面板混凝土凍融劣化后動(dòng)力性能的研究

李 巖， 王瑞駿， 秦 睿， 賴 韓， 李曉彤

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

在面板混凝土實(shí)際的服役環(huán)境中，經(jīng)常受到動(dòng)荷載的作用。而在我國(guó)的東北、華北寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)在環(huán)境因素的影響下，其耐久性受到嚴(yán)重?fù)p害。因此對(duì)于凍融劣化后面板混凝土動(dòng)力性能的研究意義重大。

目前，對(duì)凍融循環(huán)后混凝土基本力學(xué)性能方面開展了較多的研究。操佩等[1]、徐童淋等[2]研究了凍融后混凝土動(dòng)力性能的變化，給出混凝土動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型。田威等[3]、王海濤等[4]研究得出經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土在不同加載速率下的單軸壓縮破壞規(guī)律。朱孔峰等[5]提出了凍融后有關(guān)混凝土強(qiáng)度和變形關(guān)系式。Ma Qinyong等[6]通過(guò)對(duì)經(jīng)凍融循環(huán)作用后的泥巖和沙質(zhì)泥巖進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和能量分布的規(guī)律。Li Jielin等[7]研究發(fā)現(xiàn)凍融劣化后，砂巖的微孔隙尺寸明顯增大，孔隙結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起其力學(xué)性能的改變。李龍等[8]運(yùn)用abaqus有限元軟件對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的應(yīng)變率敏感性進(jìn)行模擬研究，通過(guò)對(duì)混凝土峰值應(yīng)力和彈性模量的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子隨應(yīng)變率的變化趨勢(shì)來(lái)探討骨料、砂漿的率敏感性，以此研究其對(duì)混凝土整體率敏感性的影響。楊益等[9]對(duì)摻鋼和玄武巖的纖維材質(zhì)混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，并擬合出可以用于預(yù)測(cè)其耐久性衰減的二次函數(shù)模型，精度較高。孫中明等[10]在不同應(yīng)變速率下對(duì)巖石進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究得出巖石的峰值應(yīng)力和應(yīng)變與應(yīng)變率成正比，試件的長(zhǎng)徑比影響著臨界應(yīng)變率。

從目前的研究成果看來(lái)，有關(guān)凍融循環(huán)作用后混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性方面的成果很少，尤其在三軸試驗(yàn)下的動(dòng)力特性研究更少[11-15]?；诖?，本文對(duì)凍融劣化后的面板混凝土試件進(jìn)行了單軸壓縮和常規(guī)三軸試驗(yàn)，比較不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同應(yīng)變速率下的混凝土動(dòng)態(tài)性能；在同時(shí)考慮凍融循環(huán)作用和應(yīng)變速率影響下，探索混凝土的破壞準(zhǔn)則。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)采用銅川水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.2級(jí)普通硅酸鹽水泥；摻和料為Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為渭河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.35；粗骨料為粒徑5～30 mm的卵石，其中粒徑為5～20 mm和20～30 mm(圖1)用量分別為粗骨料總用量的一半；拌合水為自來(lái)水；高效三萜皂甙引氣劑；聚羥基酸減水劑。

圖1 二級(jí)配粗骨料示意圖

2.2 配合比的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依照面板堆石壩相應(yīng)的規(guī)范及已建工程[16]的規(guī)定，具體配合比數(shù)值見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)主要設(shè)備和方法

凍融試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。經(jīng)24 d養(yǎng)護(hù)，將試件浸泡在20℃±2℃的水中4 d后擦干其表面，開始測(cè)定起始質(zhì)量和自振頻率，再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

動(dòng)靜三軸試驗(yàn)儀用于動(dòng)力試驗(yàn)，如圖3所示。其中，單軸壓縮試驗(yàn)采用1×10-5、1×10-4、2×10-4、5×10-4和1×10-3s-15種應(yīng)變速率，常規(guī)三軸試驗(yàn)采用的應(yīng)變速率為單軸壓縮試驗(yàn)的后4種應(yīng)變速率。

表1 面板混凝土試驗(yàn)配合比

圖2快速凍融試驗(yàn)機(jī)圖3 DTD-2000kN微機(jī)伺服粗粒土動(dòng)靜三軸儀

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量特性

混凝土抗凍性的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是質(zhì)量損失。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)的要求，對(duì)經(jīng)100次凍融循環(huán)后的15個(gè)棱柱體試件進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。對(duì)其質(zhì)量損失率和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，表達(dá)式如下：

M(N)=a+bN+cN2

(1)

式中：M(N)為凍融N次后的質(zhì)量損失率，%；N為凍融次數(shù)；a,b,c為回歸系數(shù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得a=0.0226,b=-0.0069,c=0.0001及相關(guān)系數(shù)R2=0.9781。擬合后效果如圖4所示，效果較好。

圖4 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖4看出，凍融循環(huán)后的混凝土試件質(zhì)量損失率先下降后上升。經(jīng)0、25、50、75、100次凍融循環(huán)后，試件質(zhì)量損失大小為0、-0.03%、0.01%、0.16%、0.63%。經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量損失率為-0.03%，是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用使混凝土的空隙增大，在試件內(nèi)部形成微裂隙，混凝土早期由于吸水作用增加的質(zhì)量大于其由于砂漿脫落減少的質(zhì)量，導(dǎo)致其整體質(zhì)量增加；凍融循環(huán)75次后試件的質(zhì)量損失率速度明顯加快，這是由于隨著凍融劣化程度的增大，早期的微裂縫演變?yōu)檩^寬的裂縫，混凝土表面掉渣現(xiàn)象嚴(yán)重。

本試驗(yàn)擬合后的二次曲線具有極值點(diǎn)，而王海濤等[4]研究發(fā)現(xiàn)混凝土的質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)呈單調(diào)遞增的拋物線關(guān)系。這是由于本試驗(yàn)采用的是二級(jí)配混凝土試件，王海濤等[4]試驗(yàn)中采用連續(xù)級(jí)配的石灰石，混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，孔隙率較小，凍融循環(huán)初期進(jìn)入試件的水相對(duì)于本試驗(yàn)較少，試件由于砂漿掉落導(dǎo)致其質(zhì)量減小的效應(yīng)占主導(dǎo)地位。所以隨著凍融次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率表現(xiàn)為單調(diào)增加的拋物線關(guān)系。

3.2 單軸極限抗壓強(qiáng)度

不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同應(yīng)變速率下測(cè)得混凝土的單軸動(dòng)態(tài)極限抗壓強(qiáng)度，如表2所示，極限抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率和凍融次數(shù)的關(guān)系曲線分別如圖5和6所示。

表2 軸向動(dòng)態(tài)極限抗壓強(qiáng)度 MPa

圖5軸向抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率變化關(guān)系圖6軸向抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)變化關(guān)系

由圖5、6可以看出，在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，隨著應(yīng)變速率的增大，混凝土單軸極限抗壓強(qiáng)度隨之提高；相同應(yīng)變速率下的混凝土單軸極限抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)呈反比例關(guān)系。凍融循環(huán)100次后，試件的極限抗壓強(qiáng)度損失較為嚴(yán)重。分析原因是凍融循環(huán)加大了混凝土的劣化程度，試件內(nèi)部初始微裂縫吸水量增大，同時(shí)在冰壓力的作用下裂縫有所延伸和擴(kuò)展，密實(shí)度降低。在相對(duì)較高的1×10-3s-1應(yīng)變速率下，導(dǎo)致200次凍融循環(huán)后混凝土的單軸極限抗壓強(qiáng)度急劇下降，且直線的斜率高于1×10-5和1×10-4s-1應(yīng)變速率所對(duì)應(yīng)的斜率，極限抗壓強(qiáng)度降低至未凍融混凝土極限抗壓強(qiáng)度的50%左右。

3.3 混凝土損壞準(zhǔn)則

混凝土在實(shí)際的服役工作環(huán)境中，其基本性能不僅需考慮凍融劣化的影響，同時(shí)應(yīng)變速率也是重要因素之一，故同時(shí)考慮兩者的混凝土破壞準(zhǔn)則更貼合實(shí)際情況。

閆東明等[11]研究結(jié)果表明，可用公式(2)對(duì)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)與應(yīng)變速率的關(guān)系進(jìn)行擬合：

(2)

采用公式(3)對(duì)混凝土極限抗壓強(qiáng)度增加幅度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合：

fc/fcs=aN2+bN+c

(3)

式中：fc/fcs為極限抗壓強(qiáng)度的增加因子；fc為某一應(yīng)變速率下對(duì)應(yīng)的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；fcs為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下對(duì)應(yīng)的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；a,b,c為擬合參數(shù)。擬合效果如圖8所示，參數(shù)見(jiàn)表4。

特別地，由于凍融循環(huán)作用前后以及高低應(yīng)變速率條件下對(duì)混凝土試件性能產(chǎn)生的差異，故對(duì)未凍融(0次)以及相對(duì)低的應(yīng)變速率(2×10-4s-1)的試件組采用高次擬合的方法。

圖7不同凍融循環(huán)次數(shù)下單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率變化關(guān)系圖8不同應(yīng)變速率下單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

表3 峰值應(yīng)力增加因子與相對(duì)應(yīng)變速率的擬合參數(shù)

表4 峰值應(yīng)力增加因子與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合參數(shù)

由圖7可以看出，混凝土單軸極限抗壓強(qiáng)度增加因子與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)近似呈線性函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較好。對(duì)比凍融循環(huán)50和100次的擬合公式，可以發(fā)現(xiàn)隨著混凝土凍融劣化程度的增大，曲線的斜率減小，表現(xiàn)為混凝土的率敏感性下降。這是由于凍融循環(huán)作用初期，混凝土內(nèi)部逐漸形成微裂紋，其周圍的自由水不斷被吸入。隨后，混凝土內(nèi)部損傷加重，增大了微裂紋的初期寬度，增多了孔隙，此時(shí)由于擠壓作用水的楔入作用進(jìn)一步提高，導(dǎo)致100次凍融循環(huán)的擬合曲線增長(zhǎng)變慢。

由圖8可以看出，混凝土單軸極限抗壓強(qiáng)度增加因子與凍融循環(huán)次數(shù)經(jīng)擬合后大致呈二次或三次函數(shù)關(guān)系。而朱孔峰等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著凍融劣化程度加大，不同應(yīng)變率加載下的相對(duì)抗壓強(qiáng)度降低。可能一方面由于試驗(yàn)采用的材料級(jí)配有差異，本試驗(yàn)粗骨料采用的是粒徑為5～20mm、20～30mm的天然卵石，朱孔峰等[5]采用的是最大粒徑20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；另一方面， 混凝土材料的凍融劣化程度不同，此試驗(yàn)為200次凍融循環(huán)，而朱孔峰等[5]試驗(yàn)凍融循環(huán)次數(shù)最大為75次。

建立凍融循環(huán)和應(yīng)變速率耦合作用下的面板混凝土的損壞準(zhǔn)則，可用公式(4)進(jìn)行表示：

(4)

式中：fcD為凍融循環(huán)后某一應(yīng)變速率下對(duì)應(yīng)的單軸極限抗壓強(qiáng)度，MPa；fcsD為凍融循環(huán)后準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下對(duì)應(yīng)的單軸極限抗壓強(qiáng)度，MPa；a,b,c,α和β為求得的擬合參數(shù)。

3.4 單軸峰值應(yīng)變

混凝土試件的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系分別如圖9和10所示。

圖9峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率變化關(guān)系圖10峰值應(yīng)變隨凍融次數(shù)變化關(guān)系

由圖9看出，混凝土的峰值應(yīng)變?cè)谙嗤膬鋈谘h(huán)次數(shù)下與應(yīng)變速率成反比關(guān)系。分析原因是在較小的應(yīng)變速率下，混凝土中存在較少的微裂紋，此時(shí)裂縫的擴(kuò)展方式主要是沿砂漿表面處進(jìn)行，直至完全貫通，破壞時(shí)微裂紋分布較為集中；試件內(nèi)的微裂紋在較高的應(yīng)變率下來(lái)不及充分壓縮就完全破壞。由能量最少定律[17]，破壞總以能量在單位時(shí)間里減耗最少的形式發(fā)生。在高應(yīng)變速率情況下，裂縫以直穿骨料的方式破壞，并且大多數(shù)的裂紋改變了破壞路徑，減少了路徑長(zhǎng)度，故峰值應(yīng)變減小。由圖10可以看出，相同的應(yīng)變速率下，混凝土的峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。原因可能是凍融循環(huán)過(guò)程中，由于水的凍脹作用加快了孔隙的擴(kuò)張，降低了混凝土的密實(shí)度。因此，在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，由于前期水的結(jié)冰膨脹形成的大孔隙首先會(huì)被壓實(shí)，從而表現(xiàn)出峰值應(yīng)變?cè)龃蟮默F(xiàn)象。

峰值應(yīng)變減小因子與應(yīng)變速率對(duì)數(shù)間的關(guān)系如圖11，為近似呈線性減小關(guān)系，以公式(5)擬合。

圖11 不同凍融循環(huán)次數(shù)下峰值應(yīng)變減小因子隨應(yīng)變速率變化關(guān)系

(5)

式中：εpk/εc為峰值應(yīng)變減小因子;εpk為某一應(yīng)變率下峰值應(yīng)變;εc為靜態(tài)下峰值應(yīng)變；α、β為材料參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 峰值應(yīng)變減小因子與相對(duì)應(yīng)變速率的擬合參數(shù)

根據(jù)表5可知，混凝土峰值應(yīng)變減小因子與應(yīng)變速率對(duì)數(shù)間的線性關(guān)系較好，具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

3.5 常規(guī)三軸試驗(yàn)下極限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變

對(duì)面板混凝土試件經(jīng)100次凍融循環(huán)后在不同圍壓(0、5、10 MPa)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究，混凝土極限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?cè)诓煌瑖鷫合屡c應(yīng)變速率和應(yīng)變速率對(duì)數(shù)間的關(guān)系如圖12和13所示。

圖12 極限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨應(yīng)變速率變化關(guān)系

由圖12可以看出，同一應(yīng)變速率下，隨著圍壓的增加，混凝土軸向抗壓強(qiáng)度值增大，混凝土極限抗壓強(qiáng)度的增幅卻逐漸減小。同時(shí)，應(yīng)變速率對(duì)混凝土極限抗壓強(qiáng)度的影響作用隨著圍壓的增加逐漸減弱，說(shuō)明由于圍壓的存在使得混凝土的率敏感性有所降低。即當(dāng)圍壓超過(guò)某個(gè)值時(shí)，不再考慮應(yīng)變速率這一因素對(duì)于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度的影響。而閆東明等[11]研究發(fā)現(xiàn)該值即為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，分析原因可能是凍融循環(huán)后試件內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展以及混凝土自身材料等原因造成的。

圖13 峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率變化關(guān)系

由圖13可以看出，應(yīng)變速率相同時(shí)，混凝土試件峰值應(yīng)變與圍壓值成正比。說(shuō)明圍壓的存在限制了試件的側(cè)向變形和裂縫發(fā)展，混凝土的延性增強(qiáng)。同時(shí)，峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增大變化不大，總體較為平穩(wěn)。與單軸峰值應(yīng)變結(jié)果有所差異，分析原因可能是由于圍壓的作用限制了混凝土內(nèi)部微裂縫的延伸發(fā)展，使其難以直接穿過(guò)骨料發(fā)生破壞。

4 結(jié) 論

本文對(duì)經(jīng)凍融循環(huán)作用下面板混凝土在不同應(yīng)變速率下單軸壓縮和常規(guī)三軸試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究混凝土的動(dòng)力性能，主要結(jié)論如下：

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，面板混凝土的質(zhì)量損失率先下降后上升，擬合后曲線的形態(tài)為具有極值點(diǎn)的二次曲線。

(2)對(duì)于單軸壓縮試驗(yàn)，混凝土極限抗壓強(qiáng)度增加因子和峰值應(yīng)變減小因子在相同凍融次數(shù)下與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)近似呈線性函數(shù)關(guān)系；同一應(yīng)變速率下，混凝土極限抗壓強(qiáng)度增加因子與凍融循環(huán)次數(shù)經(jīng)擬合后大致呈二次或三次函數(shù)關(guān)系；通過(guò)對(duì)比50和100次凍融循環(huán)下混凝土單軸極限抗壓強(qiáng)度增加因子與應(yīng)變速率對(duì)數(shù)的擬合關(guān)系式，可以看出混凝土的率敏感性隨著混凝土凍融劣化程度的增大而減小。

(3)對(duì)于常規(guī)三軸試驗(yàn)，在100次凍融循環(huán)和相同應(yīng)變速率下，隨著圍壓的增大，試件極限抗壓強(qiáng)度提高；峰值應(yīng)變?cè)谙嗤膰鷫合码S應(yīng)變速率的增大變化較為平穩(wěn)。

(4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮凍融和應(yīng)變速率作用建立面板混凝土損壞準(zhǔn)則，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)水工建筑物具有工程實(shí)踐意義。