不同凍融方式下混凝土雙K斷裂韌度對比試驗

胡少偉， 王 陽, 2

(1. 南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029； 2. 河海大學 土木與交通學院， 江蘇 南京 210098)

混凝土凍融破壞廣泛存在，其破壞程度遠比預(yù)想的要迅速、嚴重。眾多學者對混凝土凍融破壞開展了大量試驗研究，但絕大多數(shù)試驗均基于水凍融環(huán)境，而由于含氯融雪劑的使用，真實環(huán)境中的凍融破壞往往是以鹽凍融這種形式存在的。水凍融與鹽凍融在機理上具有較大差異，對混凝土造成的損傷也有所不同。

一般認為吸水飽和的混凝土在水凍融過程中，遭受的凍脹破壞應(yīng)力主要由兩部分組成[1]：一方面是當混凝土中毛細孔內(nèi)的水達到冰點，結(jié)冰體積膨脹，由于毛細孔壁會抑制膨脹的過程，從而導致膨脹壓的作用；另一個方面是混凝土孔隙內(nèi)有一種凝膠孔，孔內(nèi)水在相當?shù)偷臏囟榷己茈y結(jié)冰，該孔內(nèi)水和毛細孔內(nèi)的冰之間在混凝土的孔徑結(jié)構(gòu)內(nèi)形成通道，相互作用產(chǎn)生滲透壓力。在混凝土遭受水凍融作用時，膨脹力和滲透壓力共同對混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)造成損傷，而由于外界反復(fù)不斷的水凍融循環(huán)作用，使混凝土受到的損傷也不斷地擴展疊加，由最初細小的裂紋形狀發(fā)展成了貫通的清晰可見的裂縫，最終導致無法承受荷載力。

相比于水凍融，鹽凍融破壞更加劇烈，其表現(xiàn)上與水凍融破壞最大的差異在于，伴隨著凍融循環(huán)的進行，試件表面會出現(xiàn)砂漿乃至細骨料的剝蝕脫落，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷加劇。鹽凍融的破壞機理主要為[2-3]：(1)在凍脹作用的基礎(chǔ)上，由于鹽的存在，混凝土內(nèi)產(chǎn)生的滲透壓增大，飽水度提高，結(jié)冰壓增大，導致更為嚴重的凍脹破壞，這是鹽和凍共同作用使破壞加劇的主要機理；(2)由于鹽產(chǎn)生的過冷水處在不穩(wěn)定狀態(tài)，使得其最終在毛細孔中結(jié)冰時增加破壞力；(3)由于鹽在混凝土表面形成的濃度梯度，使受凍時因分層結(jié)冰產(chǎn)生應(yīng)力差；(4)海鹽中存在鹵水成分，接觸混凝土后會不斷在其孔隙內(nèi)形成硫酸鹽結(jié)晶，加劇孔隙的破壞等。

這導致現(xiàn)有水凍融試驗成果在指導實際工程時存在缺陷和不足。因此，探究鹽凍融下混凝土的斷裂力學性能，分析水凍融與鹽凍融環(huán)境對混凝土斷裂性能影響的異同，為已有的水凍融下混凝土各項力學性能的研究提供更接近于真實環(huán)境的修正，得到混凝土自然環(huán)境下的凍融破壞規(guī)律，將為混凝土抗凍融破壞研究提供新的思路和方向，對在此環(huán)境下工作的混凝土服役性能評估和斷裂分析具有重要的意義。

自Kaplan[4]提出Griffith理論以來，國內(nèi)外學者不斷通過混凝土的斷裂試驗來測定混凝土斷裂參數(shù)，以研究混凝土裂縫擴展過程以及縫端附近區(qū)域的物理特性與力學行為[5]。徐世烺等[6]觀察了混凝土材料斷裂的全過程，在前人的基礎(chǔ)上提出了雙K(起裂韌度和失穩(wěn)韌度)斷裂模型并給出了實用的簡化公式，很好地詮釋了混凝土斷裂過程的機理。隨后大量學者[7-9]通過三點彎曲梁和楔入劈拉試件驗證了其理論在常溫條件下的合理性。目前，我國制定的《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》[10]已將混凝土雙K斷裂參數(shù)作為材料基本斷裂性能指標。長久以來，學者們在斷裂試驗方法、尺寸效應(yīng)、斷裂韌度和斷裂能的計算以及材料改性方面對常溫條件下混凝土斷裂性能做了大量研究。

在常溫混凝土斷裂性能研究的基礎(chǔ)上，眾多學者對水凍融及鹽凍融后混凝土的斷裂性能也展開了廣泛的研究[11-12]，但多集中于水凍融后材料斷裂能方面[13]，對水凍融后斷裂韌度的研究開展較少[14]，對鹽凍融后斷裂韌度的研究還很少見。

本文結(jié)合國內(nèi)外研究成果，基于雙K斷裂準則，采用非標準三點彎曲梁試件，通過模擬水凍融與鹽凍融的環(huán)境作用，得到不同凍融方式下混凝土斷裂性能的變化情況，對比研究水凍融與鹽凍融對混凝土雙K斷裂韌度的影響。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗材料

混凝土試件組成材料為: 生活飲用水，P·O 42.5級水泥， 5～25 mm級碎石，天然河砂?；炷僚浜媳葹樗唷盟蒙啊檬? 1∶0.410∶1.045∶2.121?；炷亮⒎襟w抗壓強度均值為41.5 MPa，標準差為3.33 MPa。所有試件1次澆筑完成，每組3個試件。澆筑1 d后脫模，常溫養(yǎng)護28 d。試件預(yù)制裂縫采用厚度為3 mm，帶有30°尖角的鋼板預(yù)埋生成。

試驗共設(shè)計5 組15 根三點彎曲混凝土梁，試件長為500 mm，試件截面寬為100 mm，截面高為100 mm，初始設(shè)計縫高比為0.4，對應(yīng)的初始裂縫長度a0為40 mm，混凝土設(shè)計強度等級為C40。為研究水凍融與鹽凍融對混凝土三點彎曲梁凍融后雙K 斷裂韌度影響的差異并設(shè)置對照組控制變量，分別將各組梁置于常溫干燥、常溫純水浸泡、常溫鹽水浸泡、純水凍融、鹽水凍融條件下進行處理，試件編號見表1。

表1 試件編號Tab.1 Specimen number

1.2 預(yù)處理

鹽浸泡組及鹽凍融組放入盛有質(zhì)量分數(shù)為4%的海鹽溶液[2-3]中浸泡4 d[15]，水浸泡組及水凍融組放入生活飲用水中浸泡4 d，干燥組在室溫干燥環(huán)境下放置4 d。

1.3 靜置與凍融

預(yù)處理后，將水凍融組、鹽凍融組試件連同浸泡盒一起放入低溫試驗箱中進行凍融循環(huán)，水浸泡組、鹽浸泡組繼續(xù)浸泡，干燥組繼續(xù)置于干燥環(huán)境中。凍融1次循環(huán)周期為48 h，冷凍時試驗箱內(nèi)溫度為-30 ℃，循環(huán)10個周期。降溫過程在低溫試驗箱中完成，升溫過程在試驗室室溫環(huán)境下進行。

1.4 后處理及加載、測試方案

待水凍融與鹽凍融組凍融循環(huán)結(jié)束后，將所有試件置于試驗室內(nèi)干燥10 d。試驗均在5 000 kN壓力機上進行，恒定位移加載，速率為0.05 mm/s，加載過程中通過預(yù)先粘貼的應(yīng)變片和荷載傳感器測試測點應(yīng)變及荷載，并采用夾式引伸計測試裂縫張口位移SCMOD。

圖1 引伸計及應(yīng)變片布置Fig.1 Extensometer and strain gauge layout

引伸計及應(yīng)變片布置方式如圖1所示，荷載及各測點的應(yīng)變采用DH5902型數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行采集，夾式引伸計標距12 mm，變形測量范圍+ 4～-1.0 mm。在每個試件預(yù)制裂縫中心延長線方向布置1個電阻應(yīng)變片，并在預(yù)制裂縫尖端兩側(cè)粘貼一對電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片標距5 cm；通過在預(yù)制裂縫口兩側(cè)粘貼四棱柱鋼片，將夾式引伸計安裝在鋼片刀口位置，直接測量出SCMOD值。

試驗中主要采集數(shù)據(jù)包括: 荷載P，混凝土應(yīng)變，裂縫張口位移SCMOD。

圖2 荷載-應(yīng)變曲線確定起裂點Fig.2 Force-strain curve to determine the starting point

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 起裂點判斷

隨著荷載的增加，預(yù)制裂縫尖端兩側(cè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值逐漸增加，且基本上呈線性變化；一段時間后，由于裂縫尖端混凝土的開裂，初始裂縫尖端兩側(cè)的拉應(yīng)變減小，甚至此處出現(xiàn)混凝土受壓，故荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的荷載值即為試件的起裂荷載，如圖2所示。

2.2 雙K斷裂準則及參數(shù)計算

(1)

式中：a0取0.04 m；t為試件截面寬度，本文取10 cm；h0為夾式引伸計刀口薄鋼板的厚度，本文取10 mm；ciSCMOD由試件SCMOD-P曲線的上升段直線上任一點的SCMODi和Pi計算，ci=SCMODi/Pi。

根據(jù)線彈性漸進疊加假定，非線性的斷裂過程可簡化為一系列的線性疊加過程。當外荷載達到最大值Pmax時，裂縫張開口位移δ也達到最大，裂縫長度從預(yù)制長度a0發(fā)展到臨界有效裂縫ac從實測的P-δ曲線上讀取Pmax和臨界裂縫張開口位移δc，可得如下臨界有效裂縫長度：

(2)

式中：Vc為裂縫口張開位移臨界值；E為計算彈性模量。

根據(jù)線彈性漸進疊加假定，獲得Pmax和ac后失穩(wěn)韌度按式(3)計算：

(3)

起裂韌度按式(4)計算：

(4)

需要注意的是，由于試件尺寸為非標準尺寸，需按式(5)換算成標準試件的斷裂韌度[16]：

(5)

式中：α為Weibull參數(shù)，混凝土一般取7～13，這里取中間值10。

根據(jù)以上各式，計算所得斷裂參數(shù)見表2。

表2 混凝土斷裂參數(shù)計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of the concrete fracture parameters

圖3 各組試件的混凝土平均計算彈性模量Fig.3 Average calculated elastic modulus of specimens in each group of specimens

2.3 結(jié)果分析

2.3.1彈性模量 如圖3所示，相對于干燥放置，浸泡于純水或者鹽溶液的試件彈性模量有明顯增長，且增幅相當，推測原因為混凝土即使在28 d養(yǎng)護結(jié)束后，各項性能仍有一定的增長潛力，浸泡于水環(huán)境使得這部分潛力得以發(fā)揮。

同時可以發(fā)現(xiàn)，凍融環(huán)境會降低混凝土彈性模量。水凍融下彈性模量相比于水浸泡組稍有減小，仍能達到95.5%，這也說明10次水環(huán)境凍融循環(huán)仍未對混凝土的彈性模量造成明顯影響；而鹽凍融后的彈性模量僅有鹽浸泡組的74.6%，說明混凝土彈性模量對于鹽凍融環(huán)境非常敏感，10次鹽環(huán)境凍融循環(huán)已對混凝土造成顯著損傷。

圖4 起裂荷載與失穩(wěn)荷載Fig.4 Cracked load and unstressed load

2.3.2起裂荷載與失穩(wěn)荷載 圖4為各組試件起裂荷載與失穩(wěn)荷載對比，可以發(fā)現(xiàn)浸泡于純水及鹽水的試件相對于干燥組其Pini與Pmax均有一定程度的提高，Pini/Pmax增大，驗證了水環(huán)境會對試件提供加強養(yǎng)護的推測。

水凍融組Pini為對應(yīng)浸泡組的52.7%，Pmax為對應(yīng)浸泡組的87.4%，同時，Pini/Pmax也大幅降低，僅有水浸泡組的59.7%。說明試件經(jīng)歷水凍融后斷裂性能顯著降低，同時水凍融造成混凝土中微裂紋起裂、擴展，使得混凝土更早開裂。

鹽凍融組Pini為對應(yīng)浸泡組的88.3%，Pmax為對應(yīng)浸泡組的77.4%，，Pini/Pmax有小幅增長，說明同水凍融相似，試件經(jīng)歷鹽凍融后斷裂性能降低，但加載時裂縫的發(fā)生卻相對推遲，推測是由于鹽凍融作用下混凝土受到的脹裂作用更為明顯，使得混凝土中缺陷提前開裂至破壞，表層受損混凝土逐漸剝蝕脫落，推遲了加載時裂縫的發(fā)生。

圖5 試件有效裂縫長度Fig.5 Specimen effective crack length

圖6 起裂韌度與失穩(wěn)韌度Fig.6 Fracture toughness and failure toughness

2.3.3有效裂縫長度 圖5為各組試件的有效裂縫長度ac。有效裂縫長度越長，所經(jīng)歷的擴展距離越大，相應(yīng)的韌性水平越高。

水浸泡組與鹽浸泡組其ac較干燥組有所降低，分別為其82.4%和84.2%，說明伴隨水環(huán)境的加強養(yǎng)護作用，浸泡組試件相對于干燥組強度提高，因而韌性有所降低。

而由于經(jīng)歷凍融后混凝土中原有缺陷提前被破壞，無論是水凍融還是鹽凍融，其ac相對于浸泡組試件都有所增加，達到各自浸泡組的129.0%和119.5%，說明凍融后混凝土韌性增強，水凍融環(huán)境與鹽凍融環(huán)境對韌性的提高程度基本相當。

2.3.4起裂韌度與失穩(wěn)韌度 圖6為各組試件的起裂韌度與失穩(wěn)韌度?？梢园l(fā)現(xiàn)起裂韌度與失穩(wěn)韌度的總體趨勢和起裂荷載與失穩(wěn)荷載的變化相當。浸泡于純水及鹽水的試件相對于干燥組其起裂韌度與失穩(wěn)韌度均有所提高，說明水環(huán)境加強養(yǎng)護對于混凝土的增強作用在雙K韌度上也有所表現(xiàn)。

水凍融組相比于水浸泡組，伴隨Pini的減小，起裂韌度明顯降低，為水浸泡組的39.1%，而失穩(wěn)韌度僅小幅減小，為水浸泡組的97.5%，說明經(jīng)歷10個循環(huán)周期的水凍融后混凝土斷裂性能降低主要表現(xiàn)為：由于混凝土中微裂紋受凍后開裂、擴展而帶來的混凝土抵抗裂縫發(fā)生的能力明顯降低。

鹽凍融組相比于鹽浸泡組，起裂韌度與失穩(wěn)韌度均有相當程度的減小，分別為鹽浸泡組對應(yīng)的70.7%和89.9%?？梢园l(fā)現(xiàn)試件經(jīng)歷鹽凍融后，內(nèi)部缺陷不斷開展，彈性模量大幅折減，導致起裂韌度與失穩(wěn)韌度同時降低，同時表層混凝土由于產(chǎn)生了嚴重的凍傷而提前剝蝕、脫落，一定程度上相對推遲了裂縫的發(fā)生。結(jié)果表現(xiàn)為起裂韌度與失穩(wěn)韌度同時降低，但相比于失穩(wěn)韌度，起裂韌度的減幅度較小。說明經(jīng)歷10個循環(huán)周期的鹽凍融后混凝土斷裂性能降低主要表現(xiàn)為:一方面彈性模量的大幅折減而帶來的混凝土抵抗裂縫發(fā)生以及發(fā)展的能力同時降低；另一方面表層受損混凝土脫落而使得試件表層缺陷減少，造成受力時裂縫的發(fā)生相對推遲。

3 結(jié) 語

依據(jù)雙K斷裂準則，對比常溫浸泡下的試件，分析經(jīng)歷不同凍融方式后混凝土斷裂參數(shù)的變化情況，研究了水凍融及鹽凍融環(huán)境對混凝土雙K斷裂性能的影響，結(jié)果表明：

不同凍融方式對混凝土造成的影響具有一定的相似性，但在損傷程度和損傷后混凝土受力表現(xiàn)上有顯著區(qū)別。

水凍融對混凝土造成的損傷主要表現(xiàn)在：混凝土中微裂紋受凍后開裂、擴展而導致混凝土抵抗裂縫發(fā)生的能力明顯降低，受荷后起裂快。結(jié)果表現(xiàn)為Pini降至浸泡組的52.7%，Pini/Pmax降為59.7%，起裂韌度僅達到39.1%。而水凍融后混凝土彈模的損傷較輕微，10次循環(huán)后彈模仍能達到浸泡組的95.5%，失穩(wěn)韌度變化很小，由此可知水凍融環(huán)境對混凝土抵抗裂縫發(fā)展的能力影響較不明顯。

鹽凍融對混凝土造成的損傷主要表現(xiàn)在：一方面，鹽凍融后混凝土抵抗裂縫發(fā)生以及發(fā)展的能力同時降低。混凝土總體斷裂性能對鹽凍融環(huán)境非常敏感，鹽凍融后混凝土彈性模量折減為鹽浸泡組的74.6%，起裂韌度與失穩(wěn)韌度分別降為70.7%和89.9%；另一方面，表層受損混凝土脫落而使得試件表層缺陷減少，造成受力時裂縫的發(fā)生相對推遲，表現(xiàn)為Pini小幅下降為浸泡組的88.3%，Pini/Pmax有小幅增長。

參 考 文 獻：

[1] PIGEON M, MARCHAND J, PLEAU R. Frost resistance concrete[J]. Construction and Building Materials, 1996, 10(5): 339-348.

[2] 楊全兵. 混凝土鹽凍破壞機理(Ⅰ)——毛細管飽水度和結(jié)冰壓[J]. 建筑材料學報, 2007, 10(5): 522-527. (YANG Quanbing. Mechanisms of deicer-frost scaling of concrete(Ⅰ)—Capillary-uptake degree of saturation and ice-formation pressure[J]. Journal of Building Materials, 2007, 10(5): 522-527. (in Chinese))

[3] 楊全兵. 混凝土鹽凍破壞機理(Ⅱ): 凍融飽水度和結(jié)冰壓[J]. 建筑材料學報, 2012, 15(6): 741-746. (YANG Quanbing. One of mechanisms on the deicer-frost scaling of concrete(Ⅱ): Degree of saturation and ice-formation pressure during freezing-thawing cycles[J]. Journal of Building Materials, 2012, 15(6): 741-746. (in Chinese))

[4] KAPLAN M F. Crack propagation and the fracture of concrete[J]. 1961.

[5] 胡少偉, 陸俊, 范向前. 混凝土損傷斷裂性能試驗研究進展[J]. 水利學報, 2014, 45(增刊1): 10-18. (HU Shaowei, LU Jun, FAN Xiangqian. Summary of experimental study on fracture properties of concrete[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(Suppl1): 10-18. (in Chinese))

[6] 徐世烺, 趙國藩. 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴展的雙K斷裂準則[J]. 土木工程學報, 1992, 25(2): 32-38. (XU Shilang, ZHAO Guofan. A double-K fracture criterion for the crack propagation in concrete structures[J]. Journal of Civil Engineering, 1992, 25(2): 32-38. (in Chinese))

[7] FAN Xiangqian, HU Shaowei, LU Jun. Effects of various reinforcement ratio on fracture toughness of reinforced concrete for three-points bending beams[J]. Water Resources and Power, 2013.

[8] 胡少偉, 安康. 不同尺寸混凝土三點彎曲梁試件斷裂過程試驗研究[J]. 水利水電技術(shù), 2015, 46(6): 120-125. (HU Shaowei, AN Kang. Experimental study on fracture process of various size specimens of three-point bending concrete beam[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2015, 46(6): 120-125. (in Chinese))

[9] 范向前, 胡少偉, 陸俊. 非標準混凝土三點彎曲梁雙K斷裂韌度試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報, 2012, 33(10): 152-157. (FAN Xiangqian, HU Shaowei, LU Jun. Experimental research on double-K fracture toughness of non-standard three point bending concrete beam[J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(10): 152-157. (in Chinese))

[10] DL/T 5332—2005 水工混凝土斷裂試驗規(guī)程[S]. (DL/T 5332—2005 Hydraulic concrete fracture test procedures[S]. (in Chinese))

[11] DONG W, SHEN X D, XUE H J, et al. Research on the freeze-thaw cyclic test and damage model of Aeolian sand lightweight aggregate concrete[J]. Construction & Building Materials, 2016, 123: 792-799.

[12] 寧作君, 巴恒靜, 楊英姿. 凍融環(huán)境下混凝土的斷裂損傷試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2009, 30(1): 27-32. (NING Zuojun, BA Hengjing, YANG Yingzi. Experimental study of fracture damage in concrete subjected to freeze-thaw cycles[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2009, 30(1): 27-32. (in Chinese))

[13] 于孝民, 任青文. 凍融循環(huán)作用下普通混凝土斷裂能試驗[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2010, 38(1): 80-82. (YU Xiaomin, REN Qingwen. Fracture release energy for ordinary concrete with freeze-thaw cycles[J]. Journal of Hohai University(Natural Science), 2010, 38(1): 80-82. (in Chinese))

[14] 高丹盈, 程紅強. 凍融循環(huán)作用下鋼纖維混凝土Ⅱ型斷裂性能[J]. 水利學報, 2007, 38(8): 998-1002. (GAO Danying, CHENG Hongqiang. Mode Ⅱ fracture properties of steel fiber reinforced concrete subjected to cyclic freezing and thawing[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(8): 998-1002. (in Chinese))

[15] TIAN J, WANG W, DU Y. Damage behaviors of self-compacting concrete and prediction model under coupling effect of salt freeze-thaw and flexural load[J]. Construction & Building Materials, 2016, 119: 241-250.

[16] 胡少偉, 謝建鋒. 非標準混凝土楔入劈拉試件斷裂參數(shù)試驗研究與尺寸效應(yīng)分析[J]. 水電能源科學, 2015(5): 105-108. (HU Shaowei, XIE Jianfeng. Experimental study on fracture parameters and size effect analysis of splitting specimen in nonstandard concrete[J]. International Journal Hydroelectric Energy, 2015(5): 105-108. (in Chinese))