高持續(xù)荷載下的混凝土徐變破壞試驗

謝 競 吳韶斌

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學院 長沙市 410131）

處于復雜環(huán)境中的水工混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間承受自重、水壓力和溫度應力等持續(xù)荷載，其作用時間長達數(shù)十年。眾多理論與試驗研究表明這類混凝土在其設計壽命周期內(nèi)強度產(chǎn)生劣化甚至破壞。忽視這種長期持續(xù)荷載下的強度劣化影響，對混凝土結(jié)構(gòu)的設計，安全耐久性評價是不利的。受試驗設備和試驗難度的制約,對混凝土在高持續(xù)作用下產(chǎn)生徐變破壞的試驗成果還不能很好地解釋其破壞機理。

研究荷載水平與持荷時間對混凝土長期強度的影響可以為評價混凝土抗裂設計、提高其設計壽命提供依據(jù),為混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性提供參考。

1 混凝土徐變破壞試驗研究

1.1 原材料與配合比

試驗采用重慶金井源建材廠生產(chǎn)的32.5級的普通硅酸鹽水泥，中砂、（5～20）m粒徑的碎石，混凝土的配合比0.48∶1∶1.47∶2.74（水∶水泥∶河沙∶碎石）。

1.2 試件與加荷裝置

彎曲受拉試件采用尺寸為100mm×100mm× 100mm試件，目前徐變試驗的加荷載主要有彈簧式液壓儀、杠桿式拉伸徐變儀等，但都并不能很好地適用混凝土試件彎曲下的徐變變形測量。本文自行設計了一個簡單、較可靠的加載裝置。如圖1所示。

圖1 徐變試驗加載裝置及控制系統(tǒng)

1.3 持荷水平

混凝土在較低的持續(xù)應力水平以下需要持荷數(shù)月甚至數(shù)年才發(fā)生破壞，而目前加荷的液壓試驗機不能進行長時間的持荷，本次徐變破壞采用應力強度因子（σc/fc）0.8以上的持荷水平，σc為持荷應力，fc為短期荷載下的混凝土強度，應力水平σc/fc分別為0.8，0.0.85，0.90，0.95進行試驗。

1.4 試驗設計

在通過短期強度試驗得到本次試驗混凝土試件的抗壓強度fc后，采用RMT-150C巖石力學試驗試驗機，最大荷載為1000kN。RMT-150C試驗系統(tǒng)，分別對4組試件進行混凝土分別在 80%，85%，90%，95%強度下的持續(xù)荷載抗壓試驗。在荷載達各應力水平后維持穩(wěn)定不變，觀察混凝土在持續(xù)荷載下的破壞形式和記錄破壞時間；如若試件經(jīng)歷2h的持續(xù)相應荷載仍未破壞，再以1kN/s的恒力控制加載直至試件破壞，記錄破壞時間與經(jīng)過持荷后破壞的極限強度。

2 抗壓徐變破壞試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞時間

本試驗的結(jié)果表明，在持續(xù)荷載作用下，試件的徐變破壞時間普遍存在明顯的離散性，為此，采用每組試件的平均破壞時間作為試驗結(jié)果。如附表。

附表 各持荷水平下徐變破壞時間 min

從附表可以看出高持續(xù)荷載下的混凝土在低于其抗壓強度時就會發(fā)生破壞。在95%單軸抗壓強度的荷載下混凝土在大約經(jīng)過6min左右就發(fā)生破壞。而在90%抗壓強度下混凝土的破壞時間在64 min左右。由于本文單軸抗壓徐變試驗中的加載采用液壓機，不能進行長時間的加載，只設計了為期2 h的持荷時間。試驗還觀察到，在2h相應的恒定的荷載下如果試件未發(fā)生破壞，以1kN/s的恒力控制加載后，試件破壞的時間低于短期強度試件組的破壞時間，破壞的極限強度也低于混凝土的抗壓強度。應力強度因子越大，破壞時間越短，強度也越低。這表明在持荷過程中混凝土的變形在增加，損傷在發(fā)展，導致在低于其短期抗壓強度試件就發(fā)生破壞。

2.2 受壓徐變變形

采用RMT-150C巖石力學試驗機控制系統(tǒng)得到以位移表示的變形與持荷時間的關系，如圖2。

從圖2看出混凝土的徐變變形大致分為三個階段，在前期變形增長較快，隨著時間的增加變形的增長速率放慢。經(jīng)過較長時段的持荷后，變形開始急劇增加。增長速率也成不收斂性。混凝土徐變變形在高持續(xù)荷載下表現(xiàn)為非線性。同時通過比較90%荷載水平以上與以下的徐變變形曲線，可以認為上文的徐變破壞在低于90%荷載水平的破壞發(fā)展趨勢是合理的。即在80%、85%荷載水平下的混凝土也會發(fā)生徐變破壞。其荷載越高，破壞時間越短。

圖2 不同持續(xù)荷載下的抗壓徐變變形曲線

眾多試驗與理論均表明，高持續(xù)荷載的混凝土徐變歷經(jīng)三個階段（圖3）：穩(wěn)定的徐變階段、徐變減速階段、徐變加速階段。在徐變加速階段，高應力下混凝土的微裂縫不斷地擴展，微裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生損傷，形成宏觀的裂縫，這一階段的徐變變形隨時間增加繼續(xù)增加，且徐變的增加速率迅速變大，不再收斂，混凝土結(jié)構(gòu)也發(fā)生破壞。此時混凝土徐變變形表現(xiàn)為非線性。

圖3 較高荷載下混凝土的徐變破壞

根據(jù)徐變變形的三個階段，可將混凝土在高持續(xù)荷載下的應變表示為：

式中 εcl（t，σ）——加載初期可恢復的遲后彈性變形和由荷載作用下混凝土凝膠空隙中水的流動產(chǎn)生的不可恢復流動變形，為線性徐變；

εcn（t，σ）——混凝土徐變減速階段非線性徐變，它主要與微裂紋的擴展有關。

εd——混凝土第三階段的變形，它主要為損傷變形。

根據(jù)鮑爾次曼(LBolztmna)迭加原理，線性徐變εcl（t，σ）可以采用以下公式計算。

式中 φ（t，τ）——徐變系數(shù)。

σ（τ）——t時刻作用于混凝土單軸常應力。

E（τ）——彈性模量。

目前亦認為疊加原理也適用于非線性徐變的計算，通過一些改進與調(diào)整（如隨齡期調(diào)整有效模量法）將非線性問題轉(zhuǎn)為線性問題來計算混凝土的非線性徐變。

混凝土的徐變破壞過程是大量微裂紋產(chǎn)生、擴展和相互作用，直至形成宏觀裂紋并發(fā)生失穩(wěn)擴展導致的。當混凝土承受荷載時，材料內(nèi)會累積應變能；荷載越高，應變能越大。當應變能超過一定限度后，導致混凝土的損傷破壞。損傷變量D定義為材料中發(fā)生破壞的微單元數(shù)量 NF與總單元N的比值，根據(jù)Lemaitre的損傷力學理論，混凝土等脆性材料的本構(gòu)關系可以表示為：

可假設混凝土單元強度P服從 Weibull分布，可將（3）中的D表示為：

式中F為材料微單元強度。

根據(jù)（4）可以得到單軸持續(xù)荷載下混凝土的應力應變關系：

3 結(jié)論與展望

混凝土在持續(xù)高荷載下會發(fā)生徐變破壞，荷載越高，破壞時間越短，破壞時間具有離散性；在較高的持續(xù)荷載下混凝土的徐變具有依時性，應力水平超過0.80fc，徐變急劇增加。即使荷載不增加，變形仍然繼續(xù)增加，荷載水平越高，變形增加得越快越高。經(jīng)過一段穩(wěn)定荷載的持續(xù)時間后混凝土破壞，徐變變形表現(xiàn)為非線性。

由于只進行了強度因子在0.8以上的混凝土受壓徐變試驗，對于在多大荷載水平下混凝土將發(fā)生破壞，其變形呈非線性，文中試驗并不能確定，而這是工程設計中關心的問題。高持續(xù)荷載下混凝土徐變破壞試驗僅對初步混凝土徐變變形及破壞進行試驗研究，今后還需要進一步的試驗與理論研究，分析高持續(xù)荷載下混凝土破壞的機理。

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