水壓力環(huán)境中混凝土經(jīng)歷循環(huán)荷載后的抗壓強(qiáng)度

王乾峰　劉云賀　彭剛　鄒三兵

摘要：

研究了水壓力環(huán)境中混凝土在經(jīng)歷循環(huán)荷載后的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度，分析了水壓力和循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)應(yīng)變速率為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s，水壓為0～10 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同水壓力下飽和混凝土的強(qiáng)度都隨應(yīng)變速率提高而增加，也隨水壓力提高呈增加地趨勢(shì)。在相同水壓力下，應(yīng)變速率越高，混凝土強(qiáng)度提高越顯著。飽和混凝土經(jīng)過循環(huán)荷載后，其強(qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先提高后降低的現(xiàn)象。應(yīng)變速率越高，混凝土強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù)也相應(yīng)增加。還構(gòu)建了飽和混凝土強(qiáng)度與應(yīng)變速率、水壓力的關(guān)系，其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。進(jìn)一步引入了管道孔隙模型，并基于汞壓法的原理和孔隙分布特點(diǎn)，考慮混凝土孔隙的微觀結(jié)構(gòu)解釋了孔隙水對(duì)混凝土強(qiáng)度的作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞：

混凝土；水壓力；循環(huán)荷載；應(yīng)變速率；動(dòng)態(tài)性能；孔隙結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU528.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）02013208

Abstract：

The dynamic compression strength of concrete which undergone cyclic loading and subjected to water pressure was carried out， and effect of water pressure and cyclic times on strength of concrete was analyzed. Strain rates of tests were 10-5/s， 10-4/s， 10-3/s and 10-2/s， and water pressure ranged from 0 to 10 MPa. The results showed that strength of saturated concrete under different water pressure increased with the increasing strain rate， and that also increased with the increasing water pressure. Under the same water pressure， the concrete strength increased more significantly when the strain rate was higher. After cyclic loading， strength of saturated concrete showed the phenomenon of the first increase and then decreased as the number of load cycles increased. The higher the strain rate， the greater number of load cycles with maximum concrete strength. The relationships between concrete strength and strain rate， water pressure were established， which was in good agreement with the experimental data. Furthermore， the pipe pore model was introduced， and the mechanism of pore water on the concrete strength was explained and based on the principle of mercury intrusion porosimetry and pore distribution.

Keywords：

concrete； water pressure； cyclic loads； strain rate； dynamic property； pore structure

混凝土是大壩、港口和橋墩等結(jié)構(gòu)中普遍使用的材料，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于水環(huán)境中，在結(jié)構(gòu)表層部分會(huì)形成與水壓力相等的孔隙水壓力。而且，這些結(jié)構(gòu)不僅承受靜態(tài)荷載的作用，還要遭受地震或是動(dòng)水壓力的沖擊。因此，有必要對(duì)水環(huán)境中的混凝土材料開展動(dòng)態(tài)荷載作用下的試驗(yàn)研究。

許多學(xué)者考慮到結(jié)構(gòu)深部承受不可忽略的水壓力，開展水環(huán)境作用或孔隙水壓力作用對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的研究。李宗利等[1]考慮到高壓水滲透和孔隙水壓力對(duì)混凝土的影響，采用高水壓力飽和混凝土，結(jié)果表明混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量都隨孔隙水壓力的增加逐漸降低。Bjerkeli等[2]在400、800 m水壓力下對(duì)混凝土開展了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，表明水壓力作用對(duì)混凝土強(qiáng)度和彈性模量沒有顯著影響。Chen等[3]對(duì)水環(huán)境中的混凝土進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，在2 MPa水壓力時(shí)強(qiáng)度明顯降低，但是水壓力大于4 MPa時(shí)其強(qiáng)度高于干燥混凝土的強(qiáng)度。彭剛等[4]對(duì)混凝土進(jìn)行了長時(shí)間的飽和，結(jié)果表明在水環(huán)境中混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高了?？紤]水位周期變化導(dǎo)致水壓力往復(fù)作用對(duì)混凝土的影響，梁輝等[5]和劉博文等[6] 研究了混凝土受循環(huán)孔隙水壓力時(shí)的力學(xué)動(dòng)態(tài)性能及損傷破壞特性。這些成果表明水壓力因素顯著影響混凝土材料的力學(xué)性能。

另外，結(jié)構(gòu)在遭受致命的破壞荷載之前，通常承擔(dān)著一部分荷載，結(jié)構(gòu)的荷載歷史對(duì)混凝土材料的力學(xué)性能也有顯著影響。肖詩云等[78]對(duì)單調(diào)加載歷史，以及胡海蛟等[9]對(duì)循環(huán)加載歷史后混凝土的力學(xué)性能開展了研究，表明荷載歷史將導(dǎo)致混凝土的損傷，降低混凝土強(qiáng)度。

荷載歷史對(duì)混凝土材料的力學(xué)性有顯著影響，然而水環(huán)境中混凝土受荷載歷史后的力學(xué)特性還有待深入研究。本文對(duì)處于水環(huán)境中，經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試件制備

試驗(yàn)中混凝土試件尺寸為150×300 mm，采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，其水泥性能符合普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)[10]。細(xì)骨料是天然河砂，其細(xì)度模數(shù)為1.8，屬細(xì)砂；粗骨料是粒徑5～30 mm的連續(xù)級(jí)配天然河卵石；拌合水為飲用自來水?；炷恋乃冶葹?.5，其質(zhì)量配合比為水∶水泥∶砂∶石子=0.50∶1.00∶2.11∶3.45，拌合物坍落度30～50 mm。試件采用鋼模澆筑成型，在室溫下靜置24 h成型后拆模編號(hào)，然后將試件移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后再移至自然環(huán)境中。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為三峽大學(xué)的10 MN大型多功能液壓伺服靜動(dòng)力三軸儀，該設(shè)備可進(jìn)行常三軸（σ2=σ3）混凝土動(dòng)靜力加載試驗(yàn)，最大圍壓值為30 MPa，最大豎向動(dòng)、靜力負(fù)荷分別為5 000 kN與10 000 kN。通過電腦系統(tǒng)可以獨(dú)立控制圍壓桶的水壓力和軸向的加載速率，可以保證在整個(gè)加載水壓力穩(wěn)定，變化幅度小于0.01 MPa，軸向控制的應(yīng)變速率恒定，其范圍為10-5～10-2/s，各項(xiàng)指標(biāo)滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)設(shè)備見圖1。

1.3試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中，混凝土試樣與圍壓水直接接觸，采用加壓方式使混凝土飽和并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再通過三軸儀的加載框架對(duì)圍壓桶頂部的活塞施加軸向荷載，并傳導(dǎo)到混凝土試樣。試驗(yàn)分為飽和過程和力學(xué)加載過程。

1）混凝土飽和過程。安裝混凝土試件后密封圍壓桶，再將圍壓桶內(nèi)充滿水并反復(fù)開關(guān)排水閥排出空氣。之后通過水壓力控制系統(tǒng)，使圍壓桶內(nèi)的水壓力（2、5和10 MPa）到達(dá)恒定，并維持16 h以上，此時(shí)通過伺服電機(jī)水泵推送到圍壓桶內(nèi)的水體積幾乎為0，可以認(rèn)為混凝土達(dá)到飽和。對(duì)于0 MPa飽和的情況，先施加2 MPa的水壓力使混凝土內(nèi)部飽水，待水壓力穩(wěn)定16 h后，再降低到0 MPa，并等待5 h以上，使混凝土內(nèi)部的壓力梯度消散，再進(jìn)行后續(xù)的力學(xué)加載試驗(yàn)。

2）力學(xué)加載試驗(yàn)。加載過程分為4步：以05 MPa/s的速度[11]對(duì)混凝土試件施加Fo=0.4 fc的預(yù)加靜態(tài)荷載，其中fc為干燥混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度；按余弦波對(duì)試件進(jìn)行循環(huán)等幅加載，循環(huán)次數(shù)為N次（0、25、50和100），荷載的時(shí)程變化過程為：F=Acos（2πft）+fo，其中，F(xiàn)為荷載，A為荷載幅值，A=0.1fc，f為頻率，f=0.1 Hz，t為加載時(shí)間）；以0.5 MPa/s的速度卸載荷載到10 kN；對(duì)卸載后的混凝土試件，再按設(shè)定的應(yīng)變速率（10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s）進(jìn)行加載至試件完全破壞；加載過程中保證水壓力穩(wěn)定，其變化幅度控制在0.01 MPa以內(nèi)。其中，第1～3步采用荷載控制，第4步為采用變形控制。循環(huán)荷載的時(shí)程曲線如圖2所示。

在本研究中，分別考慮了水壓力變化和循環(huán)次數(shù)這2種因素對(duì)飽和混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€

在試驗(yàn)中，混凝土試件經(jīng)歷了預(yù)加載、循環(huán)荷載、卸載和單調(diào)加載等4個(gè)過程，部分試件的代表性應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€見圖3和圖4。

圖3為混凝土在2 MPa水壓力下經(jīng)歷25次循環(huán)后，在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€組合。圖4為混凝土在應(yīng)變速率10-2/s時(shí)經(jīng)歷25次循環(huán)后，在不同加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€組合。圖3中應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀基本相似，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的提高而增加；圖4中應(yīng)力應(yīng)變曲線的后半支隨水壓力的增加而提高，而且峰值應(yīng)力也隨水壓力的增加而增長。本文選取整個(gè)加載過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線上的最大應(yīng)力作為混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2水壓力對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

在研究水壓力變化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響時(shí)，循環(huán)荷載的循環(huán)次數(shù)N=25保持不變，改變水壓力大小，水壓力分別為0、2、5和10 MPa。為了與0 MPa飽和混凝土的強(qiáng)度對(duì)比，還進(jìn)行了一組干燥混凝土在經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)N=25后，再進(jìn)行不同應(yīng)變速率加載的試驗(yàn)。

干燥混凝土和不同水壓力下飽和混凝土，在應(yīng)變速率分別為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s時(shí)，強(qiáng)度與應(yīng)變速率的變化關(guān)系見圖5，強(qiáng)度與水壓力的變化規(guī)律如圖6所示。

從圖5可以看出，干燥混凝土及不同水壓力下飽和混凝土強(qiáng)度都隨應(yīng)變速率的提高而增加，水壓力越高，強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加幅度越明顯。在0、2、5和10 MPa水壓力下，混凝土強(qiáng)度在應(yīng)變速率10-2/s時(shí)比10-5/s時(shí)分別提高了41.8%、46.7%、55.3%和74.0%。各個(gè)應(yīng)變速率下，在0和2 MPa水飽和混凝土強(qiáng)度低于干燥混凝土的值，而在5和10 MPa水壓力下飽和混凝土強(qiáng)度高于干燥混凝土的值。

從圖6可知，混凝土強(qiáng)度隨水壓力的提高呈增加地趨勢(shì)。在相同的水壓力下，應(yīng)變速率越高，混凝土強(qiáng)度提高則越顯著。水壓力從5 MPa增加到10 MPa時(shí)，在應(yīng)變速率為10-5/s時(shí)僅提高了5.1%，而應(yīng)變速率為10-2/s時(shí)則提高了17.7%。

為了表述應(yīng)變速率和水壓力對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，引入了動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子（Dynamic Increase Factor，DIF）和壓力增強(qiáng)因子（Pressure Increase Factor，PIF）[12]?；炷翉?qiáng)度的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子（DIF）定義為混凝土強(qiáng)度在各個(gè)應(yīng)變速率下的值與其在應(yīng)變速率為10-5/s時(shí)的比值，且動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子（DIF）在各自的荷載條件下計(jì)算?；炷翉?qiáng)度的壓力增強(qiáng)因子（PIF）定義為混凝土強(qiáng)度在各個(gè)水壓力下的值與其在0 MPa水壓力時(shí)的比值，且壓力增強(qiáng)因子（PIF）在各自的應(yīng)變速率下計(jì)算。

已有的研究表明，干燥或是濕態(tài)混凝土的強(qiáng)度與應(yīng)變速率之間呈線性關(guān)系并采用式（1）表示[13]。本研究中，水飽和混凝土在高應(yīng)變速率時(shí)，強(qiáng)度增加更加顯著，表現(xiàn)出非線性增長關(guān)系。對(duì)式（1）修正得到式（2），以描述強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子（DIF）與應(yīng)變速率的非線性關(guān)系。

2.3循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

在研究循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響時(shí)，水壓力保持2 MPa不變，改變循環(huán)次數(shù)，循環(huán)次數(shù)分別為N=0、25、50和100次。

飽和混凝土經(jīng)歷不同次數(shù)的循環(huán)荷載作用后，在應(yīng)變速率分別為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s時(shí)，其強(qiáng)度與應(yīng)變速率的變化關(guān)系見圖9，強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖10所示。

從圖9可以看出，經(jīng)過25～100次荷載循環(huán)后，混凝土強(qiáng)度隨應(yīng)變速度增加而提高。從圖10可以看出，混凝土強(qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先提高后降低的現(xiàn)象。應(yīng)變速率越高，混凝土強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù)也相應(yīng)增加。在應(yīng)變速率10-5/s和10-4/s時(shí)，循環(huán)荷載25次時(shí)的混凝土強(qiáng)度最高，而應(yīng)變速率10-3/s和10-2/s時(shí)，混凝土強(qiáng)度最高時(shí)經(jīng)歷的循環(huán)荷載次數(shù)為50。

3孔隙水對(duì)混凝土的力學(xué)作用機(jī)理

分析

在水環(huán)境中，混凝土飽和后水將填充孔隙和微裂縫。杜修力等[14]、Liu等[15]和Wu等[16]研究了含水量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，但是忽略了混凝土孔隙分布及其結(jié)構(gòu)特征對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響?；贑T方法[17]的圖像表明，混凝土內(nèi)部存在大量孤立的孔隙，但是這類孔隙結(jié)構(gòu)無法解釋水在混凝土內(nèi)部的流動(dòng)?；炷恋目紫禰18]應(yīng)包括貫通孔隙，交叉孔隙，盲孔和封閉孔隙，而且孔徑分布從小于0.01～100 um以上[19]，可以用連接在混凝土內(nèi)虛擬結(jié)點(diǎn)間的不同直徑的管道[20]表示。在這個(gè)孔隙模型中，水壓力越大，水所能滲透的孔隙直徑越小[19， 21]，即在給定的水壓力下，水不能滲透到更小直徑的管道孔隙中。

圖11是混凝土的一個(gè)局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，給出了具有4種直徑的管道孔隙模型。其中，d0、d2、d5和d10分別為大氣壓力、2、5和10 MPa水壓力下可以滲透的管道孔隙直徑，P1、P2和P3是不同直徑的管道孔隙交叉節(jié)點(diǎn)?；炷猎? MPa水壓力下，水所能滲透的孔隙直徑范圍分別為d0和d2，而不能滲透到更小的孔隙直徑d5和d10中。

在水壓力環(huán)境中完全飽和的混凝土，其內(nèi)部的孔隙水壓力與外部的水壓力相同，此時(shí)試件內(nèi)部初始孔隙水壓力產(chǎn)生拉應(yīng)變受到外部水壓力作用的抵消，靜態(tài)強(qiáng)度不受水壓力的影響[2， 2224]。在本文試驗(yàn)中，混凝土在應(yīng)變速率10-5/s時(shí)的強(qiáng)度隨水壓力的增加而提高，這表明混凝土在循環(huán)荷載之后，其內(nèi)部的孔隙水在孔隙中的分布發(fā)生了變化。

混凝土在施加循環(huán)荷載的過程中，骨架對(duì)孔隙水的往復(fù)沖擊作用使水向更小直徑的孔隙中滲透，同步混凝土周圍的水也將不斷向較大直徑（d0和d2）的孔隙中滲透。由于孔隙中的水無論是向前推進(jìn)還是回流，都將需要一定的壓力作用[19]，因此在荷載循環(huán)完成后，在混凝土內(nèi)部的更小孔隙中（d5和d10）必將存留具有一定壓力的孔隙水，這部分孔隙水所產(chǎn)生的拉應(yīng)變不能被外部的水壓力所抵消，而需要外部的機(jī)械荷載所抵消，這將提高混凝土所表現(xiàn)出的強(qiáng)度。在循環(huán)荷載完成后，水在孔隙中的分布見圖12，與孔隙P1和P2所連接的d5和d10管道孔隙的緊鄰部分將充滿水。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，滲透到更小孔徑的孔隙水將增加，這能提高混凝土強(qiáng)度。但是，循環(huán)次數(shù)太多時(shí)，滲透到更小孔隙的水所產(chǎn)生的拉應(yīng)變則引起混凝土的損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)了循環(huán)次數(shù)先增加后下降的現(xiàn)象，如圖10所示。

由于Stefan效應(yīng)，混凝土的孔隙水在動(dòng)態(tài)荷載作用下將引起顯著地粘滯應(yīng)力σv[2526]，這是提高混凝土強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。其表達(dá)式如式（4）所示。

σv=3ηV2[]2πh5dh[]dt（4）

式中：σv為粘滯應(yīng)力；V為流體的體積；η為液體的粘滯系數(shù)；h為裂縫間距離；dh[]dt為裂縫分開的速度，它與應(yīng)變速率呈正比[16]。對(duì)式（4）分析發(fā)現(xiàn)，相同體積的孔隙水，孔隙越扁平，高寬比越大，引起地粘性應(yīng)力越大[27]?；炷两?jīng)歷循環(huán)荷載作用后，水將滲入更小的孔隙，具有更小的尺度，這將引起更加顯著的粘滯應(yīng)力。從宏觀力學(xué)角度看，這將部分抵消孔隙水壓力對(duì)混凝土強(qiáng)度的降低。在圖10中，混凝土都經(jīng)歷了2 MPa的水壓力飽和，但在高應(yīng)變速率下，強(qiáng)度最大值所對(duì)應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù)增加，而且相比低應(yīng)變速率的情況，循環(huán)100次時(shí)混凝土強(qiáng)度比最大時(shí)的降低幅度減小。這是由于孔隙水在循環(huán)荷載作用下滲透到了更小的孔隙，在高應(yīng)變速率下引起了顯著地粘滯應(yīng)力，從而提高了混凝土強(qiáng)度。

4結(jié)語

通過試驗(yàn)，研究了水壓力環(huán)境下混凝土在荷載循環(huán)后的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度，進(jìn)一步分析了孔隙水對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

1） 經(jīng)歷不同水壓力下飽和混凝土強(qiáng)度都隨應(yīng)變速率的提高而增加；其強(qiáng)度也隨水壓力的提高呈增長地趨勢(shì)。在相同的水壓力下，應(yīng)變速率越高，混凝土強(qiáng)度提高則越顯著。

2）經(jīng)過25～100次荷載循環(huán)后，混凝土強(qiáng)度隨應(yīng)變速度增加而提高?；炷翉?qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)的增長呈現(xiàn)出先提高后降低的現(xiàn)象。應(yīng)變速率越高，混凝土強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù)也相應(yīng)增加。

3）文中提出的描述飽和混凝土強(qiáng)度與應(yīng)變速率或水壓力關(guān)系的公式，能很好地與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。

4）在引入管道孔隙模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合汞壓法的基本原理，考慮混凝土孔隙微觀尺度的影響，能很好地解釋混凝土強(qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)變化的力學(xué)機(jī)理。

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