不同沖擊條件下早齡期混凝土的力學特性

李夕兵 ，王世鳴，周 韜，黃麟淇，周 健

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，長沙 410083； 2. 中南大學 深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災害控制湖南省重點試驗室，長沙 410083)

混凝土作為應用最廣泛的建筑材料之一，在基礎工程建設中發(fā)揮著重要的作用。隨著社會的進步，高效建設已是現(xiàn)代建筑理念的核心，在建設過程中，為了加快施工進度，混凝土在養(yǎng)護期間不可避免受到外界間斷性甚至是持續(xù)性的影響，例如隧道施工過程的爆破工序以及礦山工程的爆破開挖都會對剛澆筑混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊擾動，影響其整體功效。自1978年LEW等[1]開始研究混凝土早齡期的抗壓、劈裂強度和粘結(jié)強度之后，大量學者開始關注早齡期混凝土的力學特性。NAGY[2]采用無損檢測法測量早期混凝土的彈性模量，并提出了靜態(tài)彈性模量的預測模型，該模型與實際測量結(jié)果能很好的吻合。KIM等[3]研究了養(yǎng) 護溫度、齡期和水泥種類對混凝土強度、抗壓強度和彈性模量之間的關系，并在試驗的基礎上提出了根據(jù)溫度和齡期來預測混凝土力學參數(shù)的模型。YI等[4]研究了混凝土強度和齡期對混凝土應力應變曲線的影響，提出以強度和齡期作為變量的新模型，能較好的擬合各種實測曲線。ZREIKI等[5]研究了結(jié)構(gòu)中早齡期混凝土力學特性來預測裂紋擴展風險和殘余應力，并采用熱-化-力三者耦合的模型來預測早齡期混凝土應變、殘余強度以及裂紋擴展風險評估。ZHANG等[6]在統(tǒng)計和分析前人大量實驗結(jié)果的基礎上，提出了一個基于早齡期混凝土強度、彈性模量及兩者的變化系數(shù)的預測模型，該模型能很好地反映混凝土力學性質(zhì)隨齡期的變化。在工程實踐中，混凝土骨料替代品的使用使得混凝土早期強度降低，KHOKHAR等[7]通過配料設計，優(yōu)化早期混凝土強度。BEUSHAUSENA等[8]研究了不同水灰比和不同爐渣替代品對早齡期混凝土強度增長的影響。WANG等[9]研究了采用溫度匹配養(yǎng)護和恒溫養(yǎng)護來研究實際工程中溫度對結(jié)構(gòu)中早齡期混凝土力學性質(zhì)的影響。金賢玉等[10-11]研究了靜載下混凝土早期受力對混凝土后期強度的影響，得出了早期混凝土受力時間及受力后養(yǎng)護條件對混凝土后期力學特性有影響的結(jié)論，并在分析普通混凝土和高性能混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫的成因機理和控制措施基礎上，建立了裂縫擴展過程的損傷模型，總結(jié)了混凝土早齡期的水化、溫度、收縮、徐變、力學性能和斷裂性能隨時間的變化規(guī)律。

上述研究表明，大多研究者都專注于早齡期混凝土在靜載下力學特性及靜載作用對其后期力學影響的研究，較少涉及動載作用對早齡期混凝土后期力學特性影響的研究。基于工程和科學研究的需要，本文作者以C20混凝土為研究對象，研究多個齡期沖擊后對其后期力學特性的影響，并與單次沖擊下的力學特性進行比較。

1 早齡期混凝土沖擊試驗

為了更好地反映混凝土真實的力學特性，試驗采用試樣的直徑為75 mm[12]，高徑比為0.5，其制備過程嚴格按照標準規(guī)程[13]進行，制作過程如下：拌漿、搗實、抹平、養(yǎng)護、拆模、抹平、養(yǎng)護，其中第二次抹平主要是抑制混凝土度件的不平整度，采用水泥砂漿抹平。參照某實際隧道工程，混凝土試件配比設計強度為等級為 C20，詳細配比見表1，其中水泥采用42.5級普通水泥，碎石為變質(zhì)砂巖，砂子為普通河砂，并根據(jù)規(guī)范要求，采用16 mm篩子篩分骨料，控制最大骨料直徑小于模具直徑1/4[12-13]。

表1 混凝土配比設計 Table1 Concrete mixture proportions

沖擊試驗裝置采用75 mm直徑的SHPB裝置，其示意圖見圖1。該試驗系統(tǒng)具有適應非均質(zhì)脆性材料的中高應變率加載特點，加載應力通過采用紡錘形沖頭實現(xiàn)了恒應變率的半正弦應力波加載[14]。

沖擊試驗方案如下：1) 確定每一齡期單次沖擊下混凝土試件發(fā)生破壞時的臨界入射能和臨界破壞強 度[15](見表2)。此處試件破壞指的是試件受沖擊后破 碎成幾個大塊的臨界破壞狀態(tài)。當入射能小于臨界入射能時，試件極有可能不會破壞，從而可以繼續(xù)養(yǎng)護；2) 確定每個齡期沖擊試驗所需的入射能。本文作者以早齡期中每齡期臨界入射能的50%和75%水平作為沖擊入射能依據(jù)，通過調(diào)節(jié)氣壓，確保每次沖擊入射能接近設定要求；3) 以步驟2)確定每一齡期的入射能為基礎，通過控制沖擊氣壓值和沖頭的位置，盡量確保每次入射能相近；4) 放置試樣，做好試樣與彈性桿間的潤滑；5) 調(diào)節(jié)至所需入射能的氣壓值進行沖擊，達到預定效果后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號、存盤；6) 根據(jù)試驗需要，盡可能使試件在1、3、7、14和28 d齡期都受到?jīng)_擊，完成沖擊后，試件沒有損壞，則放入養(yǎng)護箱繼續(xù)養(yǎng)護，同時為了對比，分別對混凝土在齡 期3、7、14和28 d混凝土相應沖擊條件下進行單次沖擊，試驗過程中記錄典型單次沖擊波形曲線如圖2所示，采用三波法間接地計算出試樣的動態(tài)力學參 數(shù)[16]，試驗結(jié)果見表3和4。

圖2 典型的壓縮試驗波形圖Fig.2 Typical waveform of compression test

表4 單次沖擊荷載下早齡期混凝土力學特性 Table4 Mechanical properties of early age concrete under signal impact loading

2 結(jié)果與討論

2.1 強度特性分析

在多個齡期沖擊試驗中，試件每次沖擊完成后放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護至下一齡期再進行沖擊。從表3可以看出，經(jīng)過多齡期沖擊后，當沖擊入射能大于該沖擊齡期臨界入射能的75%時，試件就會發(fā)生破壞。因此，為確保試件能在5個設定齡期都能完成沖擊，每次沖擊的沖擊入射能須控制在該沖擊齡期臨界入射能的75%以內(nèi)。

圖3和4所示分別為不同沖擊條件下混凝土強度(σ)和彈性模量(E)隨齡期(t)的變化。從圖3和4可以看出，在不同沖擊條件下，混凝土強度和彈性模量與齡期都呈對數(shù)關系增長，且兩者隨齡期的變化類似。在7 d以前，受多個齡期沖擊混凝土試件的強度和彈性模量增長速度高于在相同沖擊條件下單次沖擊試件的強度和彈性模量；而在7 d以后，受多個齡期沖擊混凝土試件的強度和彈性模量增長速度則小于單次沖擊試件的強度和彈性模量，且隨著齡期的增長，差距越來越大。這表明，在齡期7 d以前，由于混凝土具有一定的黏彈性，適當?shù)臎_擊壓縮(50%臨界入射能)。提高了混凝土的密實度，有助于提高混凝土的強度和彈性模量，這與早齡期混凝土受靜載作用后對后期混凝土強度影響相似[10]；在齡期7 d以后，由于混凝土開始逐漸顯露準脆性材料的特性，外界的沖擊，無論 是50%還是75%臨界入射能，都會使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而使混凝土的強度和彈性模量降低。

圖3 不同沖擊條件下混凝土強度隨齡期的變化 Fig.3 Variation in dynamic strength of concrete with age under different impact loading conditions

圖4 不同沖擊條件下彈性模量隨齡期的變化 Fig.4 Variation in dynamic elastic modulus of concrete with age under different impact loading conditions

2.2 變形特性分析

圖5 所示為不同沖擊條件下混凝土破壞時峰值應力對應的應變(以下簡稱峰值應變)隨齡期的變化圖。從圖5可以看出，不同沖擊條件下，混凝土峰值應變都與齡期呈對數(shù)關系增長。單次沖擊條件下，在齡期14 d以前，峰值應變隨齡期增長而迅速增長；在齡期14 d以后，峰值應變隨齡期的增長變化不大[15]；與單次沖擊破壞時峰值應變相比，混凝土經(jīng)多齡期沖擊破壞時的峰值應變較小，且隨齡期的增長變化緩慢，在齡期14 d以后峰值應變?nèi)杂幸欢ǖ脑鲩L。多齡期沖擊下，混凝土的變形能力下降，且隨著齡期的增長恢復較慢反映了早期沖擊導致混凝土變形能力下降、抵抗外界作用能力降低，從而影響了混凝土的穩(wěn)定性。

圖5 不同沖擊條件下峰值應變隨齡期的變化 Fig.5 Variation in critical strain of concrete with age under different impact loading conditions

2.3 吸能關系分析

圖6 所示為不同沖擊條件下試件破壞時單位體積吸收能(EV)隨齡期的變化。從圖6中可以看出，混凝土在兩種沖擊條件下，除了在齡期3 d 以前破壞時單位體積吸收能相近外，隨著齡期的變化，單位體積吸收能呈不同的模式變化：單次沖擊破壞時，試件單位體積吸收能與齡期成對數(shù)函數(shù)關系增長；多齡期沖擊破壞時，試件單位體積吸收能隨齡期的變化不明顯，基本保持在同一個水平。

圖6 不同沖擊條件下試件破壞單位體積吸收能隨齡期的變化 Fig.6 Variation in unit volume absorbed energy of concrete with age under different impact loading conditions

圖7 不同沖擊條件下試件破壞累積單位體積吸收能隨齡期的變化 Fig.7 Variation in cumulative unit volume absorbed energy of concrete with age under different impact loading conditions

圖7 所示為不同沖擊條件下試件破壞時累積單位體積吸收能隨齡期的變化。從圖7可以看出，不同沖擊條件下，試件發(fā)生破壞時的單位體積吸收能都隨著齡期的增長而增長。與單次沖擊條件下試件發(fā)生破壞時單位體積吸收能相比，多齡期沖擊條件下試件發(fā)生 破壞需吸收更多的能量，且隨著齡期的增長，兩者之間的差距越來越大。在早齡期，混凝土在外力作用下易發(fā)生較大變形，單次沖擊破壞與多齡期沖擊破壞的單位體積吸收能相差不大，且隨著齡期的增長，混凝土變形能力減弱，單次沖擊破壞吸收能量遠小于多齡期沖擊破壞累積吸收的能量。

結(jié)合圖6 和7 分析可知，隨著齡期的增長，多齡期沖擊破壞累積單位體積吸收能遠遠大于單次沖擊破壞單位體積吸收能，但經(jīng)多齡期持續(xù)沖擊后，混凝土在后期沖擊破壞時單位體積吸收能也遠小于單次沖擊破壞的單位體積吸收能，下降了近50%。這表明，多齡期沖擊整體提高了混凝土吸收外界沖擊能的能力，但同時也降低了混凝土后期單次吸收外界沖擊能的能力。在實際工程中，與施工過程中抵抗外界作用能力相比，更要注重施工完成后支護工程的整體功效。通過試驗分析可知，即便混凝土試件在相應齡期50%臨界入射能的沖擊條件下受到持續(xù)沖擊，混凝土后期吸收外界沖擊能量的能力也會受到影響。因此，在實際工程中，除了在設計時需要考慮到外界沖擊對混凝土性能的降低作用，在施工過程中還需要采取相應的措施來降低外界對支護結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護期間的擾動，例如延長兩次爆破的時間間隔以及降低單次作用強度等。

3 結(jié)論

1) 在齡期7 d以前，適當?shù)臎_擊壓縮(50%臨界入射能)有助于提高混凝土的強度和彈性模量；在齡期7 d以后，無論是50%還是75%臨界入射能的沖擊都會使混凝土的強度和彈性模量降低。

2) 混凝土在多齡期沖擊后，變形能力下降且隨著齡期的增長恢復較慢，抵抗外界荷載作用能力下降，影響了混凝土的穩(wěn)定性。

3) 在齡期3 d之后，多齡期沖擊破壞累積單位體積的吸收能遠大于單次沖擊破壞單位體積吸收能，但經(jīng)多齡期持續(xù)沖擊后，混凝土在后期沖擊破壞時單位體積的吸收能也遠小于單次沖擊破壞的單位體積吸收能，下降了近50%。因此，在實際工程中，除了在設計時需要考慮到工程在施工工程中會受到外界間斷或持續(xù)干擾，在實際施工中還需要采取相應的措施，降低外界荷載對混凝土后期力學的影響，確?；炷恋恼w功效。

[1] LEW H S,REICHARD T W. Mechanical properties of concrete at early ages[J]. Journal of the American Concrete Institute,1978,75(10): 533-542.

[2] NAGY A. Determination of E-modulus of young concrete with nondestructive method[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,1997,9(1): 15-20.

[3] KIM J K,HAN S H,SONG Y C. Effect of temperature and aging on the mechanical properties of concrete Part I. Experimental results[J]. Cement and Concrete Research,2002,32(7): 1087-1094

[4] YI S,KIM J,OH T. Effect of strength and age on the stress-strain curves of concrete specimens [J]. Cement and Concrete Research,2003,33(8): 1235-1244.

[5] ZHANG Deng-xiang,YANG Wei-jun. The experimental study of early-age strength and elastic modulus of concrete[J]. Advanced Materials Research,2011,163/167: 1190-1198.

[6] ZREIKI J,BOUCHELAGHEM F,CHAOUCHE M. Early-age behaviour of concrete in massive structures,experimentation and modeling[J]. Nuclear Engineering and Design,2010,240(10): 2643-2654.

[7] KHOKHAR M I A,ROZIERE E,TURCRY P,GRONDIN F,LOUKILI A. Mix design of concrete with high content of mineral additions: Optimization to improve early age strength[J]. Cement and Concrete Composites,2010,32(5): 377-385.

[8] BEUSHAUSENA H,ALEXANDERA M,BALLIM Y. Early-age properties,strength development and heat of hydration of concrete containing various South African slags at different replacement ratios[J]. Construction and Building Materials,2012,29: 533-540.

[9] WANG Jia-chun,YAN Pei-yu. Evaluation of early age mechanical properties of concrete in real structure[J]. Computers and Concrete,2013,12(1): 53-64.

[10] 金賢玉,沈 毅,李宗津,王榮富. 混凝土早齡期受力對后期性能的影響[J]. 混凝土,2003,7: 35-37.

JIN Xian-yu,SHENG Yi,LI Zong-jin,WANG Rong-fu. Influence of preload concrete on its latter performance[J]. Concrete,2003,7: 35-37.

[11] 金賢玉,田 野,金南國. 混凝土早齡期性能與裂縫控制[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報,2010,31(6): 204-212.

JIN Xian-yu,TIAN Ye,JIN Guo-nan. Early age properties and cracking control of concrete[J]. Journal of Building Structures,2010,31(6): 204-212.

[12] BISCHOFF P H,PERRY S H. Compressive behaviour of concrete at high strain rates[J]. Materials and Structures,1991,24(1): 425-450.

[13] GB/T 50081—2002. 普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]. GB/T 50081—2002. Standard for test method of mechanical properties on ordinary concrete[S].

[14] LI X B,LOK T S,ZHAO J,ZHAO P. Oscillation elimination in the Hopkinson bar apparatus and resultant complete dynamic stress-strain curves for rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000,37(7): 1055-1060.

[15] 王世鳴,李夕兵,宮鳳強,朱晶晶. 靜載和動載下不同齡期混凝土力學特性的試驗研究[J]. 工程力學,2013,30(2): 143-149.

WANG Shi-ming,LI Xi-bing,GONG Feng-qiang,ZHU Jing-jing. Experimental study of mechanical properties of different ages concrete under static and dynamic load[J]. Engineering Mechanics,2013,31(2): 143-149.

[16] 李夕兵,古德生. 巖石沖擊動力學[M]. 長沙: 中南工業(yè)大學出版社,1994: 11-12.

LI Xi-bing,GU De-sheng. Rock impact dynamics[M]. Changsha: Central South University of Technology Press,1994: 11-12.