經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究

李少麗 劉立榮 王乾峰

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1） 河北石家莊 050041 三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院2） 湖北宜昌 443002)

近年來(lái)，隨著水利工程的大規(guī)模建設(shè)，混凝土在水環(huán)境中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，學(xué)者們對(duì)混凝土材料的研究也逐步拓展到了水環(huán)境混凝土，并取得了一些研究成果。Rossi[1]、李慶斌[2～3]、杜守來(lái)[4]、劉博文[5]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了混凝土材料在水環(huán)境中的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)；王海龍[6～7]從細(xì)觀層次分析了濕態(tài)與飽和混凝土的損傷破壞機(jī)制；Yaman[8]、鄭丹[9]、白衛(wèi)峰[10]、王乾峰[11]研究了孔隙和孔隙水對(duì)混凝土強(qiáng)度和彈性模量的影響；李宗利[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了高滲透孔隙水壓對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響；黃常玲[13]、杜守來(lái)[14]研究了孔隙水壓條件下混凝土的損傷及破壞機(jī)理；彭剛[15]、田為[16]對(duì)有壓孔隙水環(huán)境中的混凝土動(dòng)態(tài)抗壓性能、率效應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Chen[17]對(duì)干燥和飽和混凝土在不密封和密封兩種條件下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析；姬永生[18～19]研究了混凝土孔隙水飽和度的影響因素，建立了混凝土內(nèi)孔隙水飽和度的計(jì)算模型；黃仕超[20]、鄧媛[21]通過(guò)試驗(yàn)研究了循環(huán)孔隙水壓對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及損傷特性。

現(xiàn)有研究成果表明混凝土的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能受水環(huán)境的影響較大，但是目前對(duì)飽和混凝土動(dòng)態(tài)特性受循環(huán)荷載歷史次數(shù)的影響研究鮮有報(bào)道，而循環(huán)荷載歷史在一定程度上又能模擬地震動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行研究可以為混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、評(píng)估等提供一定的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)?；诖?，本文對(duì)經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)飽和混凝土試件在經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)（0次、25次、50次、100次）及不同應(yīng)變速率（10-5/s、10-4/s 、10-3/s 、10-2/s）作用下的力學(xué)性能進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究了荷載循環(huán)次數(shù)和應(yīng)變速率對(duì)經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試件制備

本試驗(yàn)采用φ150×300mm的圓柱體混凝土試件，試驗(yàn)用水泥為湖北宜昌三峽水泥有限公司生產(chǎn)的P．O 42. 5 硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑5～30mm的連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為1.8；拌合水為自來(lái)水；混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土每立方米材料用量 kg/m3

試件用鋼模澆筑成型，攪拌方式為先干拌后濕拌的機(jī)械攪拌方式。試件成型后先在室溫環(huán)境下靜置24 h然后拆模并編號(hào)，接著在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20℃±2℃，相對(duì)濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)28天，取出后放置于干燥房間內(nèi)。試驗(yàn)前對(duì)試件的兩個(gè)端面進(jìn)行磨平處理以避免在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)試件偏心受壓及應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為三峽大學(xué)大型多功能液壓伺服靜動(dòng)力三軸儀，該設(shè)備的主要組成部分包括控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)控制器、加載框架系統(tǒng)、液壓油泵、圍壓系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。該設(shè)備加載框架系統(tǒng)可用于對(duì)試件進(jìn)行3個(gè)方向加載，其水平向和豎向的最大動(dòng)靜力加載負(fù)荷分別為5 000 kN和10 000 kN；圍壓系統(tǒng)可施加最大圍壓為30 MPa，用來(lái)對(duì)試件進(jìn)行飽和處理。

1.3 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)是研究飽和狀態(tài)混凝土在經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的力學(xué)性能，因此在力學(xué)試驗(yàn)前先對(duì)混凝土試件進(jìn)行水飽和處理。混凝土試件飽和處理利用試驗(yàn)設(shè)備圍壓系統(tǒng)的圍壓桶。

圖1 循環(huán)荷載的時(shí)程曲線

圖2 混凝土峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的關(guān)系

將混凝土試件放入圍壓桶，并在圍壓桶內(nèi)充滿水，之后施加1MPa的水壓力，直至水位移保持穩(wěn)定。根據(jù)梁輝[22]的試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)的保水過(guò)程持續(xù) 21小時(shí)以上，此時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件界面顯示的保水曲線的水位移保持不變，認(rèn)為混凝土試件達(dá)到飽和狀態(tài)。此后，卸載水壓力，取出混凝土試件，再進(jìn)行后續(xù)的力學(xué)加載試驗(yàn)。

力學(xué)加載過(guò)程分為四個(gè)階段：第一階段以200 N/s的速度對(duì)混凝土試件施加200 kN的預(yù)加靜態(tài)荷載；第二階段按余弦波對(duì)混凝土試件進(jìn)行循環(huán)等幅加載，循環(huán)次數(shù)分別為0、25、50和100次，幅值60 kN，頻率0.1 Hz；第三階段以200 N/s的速度卸載至10 kN；第四階段對(duì)卸載后的飽和混凝土試件，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，直至試件完全破壞。在試驗(yàn)過(guò)程中，前三個(gè)階段采用荷載控制，第四階段采用變形控制。循環(huán)荷載的時(shí)程曲線如圖1所示。

2 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的力學(xué)性能

2.1 飽和混凝土峰值應(yīng)力分析

經(jīng)歷不同循環(huán)加載歷史次數(shù)后的飽和混凝土在 10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s四種應(yīng)變速率作用下的峰值應(yīng)力，如表2所示。

表2 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的峰值應(yīng)力 MPa

經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)后，飽和混凝土的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化關(guān)系見圖2。從圖2可以看出，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的提高，飽和混凝土的峰值應(yīng)力明顯增大。未經(jīng)歷循環(huán)荷載時(shí)相較于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率10-5/s，在10-4/s、10-3/s、10-2/s應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力分別提高了12.93%、15.70%、24.71%；經(jīng)歷 25次循環(huán)荷載歷史時(shí)峰值應(yīng)力分別提高 13.82%、19.12%、28.57%；經(jīng)歷 50次循環(huán)荷載歷史時(shí)峰值應(yīng)力分別提高了8.62%、10.42%、18.84%；經(jīng)歷100次循環(huán)荷載歷史時(shí)峰值應(yīng)力分別提高了5.94%、9.84%、18.85%。

不同應(yīng)變速率下飽和混凝土峰值應(yīng)力與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，在應(yīng)變速率相同的情況下，隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加，飽和混凝土的峰值應(yīng)力表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次時(shí)飽和混凝土的峰值應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后隨著荷載循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加飽和混凝土的峰值應(yīng)力逐步降低。

循環(huán)荷載次數(shù)對(duì)飽和混凝土峰值應(yīng)力的影響分為兩個(gè)階段。在低次數(shù)的循環(huán)荷載歷史情況下，飽和混凝土的內(nèi)部缺陷與初始微裂紋在機(jī)械循環(huán)的擠壓作用下變得更加密實(shí)，從而導(dǎo)致飽和混凝土的峰值應(yīng)力在一定程度上得到提高，在單調(diào)加載過(guò)程中峰值應(yīng)力會(huì)隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增大；但在高次數(shù)的循環(huán)荷載歷史情況下，飽和混凝土的內(nèi)部缺陷和微裂縫在經(jīng)過(guò)機(jī)械循環(huán)壓實(shí)后，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，混凝土內(nèi)部在舊裂縫持續(xù)發(fā)展的同時(shí)繼續(xù)產(chǎn)生新的裂縫，新裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致在單調(diào)加載過(guò)程中飽和混凝土的峰值應(yīng)力下降。

2.2 飽和混凝土峰值應(yīng)變分析

圖3 飽和混凝土峰值應(yīng)力與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

飽和混凝土在不同荷載循環(huán)次數(shù)與不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)變見表3。

表3 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的峰值應(yīng)變 ×10-3

圖4 飽和混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的關(guān)系

圖5 飽和混凝土峰值應(yīng)變與荷載循環(huán)次數(shù)關(guān)系

經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)后的飽和混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的變化關(guān)系見圖4。從圖4可以看出，混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增加總體呈增大的趨勢(shì)。對(duì)于經(jīng)歷0次、25次、50次和100次循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土，增大趨勢(shì)不明顯，各應(yīng)變速率與準(zhǔn)靜態(tài)加載速率10-5/s相比，應(yīng)變速率10-2/s時(shí)峰值應(yīng)變變化幅度分別為26.36%、2.08%、8.66%和11.74%。這主要是因?yàn)樵谳^高的應(yīng)變速率下，飽和混凝土中的微裂縫是沿著最短路徑發(fā)展的，并且裂縫數(shù)量也較少，從而導(dǎo)致應(yīng)變速率越高，飽和混凝土的最終變形越大。

不同應(yīng)變速率下飽和混凝土峰值應(yīng)力與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖5。從圖5可以看出，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，飽和混凝土的峰值應(yīng)變總體表現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律。對(duì)于飽和混凝土，在應(yīng)變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s時(shí)，歷經(jīng)25次、50次和100次循環(huán)荷載歷史后的峰值應(yīng)變與未受加載歷史的混凝土相比，峰值應(yīng)變變化最大幅度分別為20.92%、6.28%和17.57%。可以看出荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)飽和混凝土峰值應(yīng)變有一定的影響，荷載循環(huán)次數(shù)越低飽和混凝土的延性越好。

2.3 飽和混凝土彈性模量分析

本文以混凝土強(qiáng)度35%～45%時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的割線模量作為飽和混凝土的彈性模量代表值，在不同荷載循環(huán)次數(shù)、不同應(yīng)變速率下的彈性模量如表4所示。

表4 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的彈性模量GPa

經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)后混凝土彈性模量隨應(yīng)變速率的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，混凝土的彈性模量隨應(yīng)變速率呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。經(jīng)歷0次、25次、50次和100次循環(huán)荷載歷史后，飽和混凝土的彈性模量比靜態(tài)應(yīng)變速率下的彈性模量增大了41.66%、21.29%、23.92 %和16.88%。分析認(rèn)為經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土內(nèi)部存在細(xì)觀裂縫，當(dāng)應(yīng)變速率為10-2/s時(shí)，裂縫直接穿過(guò)混凝土粗細(xì)骨料以最短路徑快速發(fā)展，飽和混凝土的形變比低應(yīng)變速率下的小，從而導(dǎo)致其彈性模量比低應(yīng)變速率下彈性模量偏高。

圖6 混凝土彈性模量隨應(yīng)變速率的關(guān)系

圖7 混凝土彈性模量與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)

不同應(yīng)變速率下飽和混凝土的彈性模量隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，在應(yīng)變速率為10-5/s～10-3/s下，隨荷載循環(huán)次數(shù)的增大，飽和混凝土的彈性模量整體表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)為25次時(shí)彈性模量達(dá)到最大值，然后隨著荷載循環(huán)次數(shù)的不斷增加，混凝土的彈性模量下降。當(dāng)應(yīng)變速率為10-2/s時(shí)，飽和混凝土的彈性模量與荷載循環(huán)次數(shù)成反比，即彈性模量隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土隨著應(yīng)變速率的增大其峰值應(yīng)力也增大，隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加其峰值應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，經(jīng)歷50次荷載循環(huán)次數(shù)后的混凝土峰值應(yīng)力達(dá)到最大。

（2）隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，飽和混凝土的峰值應(yīng)變先增大后減小；隨應(yīng)變速率的增大，飽和混凝土的峰值應(yīng)變總體呈增大的趨勢(shì)，荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)飽和混凝土的峰值應(yīng)變有一定影響，荷載循環(huán)次數(shù)越小，飽和混凝土的延性越好。

（3）隨著應(yīng)變速率的增加，飽和混凝土的彈性模量表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)變速率為10-2/s時(shí)，飽和混凝土的彈性模量與荷載循環(huán)次數(shù)成反比。而應(yīng)變速率為10-5/s～10-3/s時(shí)，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增大，飽和混凝土的彈性模量整體表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。