早齡期混凝土動態(tài)力學(xué)性能實驗研究

李勝林，凌天龍，張會歌，張明悅

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.泰山學(xué)院 機械與建筑工程學(xué)院，山東 泰安 271000；3.河南省實驗學(xué)校裕鴻國際學(xué)校，河南 鄭州 450019

現(xiàn)代施工方法致力于提高施工速度，高效建設(shè)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑理念的核心。然而，混凝土工程在養(yǎng)護(hù)期間不可避免受到外界的擾動。大量研究表明，早齡期混凝土強度相對較低，對外界擾動比較敏感，早期受力對其后期性能影響巨大[1-5]。目前國內(nèi)地下工程一般采用鉆爆法掘進(jìn)，實際施工過程中，混凝土工程與爆破作業(yè)常常是同步或穿插進(jìn)行的。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)距離爆源很近時，爆破施工會在附近未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生累積損傷，進(jìn)而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期強度。因此，關(guān)于早期沖擊作用對混凝土的影響引起了廣泛的關(guān)注，并有學(xué)者針對振動擾動對早齡期混凝土的影響進(jìn)行實驗和理論研究[6-8]。為了反映工程實際，人們開始采用分離式霍普金森壓桿對早齡期混凝土在高應(yīng)變率條件下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。郭東明等[9]對早齡期混凝土與巖石黏結(jié)形成的層狀組合體進(jìn)行循環(huán)沖擊，研究其累計損傷和破壞規(guī)律。李夕兵等[10-11]應(yīng)用SHPB裝置以50%臨界入射能對早齡期混凝土進(jìn)行沖擊實驗，7 d前混凝土的強度和彈性模量均有提高，超過7 d后，沖擊作用則會使強度和彈性模量降低。王世鳴等[12]研究了早齡期混凝土強度、峰值應(yīng)變以及單位體積吸收能與應(yīng)變率之間的關(guān)系。此外，也有學(xué)者們嘗試?yán)檬覂?nèi)實驗?zāi)M爆破振動對早齡期混凝土的影響。李寧等[13-14]利用室內(nèi)模型實驗，研究了爆破振動對混凝土襯砌強度的影響，對安全振速、襯砌的安全距離及其合理施做時間進(jìn)行了討論。單仁亮等[15-16]對終凝前后噴射混凝土強度在爆破動載作用下的變化情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明終凝前一定量的爆破振動可以提高混凝土的密實程度，促進(jìn)強度增長，而齡期12～24 h則為噴射混凝土受爆破動載影響的主要時期。

本文以早齡期混凝土為研究對象，應(yīng)用分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)分別對C20和C40兩種強度等級混凝土進(jìn)行沖擊實驗，研究在齡期1 d、2 d、3 d、5 d、 7 d受到?jīng)_擊作用后其力學(xué)特性隨齡期和應(yīng)變率的變化規(guī)律，并將其與齡期28 d的實驗結(jié)果進(jìn)行對比，分析早期沖擊對后期力學(xué)性能的影響。

1 混凝土壓縮實驗

1.1 混凝土試樣制備

實驗所用混凝土試樣采用模具(圖1)制備。試件的規(guī)格分為兩種：一是100 mm×100 mm× 100 mm的立方體試件，用于靜載壓縮實驗；二是直徑75 mm、高度37.5 mm的圓柱體試件，用于動態(tài)沖擊實驗。試樣制備過程按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行[17-18]：攪拌、振搗、抹平、養(yǎng)護(hù)、拆模、二次抹平、養(yǎng)護(hù)，其中二次抹平采用水泥砂漿，保證端部不平整度不超過0.2 mm。

圖1 混凝土模具Fig.1 concrete mould

配備兩種不同強度等級混凝土，C20混凝土采用標(biāo)號為P.O 32.5普通水泥，C40混凝土采用標(biāo)號為P.O 42.5普通水泥，砂子采用直徑小于5 mm的中粗砂，石子采用直徑小于15 mm的人工碎石，混凝土配比見表1。試件制備完成后在溫度為(20±3)℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

表1 混凝土配比

1.2 混凝土靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗

靜載壓縮實驗裝置采用YE-2000E度盤式壓力實驗機(圖2)，以壓力控制方式對不同齡期混凝土進(jìn)行單軸壓縮實驗，實驗過程中連續(xù)均勻加載，加載速度為0.5 MPa/s。動態(tài)壓縮實驗采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)75 mm直徑的SHPB裝置，該裝置由氣壓室、沖擊桿、測速儀器、輸入桿、輸出桿、吸收桿、阻尼器、超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)、波形儲存儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖3所示。實驗所用輸入桿和輸出桿的長度均為2.0 m，沖擊桿長度為0.4 m，材料均為321不銹鋼，密度7 800 kg/m3，彈性模量210 GPa。

圖3 SHPB實驗系統(tǒng)Fig.3 SHPB experimental system

沖擊實驗分為單次沖擊和重復(fù)沖擊。

(1) 分別對齡期為1 d、2 d、3 d、5 d、7 d和28 d的混凝土試件進(jìn)行沖擊實驗；

(2) 選取單次沖擊后保持完整的試件，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行第2次沖擊實驗。

2 早齡期混凝土靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能

2.1 早齡期混凝土動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試件兩端應(yīng)力平衡且均勻分布是保證實驗結(jié)果可靠性的重要前提。圖4為齡期28 d混凝土動態(tài)應(yīng)力平衡分析曲線。從圖中可以看出，超過90 μs后，入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力波合成的時程曲線與透射應(yīng)力波時程曲線基本重合，表明試樣兩端的應(yīng)力能夠達(dá)到平衡，實驗數(shù)據(jù)有效可靠。

圖4 應(yīng)力波波形圖Fig.4 Waveforms of stress wave

圖5是應(yīng)變率為55 s-1時不同齡期混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期5 d以前，混凝土強度較低，峰值應(yīng)變較大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較為明顯的屈服平臺，表現(xiàn)出一定的延性。7 d以后，混凝土的脆性特征逐漸顯現(xiàn)。早齡期混凝土發(fā)生強烈的水化反應(yīng)，內(nèi)部有大量水分和孔隙，水化硅酸鈣和氫氧化鈣未交錯在一起，動載作用導(dǎo)致邊界水化產(chǎn)物之間的滑動，從而容易發(fā)生較大的變形[12]。不同齡期C20混凝土的峰值應(yīng)變均大于同齡期C40混凝土，表現(xiàn)出更為明顯的塑性特征。

圖5 不同齡期混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of concrete at different ages

2.2 早齡期混凝土強度特性

圖6為靜載及應(yīng)變率為55 s-1和70 s-1時混凝土強度隨齡期變化的關(guān)系。從圖6可以看出，7 d前混凝土的強度增長較快，應(yīng)變率越大，強度增長越快；7 d以后靜態(tài)和動態(tài)強度的增長速度均變得緩慢平穩(wěn)?；炷领o態(tài)強度和動態(tài)強度與齡期均呈現(xiàn)對數(shù)增長關(guān)系，兩者的關(guān)系式可通過σ=alnT+b來表示。相同應(yīng)變率水平下，C40混凝土的a和b的值均大于C20混凝土，表明C40混凝土強度的增長速度明顯大于C20混凝土。

圖6 早齡期混凝土強度隨齡期的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between strength and ages

對于巖石和混凝土類材料，其動態(tài)強度與應(yīng)變率之間的關(guān)系一般采用動態(tài)強度增強因子(DIF)作為衡量指標(biāo)，DIF的表達(dá)式為[21]

(1)

式中，fcd為動態(tài)抗壓強度；fcs為準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強度。

圖8為不同齡期混凝土動態(tài)強度增強因子隨應(yīng)變率變化的關(guān)系。應(yīng)變率為30 s-1～80 s-1時，動態(tài)強度增強因子隨著應(yīng)變率的增大呈線性增長。從圖中可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期1 d，應(yīng)變率約為75 s-1時，C20混凝土動態(tài)強度增強因子為2.9，約為C40混凝土的1.3倍，早齡期C20混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)更為明顯，這一點同樣可以從圖7中的應(yīng)變率指數(shù)得到驗證。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期后，C20和C40混凝土的動態(tài)強度增強因子相差不大，均在1.1～1.6范圍內(nèi)，這與多數(shù)研究成果相近[12，20]。

C城真的存在，我試圖通過現(xiàn)象學(xué)原理梳理我的拍攝經(jīng)歷，我們“看見的”永遠(yuǎn)比表面上顯現(xiàn)的要多。透過C城的照片，其實是對過往生活表達(dá)一份深深的懷念。用照片來講述一座小城的瑣碎往事。

圖7 混凝土強度與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.7 Relationship between strength and strain rates

圖8 不同齡期DIF隨應(yīng)變率變化規(guī)律Fig.8 Variation of DIF with strain rates at different ages

2.3 早齡期混凝土變形特性

圖9給出了各齡期混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，每一齡期混凝土峰值應(yīng)變均隨之增大，兩者保持明顯的線性增長關(guān)系。對每一齡期混凝土峰值應(yīng)變和應(yīng)變率進(jìn)行線性擬合，齡期5 d以前，C20混凝土擬合得到的線性方程斜率隨著齡期的增長而減小，峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的增長速度降低；齡期7 d以后，峰值應(yīng)變則不再隨齡期變化。C40混凝土的變化規(guī)律與C20相似，相同應(yīng)變率條件下，混凝土峰值應(yīng)變均隨著齡期的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，說明養(yǎng)護(hù)齡期越長，混凝土的脆性特征越明顯。然而，由于C20和C40混凝土強度的發(fā)展速度不同，C20混凝土峰值應(yīng)變隨齡期變化的趨勢比C40混凝土更為顯著。

圖9 不同齡期混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率變化規(guī)律Fig.9 Variation of critical strain with strain rates at different ages

3 早期沖擊對混凝土力學(xué)特性的影響

3.1 實驗設(shè)計

沖擊齡期和應(yīng)變率兩方面因素對混凝土后期力學(xué)性能的影響。實驗包括3個步驟：

(1)對養(yǎng)護(hù)齡期為1 d、2 d、3 d、5 d、7 d的混凝土分別進(jìn)行不同應(yīng)變率水平的沖擊實驗，沖擊后選取完整的試件放入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至齡期28 d；

(2)對步驟(1)中養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土試件以相同應(yīng)變率進(jìn)行第2次沖擊實驗；

(3)取一組未受早期沖擊的混凝土試件養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行沖擊加載。

需要指出的是，為了方便對比分析，通過控制發(fā)射氣缸的氣壓，步驟(2)的第2次沖擊加載和實驗的應(yīng)變率均控制在60 s-1左右。

3.2 早期沖擊對混凝土變形特性的影響

圖10為受早期沖擊混凝土試件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期后，第2次沖擊時混凝土峰值應(yīng)變隨早期沖擊應(yīng)變率的變化曲線。從圖中可以看出，受早期沖擊的影響，混凝土峰值應(yīng)變存在較大差異。混凝土在齡期1～3 d內(nèi)，受沖擊的應(yīng)變率較小時，峰值應(yīng)變與未受早期沖擊試件的值相差不大，隨著早期沖擊應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)應(yīng)變率增加到一定值后，峰值應(yīng)變減小的趨勢減弱，甚至出現(xiàn)“回彈”現(xiàn)象。當(dāng)沖擊齡期超過5 d后，與上述實驗結(jié)果相反，早齡期的沖擊作用導(dǎo)致混凝土峰值應(yīng)變隨著早期沖擊應(yīng)變率的增大而呈先增加后減小的趨勢。產(chǎn)生這種差異性的原因可能在于：養(yǎng)護(hù)齡期為1～3 d時混凝土的強度比較低，較小的沖擊荷載一方面可以使混凝土試件出現(xiàn)微小的裂隙，由于此時混凝土的水化反應(yīng)仍比較劇烈，混凝土具有一

圖10 早期沖擊混凝土峰值應(yīng)變變化規(guī)律Fig.10 Variation of peak strain of early age impact concrete

定的“自愈”能力，一些較小的微裂紋因此得以修復(fù)；另一方面還可以將混凝土試件壓實，增強了混凝土的脆性特性，這也是峰值應(yīng)變減小的原因；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期超過5 d以后，混凝土試件的強度迅速發(fā)展，水化反應(yīng)減弱，“自愈”能力降低，沖擊荷載較小時，試件中出現(xiàn)大量微裂隙，從而使得材料的塑性特征增強，而隨著沖擊荷載的增大，微裂紋的尺寸增大，混凝土的脆性再次顯現(xiàn)，材料的變形能力開始下降。從圖中可以看出，C20和C40混凝土的變化規(guī)律極為相似，但C20混凝土受齡期和應(yīng)變率影響的程度更大。

3.3 早期沖擊對后期強度的影響

圖11 早期沖擊混凝土后期強度變化曲線Fig.11 Variation of late strength of early age impact concrete

為考察不同齡期沖擊作用對混凝土強度的影響，分別以固定的應(yīng)變率對早齡期混凝土進(jìn)行沖擊，將沖擊后的混凝土試件養(yǎng)護(hù)至28 d，再次采用相同的應(yīng)變率(60 s-1)對混凝土試件進(jìn)行沖擊實驗，并將實驗結(jié)果與未受早期沖擊的混凝土實驗結(jié)果進(jìn)行對比。圖12為早期沖擊試件與未受早期沖擊試件的動態(tài)抗壓強度之比隨齡期的變化規(guī)律。由圖12可以看出，在早齡期固定應(yīng)變率沖擊作用下，混凝土后期強度均隨齡期的增大呈減小的趨勢。齡期3 d后，混凝土在不同應(yīng)變率沖擊作用下得到的動態(tài)抗壓強度的差值逐漸減小，說明隨著齡期的增大，混凝土達(dá)到一定強度，具備承受一定沖擊的能力，其受應(yīng)變率的影響程度有所削弱。因此，在混凝土工程附近施工時，不僅需要控制沖擊作用的加載速率，同時應(yīng)做好齡期小于7 d混凝土的防護(hù)工作，以減小或避免早期沖擊對混凝土后期承載能力造成不可逆的影響。

圖12 混凝土后期強度百分比Fig.12 Strength ratio of impacted concrete at early age to concrete without impact

由圖11和圖12還可以看出，齡期7 d前，相同應(yīng)變率條件下，C40混凝土的動態(tài)抗壓強度先快速降低而后趨于平穩(wěn)，而C20混凝土則在各齡期均有一定幅度的降低，表明C20混凝土的動態(tài)力學(xué)性能受首次沖擊應(yīng)變率和齡期的影響更明顯。

4 結(jié) 論

利用分離式霍普金森壓桿實驗對不同齡期的C20和C40混凝土進(jìn)行沖擊加載，通過實驗數(shù)據(jù)分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 相同應(yīng)變率條件下，C20和C40混凝土的單軸壓縮強度與齡期呈對數(shù)關(guān)系。同一齡期混凝土，動態(tài)抗壓強度與應(yīng)變率之間呈指數(shù)關(guān)系。

(2) 沖擊荷載作用下，早齡期混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的增加呈線性增長。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，混凝土的塑性特征減弱而脆性特征逐漸顯現(xiàn)。

(3) 混凝土早期受沖擊荷載作用，養(yǎng)護(hù)至28 d后，其動態(tài)抗壓強度總體上隨著首次沖擊應(yīng)變率的增大而減小。隨首次沖擊應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)變則呈現(xiàn)兩種變化規(guī)律，即沖擊齡期小于3 d時峰值應(yīng)變出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，超過5 d后，其變化規(guī)律與之相反。

(4) 應(yīng)變率和沖擊齡期對混凝土動態(tài)力學(xué)性能均有較大影響，且混凝土強度等級越低，對二者越敏感。因此，在早齡期混凝土工程(尤其是低強度混凝土)附近施工時，應(yīng)注意控制動態(tài)沖擊應(yīng)變率，并加強早齡期的養(yǎng)護(hù)工作。