循環(huán)孔隙水作用下混凝土動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究

摘要：對(duì)0、10、50次孔隙水循環(huán)下不同應(yīng)變速率（10-5、10-4、10-3、10-2/s）的混凝土和中低應(yīng)變速率（10-4、10-3/s）下不同孔隙水循環(huán)次數(shù)（0、10、50、100、200次）的混凝土進(jìn)行了常三軸壓縮試驗(yàn)，試件尺寸為300 mm×600 mm。對(duì)循環(huán)孔隙水壓作用后混凝土的峰值應(yīng)力物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)混凝土在不同加載速率下的吸能變化規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：隨著應(yīng)變速率增大，混凝土的峰值應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，隨孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力大體呈現(xiàn)先增大后減小的階段性變化；混凝土的吸能能力隨加載速率的增加，表現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)?；炷恋奈苣芰﹄S孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出一定的離散性，但整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)；選用基于Weibull統(tǒng)計(jì)理論的混凝土材料分段式動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，經(jīng)驗(yàn)證，此模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：混凝土；孔隙水壓力；循環(huán)；常三軸

中圖分類號(hào)：TU502；TU528.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2015）05-0088-07

Abstract：Triaxial compression tests for concrete of size Φ300 mm×600 mm was carried out under different strain rate （10-5，10-4，10-3，10-2/s） in 0，10，50 cycle of pore water and low strain rate （10-4/s，10-3/s） in different cycles pore water pressure（0，10，50，100，200 times）. Comparatively analysis the changes law characteristics about of basic physical mechanics parameters， such as peak stress and absorption of concrete under different loading rate are analyzed. The results show that： concrete peak stress increases with strain rate and with the number of pore water pressure cycles，. the concrete peak stress increases at the first and then declines. with the number of pore water pressure cycles， shows the change of stages； Concrete absorption energy capability is loaded with the strain rate， and showed significant increasing trend. Energy absorption capacity of concrete pore water pressure increases with the number of cycles showed shows some discrete， but overall increase first and then decrease；Finally， choose sectional dynamic damage constitutive model of concrete material which is based on statistical theory Weibull is applied to of sectional dynamic damage constitutive model based on Weibull for analyse concrete material fitting oto fit with f experimental data， verified， and the results show that this model has good agreement with the test results.

Key words：concrete；pore water pressure；circulation；triaxial compressive

混凝土是目前應(yīng)用范圍最廣的工程材料，以大壩、隧洞、橋墩等為代表的水工混凝土結(jié)構(gòu)，不僅長(zhǎng)期處于水環(huán)境圍壓作用下，還長(zhǎng)期受到水浪的沖擊，而這類環(huán)境對(duì)混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)均存在較大影響。學(xué)者們對(duì)水環(huán)境中的混凝土進(jìn)行了各種研究，并取得了豐富的研究成果。Butler[1]闡明造成混凝土發(fā)生破裂的原因?yàn)橹鲃?dòng)孔隙水壓力使材料產(chǎn)生拉應(yīng)變。Yaman等[2]研究了混凝土材料在不同孔隙率和孔隙中含水量作用下，對(duì)其強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性的影響。王海龍等[3]認(rèn)為混凝土中的孔隙水壓力減小了阻礙混凝土開(kāi)裂的摩阻力，與干燥態(tài)的混凝土相比，濕態(tài)混凝土的開(kāi)裂應(yīng)力和抗壓強(qiáng)度都有所降低。杜守來(lái)等[4]發(fā)現(xiàn)在孔隙水壓的作用下，混凝的抗壓強(qiáng)度有所降低，并隨著孔隙水壓的增加逐漸降低。杜修力等[5]推導(dǎo)得到飽和混凝土的有效抗拉強(qiáng)度及其峰值應(yīng)變與孔隙率之間的關(guān)系。姚家偉等[6]結(jié)合單軸試驗(yàn)將Jones-Netson-Morgan模型用于混凝土材料本構(gòu)分析，建立非線性本構(gòu)模型，該模型能用于混凝土復(fù)雜應(yīng)力下的本構(gòu)分析。彭剛等[7]對(duì)有壓孔隙水環(huán)境中的混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)，并建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型。熊益波等[9]運(yùn)用靈敏度分析識(shí)別了JH模型的關(guān)鍵參數(shù)，擬合了應(yīng)變率200～500 s-1范圍的率相關(guān)參數(shù)。綜上所述，對(duì)水環(huán)境中混凝土研究很多，但對(duì)孔隙循環(huán)水作用的混凝土的率效應(yīng)研究較少。為了更加明確水下工作的混凝土結(jié)構(gòu)受到水浪沖擊和水壓作用下抗壓強(qiáng)度的變化，對(duì)0、10、50次孔隙水循環(huán)下不同應(yīng)變速率的混凝土和中低應(yīng)變速率（10-4、10-3/s）下不同孔隙水循環(huán)次數(shù)的混凝土進(jìn)行了常三軸壓縮試驗(yàn)，并構(gòu)建相應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

試驗(yàn)所用的混凝土試件為300 mm×600 mm的圓柱體，水泥采用宜昌三峽水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5硅酸鹽水泥；粗骨料分別采用5～40 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.3的天然河砂；采用自來(lái)水?dāng)嚢?。試件成型后在室溫下靜置24 h后拆模并編號(hào)，將編號(hào)后的試件拆模，按20～40 mm的間距擺放在木質(zhì)墊條上，自然養(yǎng)護(hù)28 d。混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石子=0.5∶1.00∶2.28∶3.72（按質(zhì)量計(jì)），水灰比為0.5。

1.2 加載試驗(yàn)

加載設(shè)備采用三峽大學(xué)10 MN大型多功能液壓伺服靜動(dòng)力三軸儀，可分別進(jìn)行單軸試驗(yàn)、常三軸試驗(yàn)（σ2=σ3）、真三軸試驗(yàn)（σ1≠σ2≠σ3）、剪切試驗(yàn)以及水壓條件下（圍壓、孔隙水壓）的混凝土動(dòng)靜力加載試驗(yàn)，動(dòng)力加載應(yīng)變速率范圍為10-5～10-2/s。利用圍壓桶對(duì)混凝土試件進(jìn)行加壓，最大圍壓和最大孔隙水壓力值為30 MPa。加載框架對(duì)試件進(jìn)行軸向加載，豎向最大動(dòng)、靜力加載值分別為5 000、10 000 kN，各項(xiàng)指標(biāo)滿足試驗(yàn)要求。

對(duì)混凝土試件進(jìn)行不同次數(shù)的孔隙水壓循環(huán)預(yù)處理：

1）將混凝土試件置于圍壓桶內(nèi)，往桶中充水，待水充滿后，以圍位移控制方式給試件施加圍壓，待接近所設(shè)圍壓值時(shí)轉(zhuǎn)換控制方式，以圍壓進(jìn)行控制，達(dá)到圍壓值3 MPa后，保持恒壓5 h左右。

2）用“圍壓控制”方式控制孔隙水壓力進(jìn)行上、下限加卸載。待圍位移不再發(fā)生較大變化時(shí)，以3 MPa/min的速率從上限值3 MPa開(kāi)始卸載到下限值1 MPa，保持30 min，再以3 MPa/min的速率從下限值開(kāi)始加載到上限值3 MPa。

3）設(shè)定軟件循環(huán)控制程序，不間斷重復(fù)上述步驟2），直至完成預(yù)定的設(shè)置的循環(huán)次數(shù)N。

對(duì)試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，不對(duì)試件采取密封措施，使其直接與水接觸。試驗(yàn)時(shí)的軸向荷載由加載框架的傳力柱通過(guò)圍壓桶頂部的活塞直接傳遞到試樣上，側(cè)向荷載由圍壓水直接作用在試件上。試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）正式加載。啟動(dòng)油泵并加壓，頂升至試件與上部傳力柱接觸，給試件預(yù)加30 kN的初始靜荷載，按設(shè)定的加載速率對(duì)試件進(jìn)行加載直至試件破壞，加載過(guò)程中保證圍壓3 MPa恒定不變，圍壓的變化范圍控制在0.001 MPa量級(jí)。

2）卸載及后續(xù)處理。試件破壞后，停止加載并將圍壓桶下降到初始位置，慢慢將圍壓卸載至0 MPa，然后將水排凈，吊起圍壓桶蓋，對(duì)破壞后的試件進(jìn)行拍照處理并完成試件殘?jiān)那謇砉ぷ鳌?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)得0、10、50次孔隙水循環(huán)下不同應(yīng)變速率（10-5、10-4、10-3、10-2/s）的混凝土和中低應(yīng)變速率（10-4、10-3/s）下不同孔隙水循環(huán)次數(shù)（0、10、50、100、200次）的混凝土在常三軸壓縮試驗(yàn)下的峰值應(yīng)力見(jiàn)表1。

由表1知?dú)v經(jīng)不同次數(shù)孔隙水壓循環(huán)作用后的混凝土抗壓峰值應(yīng)力均隨應(yīng)變速率的增加而增大。這一結(jié)論與彭剛等[7]關(guān)于混凝土在干燥無(wú)水狀態(tài)和飽和有水狀態(tài)單軸受壓下峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增加的變化規(guī)律一致。在單軸壓狀態(tài)下，干燥無(wú)水環(huán)境和飽和有水環(huán)境的峰值應(yīng)力的最大增幅分別為34.13%和39.38%，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)中混凝土歷經(jīng)0、10、50次循環(huán)作用下峰值應(yīng)力的最大增幅分別是37.8%、58.2%、52.1%相比，可進(jìn)一步得出孔隙水循環(huán)次數(shù)與圍壓的存在提高了混凝土的速率敏感性。同時(shí)，閆東明等[8]指出混凝土在0 MPa圍壓下，混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而增加，隨著混凝土圍壓的增加，應(yīng)變速率對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響作用逐漸減弱，因此，復(fù)雜應(yīng)力的大小在一定程度上會(huì)對(duì)混凝土的率效應(yīng)存在影響，但應(yīng)力狀態(tài)的不同并不改變混凝土速率敏感性。由于對(duì)孔隙水循環(huán)作用后混凝土的動(dòng)態(tài)特性方面沒(méi)有研究，尚未通過(guò)文獻(xiàn)了解循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響是否會(huì)因混凝土的應(yīng)力狀態(tài)不同而不同。

閆東明等[8]研究認(rèn)為混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。取10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率，歷經(jīng)0、10、50次循環(huán)作用后，混凝土抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加幅度與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)之間的關(guān)系用式（1）進(jìn)行擬合。

由表2可知，由式（1）擬合所得擬合相關(guān)度R2均大于0.9，表明其能夠較好地反應(yīng)混凝土峰值應(yīng)力增幅隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律。

由表1可知，混凝土的峰值應(yīng)力隨孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，大體呈現(xiàn)出先增大后減小的階段性變化，這與上述的擬合關(guān)系吻合。孔隙中的自由水以及孔隙水壓循環(huán)作用對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是滲透壓力使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂縫；二是孔隙水在孔隙界面上產(chǎn)生的黏性效應(yīng)，即Stefan效應(yīng)?；炷恋姆逯祽?yīng)力隨孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，表現(xiàn)出階段性變化，當(dāng)循環(huán)次數(shù)不大于100次時(shí)，峰值應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次時(shí)，峰值應(yīng)力開(kāi)始減小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)不大于100次時(shí)，孔隙水的滲透壓力作用使混凝土產(chǎn)生有限的損傷，產(chǎn)生一定數(shù)量厚度很薄的毛細(xì)裂縫，經(jīng)歷孔隙水循環(huán)作用后，混凝土孔隙中充滿了自由水，當(dāng)受到外部荷載時(shí)，孔隙在變形過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的Stefan效應(yīng)，即產(chǎn)生阻止微孔隙擴(kuò)展的阻力，并且在一定的循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)，介質(zhì)內(nèi)飽和的自由水越多，Stefan效應(yīng)表現(xiàn)得越明顯，最終導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度的增大。當(dāng)循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加，達(dá)到200次時(shí)，孔隙水的滲透壓力作用使混凝土產(chǎn)生較大的損傷，毛細(xì)裂縫發(fā)展成為微裂縫甚至是宏觀裂縫，盡管還會(huì)產(chǎn)生新的毛細(xì)裂縫并在受到外部荷載時(shí)有Stefan效應(yīng)產(chǎn)生，但宏觀裂縫中的孔隙水機(jī)械作用占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了混凝土強(qiáng)度的降低。因此，混凝土隨循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)出峰值應(yīng)力的階段性變化主要是在一定次數(shù)的循環(huán)水循環(huán)作用后由于Stefan效應(yīng)增強(qiáng)了混凝土的抗壓強(qiáng)度，但超過(guò)這一限定后，由于孔隙水的滲透壓力造成內(nèi)部細(xì)微損傷產(chǎn)生毛細(xì)裂縫從而減小了混凝土的抗壓強(qiáng)度。在試驗(yàn)加載過(guò)程中，加載框架的傳力柱通過(guò)頂部活塞施加軸向荷載傳遞到試件上，圍壓水施加的側(cè)向荷載直接作用在試件上。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中施加圍壓時(shí)，對(duì)軸壓混凝土有一個(gè)緊錮作用，阻礙裂縫的發(fā)展。同時(shí)，當(dāng)應(yīng)變速率增大，混凝土材料內(nèi)部裂縫則直接穿過(guò)粗細(xì)骨料快速發(fā)展，而不再沿著強(qiáng)度較弱的過(guò)渡區(qū)域發(fā)展，使得更多的骨料被拉斷。從而混凝土骨料的抗拉強(qiáng)度比過(guò)渡區(qū)大，進(jìn)而提高混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。

3 混凝土吸能能力分析

混凝土的吸能能力是混凝土產(chǎn)生裂縫以至發(fā)生破壞所吸收的能量，反映材料內(nèi)在力學(xué)性能的大小，Watstein[10]、Takeda等[11]的研究表明，隨著應(yīng)變速率的增加，混凝土吸能能力也相應(yīng)增加，計(jì)算式為S=UV=V∫εmax0σdε（2）式中：S為材料吸能能力；U為單位體積的能量密度；V為體積；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；εmax為峰值應(yīng)變。用式（2）對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行計(jì)算，得到歷經(jīng)不同次數(shù)孔隙水壓循環(huán)作用后的混凝土在不同應(yīng)變速率（10-5、10-4、10-3、10-2/s）下的吸能能力值見(jiàn)表3。

由圖2～7可以看出，修正的Weibull統(tǒng)計(jì)分布模型能夠很好地對(duì)三軸壓縮情況下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行擬合。建立的本構(gòu)模型對(duì)實(shí)測(cè)混凝土試驗(yàn)加載全過(guò)程曲線擬合效果較好，尤其對(duì)混凝土峰值前后的擬合優(yōu)于以往模型。表明該模型具有廣泛的工程應(yīng)用前景，且該模型參數(shù)少，便于工程應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)、不同應(yīng)變速率兩種因素對(duì)混凝土性能的影響，得出如下結(jié)論：

1）混凝土峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大。歷經(jīng)0、10、50次循環(huán)作用后，混凝土抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增幅與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)之間呈線性關(guān)系。

2）混凝土的吸能能力隨加載速率的增加，表現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)?；炷恋奈苣芰﹄S孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出一定的離散性，但整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)，與混凝土峰值應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律較接近。

3）試驗(yàn)結(jié)果證明，建立的Weibull-lognormal分段損傷本構(gòu)模型，較好描述了三軸受壓的的混凝土在不同應(yīng)變速率下的損傷特性。

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（編輯 胡英奎）