凍融循環(huán)與疲勞荷載作用下混凝土損傷研究

田立宗，逯靜洲，朱孔峰，劉 亞

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005）

1 研究背景

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題是目前工程界普遍關(guān)注的研究熱點(diǎn)，疲勞荷載與環(huán)境因素聯(lián)合作用是影響混凝土耐久性的重要因素之一。對于全球面積廣闊的寒冷地區(qū)而言，凍融和疲勞荷載作用無疑是導(dǎo)致這些地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)性能損傷的主要因素。在荷載歷史對混凝土損傷特性的影響研究方面，逯靜洲等［1－2］研究了單調(diào)加載和循環(huán)加載荷載歷史對混凝土損傷的演化規(guī)律，可為工程提供較為可靠的損傷值估計(jì)；劉亞等［3］研究了高強(qiáng)混凝土經(jīng)歷史荷載和硫酸鹽侵蝕后的力學(xué)損傷特性。在疲勞荷載對混凝土影響的研究方面，王瑞敏等［4］研究了混凝土在等幅和變幅高周重復(fù)荷載作用下的疲勞破壞的概率。Shah等［5］對混凝土受抗壓疲勞荷載的損傷現(xiàn)象及特性進(jìn)行了研究。但以上研究均未考慮環(huán)境因素對混凝土損傷特性的影響。混凝土在受凍融環(huán)境因素影響研究方面，文獻(xiàn)［6］—文獻(xiàn)［9］研究了混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷劣化原因和機(jī)理，但未考慮疲勞荷載這一重要因素對混凝土性能劣化的影響。

綜上，目前國內(nèi)外大多數(shù)研究是混凝土在疲勞荷載或凍融循環(huán)單一因素作用下的性能劣化，少數(shù)學(xué)者進(jìn)行彎曲疲勞荷載與凍融循環(huán)交互作用下混凝土的性能劣化研究，疲勞荷載與凍融循環(huán)聯(lián)合作用下混凝土性能劣化的研究很少。本文將通過試驗(yàn)研究疲勞荷載和凍融循環(huán)在不同聯(lián)合作用下對混凝土力學(xué)性能損傷演化規(guī)律的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用冀東牌強(qiáng)度等級(jí)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥化學(xué)組成如表1所示。天然河砂的細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于中砂；粗骨料為最大粒徑20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；試驗(yàn)用水為飲用自來水；試驗(yàn)使用灰霸牌萘系高效減水劑和灰霸牌混凝土引氣劑，引氣劑最大摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.03%。

表1 水泥化學(xué)成份質(zhì)量組成Table1 Chemical composition of cement by mass%

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）設(shè)計(jì)混凝土配合比，混凝土配合比如表2。試件為100 mm×100 mm×300 mm（長×寬×高）的長方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，自然放置3個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 配合比設(shè)計(jì)Table2 Design of mix proportions

2.2 試驗(yàn)概況

為對先疲勞后凍融與先凍融后疲勞2種損傷試驗(yàn)的不同損傷特性進(jìn)行對比研究，現(xiàn)進(jìn)行下述試驗(yàn)。凍融與疲勞試驗(yàn)設(shè)備及試件如圖1所示。

圖1 疲勞與凍融試驗(yàn)設(shè)備及試件Fig.1 Test apparatus and specimens for fatigue loading and freeze-thaw cycles

試驗(yàn)方案為：

（1）凍融循環(huán)單一因素作用：試塊放在溫度為15～20℃的水中浸泡 4 d，水面高出試件頂面20 mm，將浸泡4 d后的試塊取出，擦去表面水分，利用ZBL－U510型非金屬超聲波檢測儀測定試塊的波速，然后使用北京耐爾得公司研發(fā)的NELD－BFC型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)對混凝土試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)。將試塊放入盛有清水試塊盒內(nèi)，其中一個(gè)試塊盒內(nèi)裝入中心埋有熱電偶的測溫試件，并將其放在凍融箱的中心位置，整個(gè)試驗(yàn)過程中，水位高度始終保持高出試件頂面5 mm左右；凍融循環(huán)溫度范圍為（－17±2）～（8±2）℃，一個(gè)凍融循環(huán)周期為 4 h左右；試件每隔25次凍融循環(huán)測定其波速。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，對試件分別進(jìn)行25，50，75次凍融循環(huán)，最后測試試件的抗壓強(qiáng)度。

（2）疲勞加載單一因素作用：使用長春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的SDS500型電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土受軸壓疲勞加載試驗(yàn)，軸壓疲勞應(yīng)力水平為0.1fc～0.5fc，試驗(yàn)加載頻率為5 Hz。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，對試件分別進(jìn)行0.25萬、0.5萬、0.75萬、1萬、1.25萬、1.5萬、1.75萬、2萬、2.5萬、3萬、3.5萬、4萬次軸壓疲勞荷載加載，并在設(shè)定的加載次數(shù)利用ZBL－U510型非金屬超聲波檢測儀測定試塊的波速，最后測試試件的抗壓強(qiáng)度。

（3）先凍融循環(huán)后疲勞加載：凍融循環(huán)試驗(yàn)部分同方案（1）；試件完成設(shè)定的凍融循環(huán)次數(shù)后，進(jìn)行軸向疲勞荷載加載試驗(yàn)部分同方案（2），試驗(yàn)加載次數(shù)為0.25萬、0.5萬、0.75萬、1萬次。

（4）先疲勞加載后凍融循環(huán)：疲勞加載試驗(yàn)部分同方案（2），加載次數(shù)為0.25萬、0.5萬、0.75萬、1萬次；試件完成疲勞荷載加載次數(shù)后，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)部分同方案（1）。

2.3 評價(jià)指標(biāo)

混凝土性能的劣化對建筑結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生重要的影響，現(xiàn)以經(jīng)歷損傷后試件的軸心抗壓強(qiáng)度fc的劣化作為損傷評價(jià)指標(biāo)研究混凝土的損傷特性和機(jī)理，同時(shí)研究動(dòng)彈性模量的劣化規(guī)律。

（1）損傷度D，其表達(dá)式為

式中：fcn為試件進(jìn)行n次試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度；fc0為試件的初始抗壓強(qiáng)度。

（2）相對動(dòng)彈性模量Er，其表達(dá)式為

式中：En為試件進(jìn)行n次試驗(yàn)后的動(dòng)彈性模量；E0為試件的初始動(dòng)彈性模量；Vn為試件進(jìn)行n次試驗(yàn)后的超聲波波速；V0為試件的初始超聲波波速。

3 先凍融循環(huán)后疲勞荷載作用的混凝土力學(xué)性能

3.1 相對動(dòng)彈性模量分析

先受凍融作用后施加疲勞作用的混凝土相對動(dòng)彈性模量變化如圖2所示，隨疲勞加載次數(shù)的增加，試件僅受疲勞作用的相對動(dòng)彈性模量整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

圖2 混凝土先凍融后疲勞的相對動(dòng)彈性模量變化Fig.2 Changes of relative dynamic elastic modulus of concrete under the action of fatigue loading after freeze-thaw cycles

由圖2可知：試件相對動(dòng)彈性模量在試驗(yàn)前期降低速度較快、試驗(yàn)后期降低速度緩慢，加載1.25萬次，相對動(dòng)彈性模量值降低20%；加載4萬次，相對動(dòng)彈性模量值降低24.4%，降低較少。這說明疲勞荷載對混凝土的損傷在試驗(yàn)前期較為明顯，隨疲勞次數(shù)的增加，前期的疲勞荷載對混凝土造成的損傷在試驗(yàn)中后期有逐漸緩慢積累與劣化的過程。這與文獻(xiàn)［10］中提出的“高性能混凝土梁的裂縫在重復(fù)荷載作用初期（約20萬次以內(nèi)）大部分形成，其后相當(dāng)長的階段內(nèi)裂縫發(fā)展十分緩慢”的觀點(diǎn)基本相符。

混凝土先受不同次數(shù)凍融循環(huán)后，相對動(dòng)彈性模量值隨疲勞加載次數(shù)的增加整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且前期降低較快后期降低緩慢。先受凍融作用的混凝土，疲勞0.25萬次前，相對動(dòng)彈性模量值降低顯著，隨凍融次數(shù)的增加，相對動(dòng)彈性模量降低值依次增大；疲勞次數(shù)＞1萬次后，凍融次數(shù)＜50次的混凝土的相對動(dòng)彈性模量降低速度變緩慢，凍融75次的混凝土的相對動(dòng)彈性模量降低較快；施加相同次數(shù)的疲勞荷載時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對動(dòng)彈性模量顯著降低。

3.2 損傷度分析

試件先受凍融后受疲勞作用的混凝土損傷度與疲勞加載次數(shù)的關(guān)系如圖3所示，在疲勞荷載加載初期，隨疲勞次數(shù)的增加，強(qiáng)度均呈現(xiàn)出不同程度的提高，與相對動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律不同。

圖3 混凝土先凍融后疲勞的損傷度變化Fig.3 Changes of damage degree of concrete under the action of fatigue loading after freeze-thaw cycles

由圖3可見：試件僅受疲勞作用時(shí)，隨疲勞次數(shù)的增加，強(qiáng)度呈先增后降的趨勢，疲勞超過3萬次后，試件強(qiáng)度低于初始強(qiáng)度值；疲勞4萬次時(shí)，混凝土的損傷度為1.8%。這可能是因?yàn)樵谳S壓疲勞荷載上限應(yīng)力＜0.5fc時(shí)，疲勞次數(shù)小于某范圍內(nèi)對混凝土有壓密實(shí)的作用，其力學(xué)性能得到提高。試件疲勞0.5萬次后，凍融循環(huán)次數(shù)＜75次時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度逐漸提高；試件受1萬次疲勞時(shí)，凍融25次的強(qiáng)度提高最多，凍融75次的強(qiáng)度提高最少，兩者的強(qiáng)度提高值分別是7.6%和3.6%。

3.3 機(jī)理分析

先凍融后疲勞作用的試件，在受凍過程中，表層的大孔首先凍結(jié)，相鄰未凍結(jié)小孔中的水分向大孔持續(xù)遷移，解凍過程正好相反。在整個(gè)凍融過程中，水分總是從小孔洞向大孔洞遷移，隨著凍融次數(shù)的增加，表層混凝土中的大孔飽水度逐漸提高，在某個(gè)凍融循環(huán)后達(dá)到最不利飽水度；隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加，這些孔洞中的壓力不斷增大，孔隙中的壓力引起周圍孔隙的拉應(yīng)力不斷增大，拉應(yīng)力引起基體開裂，在水泥砂漿和和粗骨料表面形成均布分散、相互連通的微裂縫。不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用使混凝土內(nèi)部形成不同程度微裂縫，使相對動(dòng)彈性模量降低，這與文獻(xiàn)［11］的觀點(diǎn)是一致的。關(guān)于強(qiáng)度呈先增后降的特征，及動(dòng)彈性模量相關(guān)性差的原因，筆者認(rèn)為當(dāng)受凍融混凝土經(jīng)歷疲勞荷載作用時(shí)，較少的疲勞次數(shù)可使混凝土因凍融作用而產(chǎn)生的初始裂縫和缺陷經(jīng)擠壓而變得密實(shí)，故強(qiáng)度得以提高；而隨疲勞次數(shù)的繼續(xù)增加，混凝土微裂縫的劣化發(fā)展導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度逐漸降低，有關(guān)強(qiáng)度特征的變化規(guī)律及機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

4 先施加疲勞荷載后受凍融循環(huán)作用的混凝土力學(xué)性能

4.1 質(zhì)量變化率

先施加疲勞荷載后受凍融作用的混凝土質(zhì)量變化率如圖4所示。

圖4 質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between mass change rate and number of freeze-thaw cycle

由圖4可知，試件質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中未經(jīng)疲勞作用的質(zhì)量變化較??；隨疲勞次數(shù)的增加，試件前期質(zhì)量增加幅度顯著增大，后期質(zhì)量損失也越嚴(yán)重。由于不同次數(shù)的疲勞荷載作用使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的微裂縫，并使初始微裂縫得到不同程度的發(fā)展劣化，在凍融循環(huán)初期，導(dǎo)致試樣在飽水狀態(tài)下的含水率提高，試件質(zhì)量呈現(xiàn)增加趨勢；但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，最終試件表面變得酥散，出現(xiàn)掉沫和棱角剝落等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致試樣的質(zhì)量降低。

4.2 相對動(dòng)彈性模量分析

先施加疲勞荷載后受凍融作用的混凝土相對動(dòng)彈性模量變化如圖5所示。

圖5 混凝土先疲勞后凍融的相對動(dòng)彈性模量變化Fig.5 Changes of relative dynamic elastic modulus of concrete under the action of freeze-thaw cycles after fatigue loading

混凝土受不同次數(shù)疲勞荷載作用后，相對動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈現(xiàn)降低趨勢。未經(jīng)受疲勞荷載作用的相對動(dòng)彈性模量降低速度緩慢；經(jīng)受疲勞荷載作用的相對動(dòng)彈性模量降低速度較快，而且受疲勞次數(shù)越多降低速率越大，先施加的疲勞荷載作用顯著加速了相對動(dòng)彈性模量的降低速度。這說明疲勞荷載對混凝土造成的損傷顯著降低了混凝土的抗凍耐久性。試件分別受0，0.5萬，1萬次疲勞作用后，再受75次凍融作用時(shí)，相對彈性模量降低值分別為9.6%，17.7%和25.6%。

4.3 損傷度分析

試件先施加疲勞荷載后受凍融作用損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 混凝土先疲勞后凍融的損傷度變化Fig.6 Changes of damage degree of concrete under the action of freeze-thaw cycles after fatigue loading

隨疲勞次數(shù)的增加，混凝土的損傷度均逐漸增大。僅受凍融循環(huán)作用，損傷速度緩慢，強(qiáng)度降低較少，本文的混凝土損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系的變化趨勢與文獻(xiàn)［12］基本相符。先施加疲勞后受凍融作用的混凝土的損傷劣化明顯，而且相同疲勞加載次數(shù)下，凍融次數(shù)越多，混凝土損傷越明顯；受相同凍融次數(shù)作用下，歷史疲勞次數(shù)越多損傷度越大。試件分別先受0，0.5萬，1萬次疲勞荷載作用，再受75次凍融循環(huán)作用時(shí)，其損傷度分別為7.5%，1.9%，2.42%。歷史疲勞荷載對受凍混凝的損傷有明顯促進(jìn)作用。

4.4 機(jī)理分析

先施加疲勞后受凍融作用，不同次數(shù)的疲勞荷載作用使混凝土先變得密實(shí)后產(chǎn)生不同程度的微裂縫，并且隨疲勞次數(shù)的增加，微裂縫將得到進(jìn)一步的擴(kuò)展劣化。受疲勞荷載作用后的混凝土，在受凍融作用時(shí)已帶有不同程度的損傷，在凍融作用下，將會(huì)有更多孔洞、更容易達(dá)到最不利飽水度。而隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加，這些孔洞中的壓力不斷增大，孔隙中的壓力引起周圍孔隙的拉應(yīng)力不斷增大，繼而更容易引起基體開裂，在水泥砂漿和粗骨料表面形成更多均布分散、相互連通的微裂縫，使混凝土隨疲勞加載次數(shù)的增加，抗凍性能明顯降低，混凝土的相對動(dòng)彈性模量和強(qiáng)度得到不同程度的降低。這與文獻(xiàn)［13］的觀點(diǎn)是一致的，即應(yīng)力損傷混凝土抗凍性能劣化，當(dāng)損傷度＜10%時(shí)，混凝土的抗凍性能略有下降；當(dāng)損傷度≥10%時(shí)，混凝土的抗凍性能顯著降低。

5 不同聯(lián)合作用對混凝土力學(xué)性能影響對比分析

不同聯(lián)合作用下混凝土力學(xué)性能對比分析見表3。

表3 不同聯(lián)合作用下混凝土力學(xué)性能對比分析Table3 Mechanical properties of concrete subjected to different combined effects

如表3所示，混凝土在先疲勞后凍融與先凍融后疲勞2種聯(lián)合作用下，疲勞荷載作用0.5萬次和1萬次時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對動(dòng)彈性模量均逐漸降低；疲勞1萬次的相對動(dòng)彈性模量降低值大于疲勞0.5萬次的降低值，如先疲勞后凍融作用下的混凝土，在先分別疲勞0.5萬次和1萬次再凍融75次的相對動(dòng)彈性模量值分別為0.82和0.74。在相同次數(shù)疲勞荷載作用下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土在先疲勞后凍融作用下的相對動(dòng)彈性模量降低值大于在先凍融后疲勞作用下的降低值，且趨勢越來越明顯，如在凍融75次和疲勞1萬次作用下，先凍融后疲勞作用下的相對動(dòng)彈性模量值為0.78，而先疲勞后凍融作用下的相對動(dòng)彈性模量值為0.74。在疲勞作用次數(shù)相同的條件下，凍融次數(shù)為25次時(shí)，先凍融后疲勞的作用聯(lián)合方式對混凝土相對動(dòng)彈性模量的降低較大；凍融次數(shù)為75次時(shí)，先疲勞后凍融的作用聯(lián)合方式對混凝土相對動(dòng)彈性模量的降低更為顯著。

混凝土在先疲勞后凍融與先凍融后疲勞2種聯(lián)合作用下，疲勞荷載作用0.5萬次和1萬次時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)出完全不一樣的變化規(guī)律。在先凍融后疲勞聯(lián)合方式作用下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度逐漸提高，提高范圍為3.6%～7.6%；在先疲勞后凍融聯(lián)合方式作用下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，降低范圍為8.5%～24.2%，且疲勞1萬次的強(qiáng)度降低值大于疲勞0.5萬次的降低值。

在實(shí)際施工過程中混凝土將會(huì)承受大小不同施工荷載的疲勞作用，施工荷載的疲勞作用和建筑物使用過程中所承受不同荷載的疲勞作用將降低結(jié)構(gòu)的抗凍性能，使混凝土的強(qiáng)度在冬季發(fā)生顯著劣化。所以應(yīng)重視施工荷載和建筑物在使用過程中的荷載作用對建筑結(jié)構(gòu)所造成的疲勞影響。

6 結(jié) 論

為研究混凝土材料經(jīng)歷疲勞和凍融聯(lián)合作用下力學(xué)性能的損傷演化規(guī)律，采用先凍融后疲勞與先疲勞后凍融2種方式對混凝土棱柱體試件進(jìn)行聯(lián)合損傷試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）先經(jīng)受疲勞荷載后受凍融循環(huán)作用時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和相對動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)的增加逐漸降低，且越來越明顯。先經(jīng)受凍融循環(huán)后施加疲勞荷載作用時(shí)，混凝土強(qiáng)度得到不同程度的提高，強(qiáng)度提高最大值為7.6%；隨疲勞次數(shù)的增加，相對動(dòng)彈性模量逐漸降低。

（2）在先凍融后疲勞與先疲勞后凍融的不同聯(lián)合作用下，凍融次數(shù)和疲勞次數(shù)相同時(shí)，凍融次數(shù)＞50次時(shí)，先疲勞后凍融作用下的混凝土的相對動(dòng)彈性模量值逐漸顯著小于先凍融后疲勞作用下的值。混凝土強(qiáng)度在先疲勞后凍融作用下顯著降低，降低幅度為8.5%～24.2%；在先凍融后疲勞作用下稍提高，提高幅度為3.6%～7.6%。疲勞荷載歷史可顯著降低混凝土抗凍性能。

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