接采集。一方面,这意味着可以监控压力传感器的测量信号(冗余),另一方面,可以使用第二个压力传感器检查动态加载期间压力室内是否发生相移。

三个激光测距传感器(L−1至L−3)记录了带有完整三轴试验室的试验台与球形圆柱盖之间的距离。使用的传感器的测量范围在16到26 mm之间,分辨率为5µm,并返回此范围的电压信号(0-10 V)。激光测距传感器的优点,特别是在动态研究中,是它们没有任何机械部件,因此也可以承受大量的负载循环而不磨损。激光测距仪测得的变形量不仅包括试件的纯变形量,还包括上、下压印的变形量,以及启动时的非线性效应。

为了排除这种额外的,有时是非线性变形,传感器必须直接放在试样上,也就是在油中。

3.2.3. 三轴试验室内测量技术

直接在试样上测量纵向和横向应变,使用试样筒中心的周向引伸计和三个差动变压器,每个变压器偏移120°。

记录变形过程的另一种方法是使用应变片(SG),应用于UHPC试样。这里的特殊要求是,应变片需要直接暴露在高达1000 bar 的环境压力下。

位移传感器

三个LVDT(LVDT–1至LVDT–3)的夹紧装置可在非常靠近试样的位置测量试样的轴向变形。LVDT可在高达1000bar.的油压下使用,测量范围为±5毫米。夹紧环靠近试样,并且在超过测量范围的情况下,以120°的增量为柱塞提供一个磁性保持器,以保护LVDT(见图6,左侧)。

图6:三轴试验室和仪器的内部设置

周向引伸计

周向引伸计可测量圆柱形混凝土样品周长的变化。引伸计通过高精度的特殊滚子链直接连接到样品上。整个装置由整体式弹簧自动固定。

零点很容易通过机械调整螺钉来调整。夹子的测量范围为12 mm(-2 mm至+10 mm),其测量原理基于应变全桥。如果试样突然断裂,分离装置可防止引伸计损坏。

为了防止测量结果被弹性MBR样品套管影响,需要使用非常薄的透明氟聚合物热缩管进行试验,并在试样的中心区域使用周向引伸计(见图6,右图)。

应变计

尽管前面描述的测量方法都是对样品整个周长和高度的整体测量,但应变篇可用于观察变形的局部状况。这里值得注意的是,当使用应变片时,试样的制备要花费更多的时间和成本。

这里使用HBM的LY41-20/120应变计,测量栅丝长度为20 mm。在表面稍微粗糙和清洁后,用X60粘合剂将其涂抹在混凝土上。也使用焊接端子(LS 5),因为当试样插入MBR套管时,连接电缆将承受更大的负载。根据需要,可垂直(SG-l)和水平(SG-t)放置多达三个应变计。连接电缆在样品套管内运行,并到达套管顶端的油室(图7)。

在试验过程中,两个应变计都被周围循环的油均匀加热。初步试验表明,横向压力对测量值的影响很小。在静态试验中,应变计测量工作非常可靠,但在动态横向压力载荷下,应变计故障的数量越来越多(见第3.2.5节),这是由靠近表面、应变计下方以前不可见的微小空隙(见图7,右图)引起的。

图7:使用应变计的试样

温度传感器

使用一个密封的Pt100传感器来记录压力室内的油温。动态载荷使压力室中的油加热至约50°C。另一个Pt100传感器记录了试验装置中三轴试验室旁边的环境温度。Pt100传感器通过半桥方式以连接放大器。

3.2.4. 静态试验结果

静态测试遵循相同的模式。在第一步中,静水压应力状态增加,直到达到所需的横向压力(此处为200 bar=20 N/mm²),气缸恒定的前进速度进行轴向加载,直到断裂(此处为287.1 N/mm²)。随时间变化的轴向应力和横向压力如图8所示。

图8:轴向和横向应力曲线

试验台初始安装后,使用平行安装的应变计(沿和横向)、LVDT、周向引伸计和激光距离传感器进行了广泛的试验。图9(左)显示了由UHPC试样上的应变计确定的轴向和横向应变。作为比较,请查看图9右侧由LVDT确定的轴向应变和由周向引伸计确定的横向应变。

图9:应变计(左)和LVDT(右)的应变曲线

两种测量方法在断裂处产生几乎相同的轴向应力(εB≈6.80/00)。对于LVDTs,初始静水荷载加载后,有一个非常明显,小的非线性启动效应。这是由于上下荷载压施加在试样上造成的。应变计只记录试样的应变。

用激光测距传感器(图10)测量试验台和轴向圆柱的受力板之间的变形,包含了试验装置的多种影响效应。包括钢荷载加载的弹性模量和试验装置的线性变形模量,以及非线性启动效应的模量。

图10:通过激光测距传感器测量变形

3.2.5. 动态试验结果

在动态加载期间不,直接在试样上记录变形过程的唯一方法是使用应变计。问题在于,在这些试验中,应变计会随着载荷循环次数的增加而失效。

参考量是静态、三轴应力下的特定断裂载荷。图11显示了最大应力为55%的试验中,在21558次加载循环后直至断裂的循环次数内,每个加载循环的最小和最大应变。通过垂直线(测量值“-8‰”)可识别中间故障。SG-1表示横向应变,而SG-2和SG-3表示轴向应变。

如果您查看横向应变,可以注意到,在这里,高达约3500个负载循环(第1点)的应变与预期曲线匹配,没有出现故障(约为轴向应变的20%)。这些值随后“漂移”,应变差保持不变。在仅仅5000次加载循环后,应变计最终失效。

图11:动态加载期间的应变计测量值

SG-2返回实际测量值,最多约13000个负载循环(点2)。SG-3在最小应力下的应变值与SG-2的应变值相当,高达约5000个载荷循环(第3点)。SG-3在最小应力(试样的最小压缩)下没有返回进一步的测量值,而相同的应变计在最大压缩下返回合理的值,直到断裂。

一旦应变计失效,三轴试验室外的激光距离传感器将提供动态试验中剩余的最后测量值。

在它们的曲线(图12)中可以辨认出混凝土在疲劳荷载下变形的特征发展过程。

图12:动态加载期间激光测距传感器的变形测量

4. 总结与展望

使用上述“三轴单元”试验台,可以确定静态和动态荷载的三轴强度。

三轴试验室充油压力室内传感器的使用对测量技术提出了更高的要求。通过使用特殊的感应位移传感器(LVDT)和周向伸长计,可以直接在UHPC试样上测定静载荷下的变形。这些变形通过直接施加在试样上的应变计进行验证。对于主要的测试系列,这节省了成本(应变计的材料成本)和准备试样(连接应变计)的时间。

问题是在动态研究中用计量学方法记录变形的发展过程。这里只能使用应变计。在应变计表面垂直施加的反复动态载荷将应变计推入混凝土中的微小空隙中。这最终会导致应变计过早失效。安装在试验室外的激光测距传感器记录了变形发展的特征曲线。

三轴试验表明,所建立的三相模型较好地描述了裂缝包络线的压向子午线。与单轴加载下的脆性特性相比,横向压力加载在超高性能混凝土中产生更具韧性的材料响应。

关于正在进行的三轴动力调查以及由此开发的Wöhler线的详细报告将在第三届fib大会上给出[Ertel/Grünberg-2010]。

致谢和参考

致谢

该研究由德国研究基金会(DFG)“UHPC可持续建筑”  1182项目资助。

参考

[Chen-1982] Chen, W. F.:Plasticity in Reinforced Concrete. McGraw-Hill, New York, 1982.

[Dahl-1992] Dahl, Karre K. B.; The Calibration and Use of Triaxial Cell, Danmarks Tekniske Hojskole, 1992

[Düsterloh 2007] Düsterloh, U.: Triaxiale Kompressionsversuche an UHPC-Beton, Bericht (unveröffentlicht), Institut für Aufbereitung und Deponietechnik, Professur für Deponietechnik und Geomechanik, Technische Universität Clausthal, 2007

[Ertel/Grünberg-2010] Ertel, Chr.; Grünberg, J.: “Triaxial Fatigue Behaviour of Ultra High Performance Concrete”; 3rd fib International Congress; May 29 – June 2, 2010, Washington, D.C. (accepted)

[Grünberg/Göhlmann-2005] Grünberg, J.; Göhlmann, J.: Versagensmodelle für Beton unter monotoner Beanspruchung und Ermüdung. Bauingenieur, Band 80. März 2005

[Grünberg et al. 2007] Grünberg, J., Lohaus, L., Ertel, C. Wefer, M.: Mehraxiales mechanisches Ermüdungsmodell von Ultra-Hochfestem Beton – Experimentelle und analytische Untersuchungen, Beton- und Stahlbetonbau, Heft 6, 2007

[Grünberg et al. 2008] Grünberg, J., Lohaus, L., Ertel, C. Wefer, M.: Multi-Axial and Fatigue Behaviour of ultra–high–performance concrete (UHPC), Proceedings of the 2nd International Symposium on Ultra-High Performance Concrete, 05.-07.03.2008, Kassel

[Kupfer-1973] Kupfer, H.: Das Verhalten des Betons unter mehraxialer Kurzzeitbelastung unter besonderer Berücksichtigung der zweiaxialen Beanspruchung. DAfStb, Heft 229, Ernst & Sohn, Berlin, 1973.

[Rogge-2002] Rogge, Andreas; Materialverhalten von Beton unter mehraxialer Beanspruchung, Dissertation, Lehrstuhl für Massivbau, TU München, 2002.

[Schmidt-2008] Sachstandsbericht Ultrahochfester Beton, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 561, Beuth, 2008

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