低溫混凝土沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究
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1試件尺寸的選擇及模具的設(shè)計(jì)與制作
1．1試件尺寸的選擇
混凝土是由粗細(xì)骨料、膠凝材料、水、外加劑及摻和料組成的人造混合材料。由于混凝土材料的特殊性，研究其在強(qiáng)沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能通常采用大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)裝置。本試驗(yàn)采用安徽理工大學(xué)Φ74mm直椎變截面SHPB。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)，利用大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)裝置研究材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，試件的長徑比宜為L／D＝0．4～1［3－4］。本實(shí)驗(yàn)選用試件尺寸為Φ74mm×37mm。
1．2模具的設(shè)計(jì)與制作
由于混凝土拌合物狀態(tài)的可塑性，硬化后強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)，利用Φ75mmSHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行混凝土力學(xué)性能研究試件的制作采用鉆機(jī)取芯的方法，要求鉆頭的尺寸和試件尺寸一致，成本較高。為保證試件尺寸的統(tǒng)一，自行設(shè)計(jì)兩片式定型組合鋼模。
低溫混凝土的力學(xué)性能與常溫混凝土相比有很大的不同，其性能受很多因素的影響，主要有原材料的物理性質(zhì)（如水泥的品種、骨料的種類、級配等）、配合比、含水量、養(yǎng)護(hù)條件等。考慮到低溫混凝土材料實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性，進(jìn)行了C30、C40、C50三個(gè)強(qiáng)度不同強(qiáng)度等級，4個(gè)低溫養(yǎng)護(hù)條件的混凝土配合比設(shè)計(jì)。
2．1原材料的基本物理性質(zhì)
該試驗(yàn)拌制混凝土所用材料有水泥、砂、石、水和早強(qiáng)型防凍劑。其中水泥采用淮南市八公山水泥廠的42．5級P．O；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)為2．7，顆粒級配良好，含水為5．5％；粗骨料：人工碎石（瓜子片）（公稱粒徑5～15mm，連續(xù)級配），含水1％；水：自來水；外加劑：CN－3早強(qiáng)型防凍劑（其摻量以水泥質(zhì)量的百分比計(jì)算）。以上材料質(zhì)量均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
2．2配合比設(shè)計(jì)
分別進(jìn)行了C30、C40、50三個(gè)強(qiáng)度等級混凝土的配合比設(shè)計(jì)。混凝土的拌合物狀態(tài)的和易性及其強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。按確定的配合比稱量材料，其中材料的計(jì)量誤差均符合有關(guān)規(guī)定，機(jī)械攪拌，裝入設(shè)計(jì)模具，確保混凝土的入模溫度，機(jī)械振搗密實(shí)，制作試塊。
3試塊制作與低溫養(yǎng)護(hù)制度
混凝土的低溫養(yǎng)護(hù)條件有恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)和變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，選擇了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱）和恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)（其中養(yǎng)護(hù)溫度有0℃、－5℃、－10℃和－15℃。混凝土試塊制作成型后，低溫養(yǎng)護(hù)24h后拆模，然后放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行負(fù)溫養(yǎng)護(hù)，其中低溫箱的溫度控制為－30℃～＋30℃，溫度測試精度為±1℃。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。把試件取出用電動(dòng)打磨機(jī)進(jìn)行兩端面的打磨（確保試塊兩端面的平整，使試塊兩端面的不平整度控制在0．02mm以內(nèi)）。然后繼續(xù)放入相應(yīng)低溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24h后取出進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。
4沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
沖擊試驗(yàn)時(shí)低溫環(huán)境的保障：低溫環(huán)境條件下混凝土的力學(xué)性能要求混凝土試件的溫度以及周圍環(huán)境的溫度在試驗(yàn)過程中保持恒定。由于混凝土是熱惰性材料，在試驗(yàn)過程中將試件和空氣接觸部分用石棉包住，從而盡可能得減少混凝土試件內(nèi)部的熱損失，確保混凝土試件保持在相對封閉的低溫環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中溫度保持在有效范圍。我們對石棉內(nèi)試塊的溫度進(jìn)行了測量，能滿足試驗(yàn)所需要的溫度精度要求。本實(shí)驗(yàn)主要研究低溫混凝土在不同低溫養(yǎng)護(hù)條件下相同實(shí)驗(yàn)條件下的溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)。在Φ74mmSHPB直椎變截面鋼桿系統(tǒng)上，分別對C30、C40和C50三個(gè)強(qiáng)度等級，五個(gè)養(yǎng)護(hù)條件（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、0℃、－5℃、－10℃和－15℃）共180個(gè)試塊進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。由于動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)離散性大，為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，同強(qiáng)度等級同一養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試塊，分別進(jìn)行4沖擊氣壓，每個(gè)氣壓3個(gè)試塊進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，從而研究低溫混凝土的動(dòng)態(tài)沖擊壓縮力學(xué)特性。低溫混凝土的材料組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)條件等有其自己的特點(diǎn)，其力學(xué)性能也和普通混凝土都很大的不同。利用安徽理工大學(xué)Ф74直椎變截面SHPB鋼桿系統(tǒng)研究低溫混凝土在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分別從試件尺寸的選擇、模具的設(shè)計(jì)制作、低溫混凝土配合比設(shè)計(jì)、低溫養(yǎng)護(hù)方案以及沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，為下一步研究低溫混凝土沖擊壓縮動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提供較好的保障。
作者：陳文峰 單位：淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系
