干濕循環(huán)作用下路面水泥混凝土的單軸壓縮試驗(yàn)研究

伊 濤

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要性日益提高，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更是其中的關(guān)鍵。目前，我國公路總里程已經(jīng)躍居世界前列，基本實(shí)現(xiàn)中心城市之間的交通網(wǎng)布置。然而，路面破損，隧道滲水，橋梁裂縫等問題隨之而來。本文針對干濕循環(huán)作用下水泥混凝土路面的物理力學(xué)性質(zhì)展開研究，旨在能夠?yàn)楦纳苹炷谅访尜|(zhì)量提供依據(jù)。

近年來，我國學(xué)者在混凝土干濕循環(huán)方面的研究成果頗豐。章偉等[1]對大溫差干濕循環(huán)作用下路面混凝土裂縫的成因進(jìn)行了分析，并對泡沫混凝土的力學(xué)特進(jìn)行了研究，探討了泡沫混凝土在預(yù)防裂紋產(chǎn)生方面的適用性。劉燕等[2]通過不同粉煤灰摻量對凍融-干濕耦合作用下混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分析了凍融和干濕對混凝土的劣化程度。聞洋等[3]采用NMR(核磁共振)和SEM(掃描電鏡)技術(shù)對干濕循環(huán)作用下聚乙烯混凝土抵抗Cl-1離子的滲透性進(jìn)行了研究。王建輝等[4]對干濕循環(huán)作用下的鐵尾礦砂混凝土耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了干濕循環(huán)對其質(zhì)量損傷率、抗壓耐腐蝕系數(shù)和超聲波速等物理性質(zhì)的影響。鄭全成等[5]分析了鹽凍融和干濕交替作用下瀝青混凝土的高溫與低溫下的力學(xué)性質(zhì)。

綜上分析可知，前人對于干濕循環(huán)、凍融循環(huán)作用下混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了較為充分的研究，但并未考慮不同加載速率與干濕同時作用的情況。本文在考慮干濕循環(huán)作用的同時，又增加了加載速率對混凝土力學(xué)特性的影響，分析了干濕循環(huán)作用后混凝土的宏觀力學(xué)參數(shù)的加載速率效應(yīng)，為混凝土路面的耐久性研究提供了可靠的依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 原材料與配合比

本文試驗(yàn)所采用的材料如表1所示。

表1 試驗(yàn)用材料

根據(jù)混凝土配合比設(shè)計規(guī)程《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55—2011對C30水泥混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)、施工現(xiàn)場及基準(zhǔn)3種配合比的相互比較與調(diào)整，再依據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)最終確定的本文路面混凝土配合比見表2。

表2 路面混凝土配合比

1.2 試件制備

本文所研究的路面水泥混凝土均采用標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行制樣，制備好的試樣尺寸為Φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，所有試件統(tǒng)一在滿足試驗(yàn)規(guī)程的條件下進(jìn)行澆筑，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，部分制備完成的試樣見圖1。

圖1 制備好的試件

1.3 試驗(yàn)方法

本文對不同干濕循環(huán)次數(shù)與不同加載速率作用下的路面混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用進(jìn)口的MTS815.02伺服試驗(yàn)系統(tǒng)。干濕循環(huán)試驗(yàn)方法：首先將制備好的混凝土試件放入浸泡箱中浸泡16 h，水溫為(20±2) ℃，待達(dá)到浸泡時間后，將試樣取出在烘干箱中烘干7 h，烘干溫度為(75±2) ℃，待達(dá)到烘干時間后，將試樣取出，室溫下冷卻5 h，到此為止，試樣經(jīng)歷了一個完整的干濕循環(huán)過程。每組干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，對試樣的質(zhì)量和縱波波速進(jìn)行測量。根據(jù)相關(guān)研究及工程實(shí)際情況，本文設(shè)置干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、20、40、60、80次，設(shè)置加載速率為0.5、1.0、1.5和2.0 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 混凝土物理性質(zhì)變化分析

分別對不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的平均密度和縱波波速進(jìn)行平均化處理，得到二者隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律(圖2)，可以明顯看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土試樣出現(xiàn)劣化，試樣的平均密度與平均縱波波速均呈逐漸遞減趨勢，且干濕循環(huán)次數(shù)越多，二者減幅越大。在0次干濕循環(huán)作用時，混凝土試樣的平均密度為2.415 g/cm3，縱波波速為3.105 km/s；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為20、40、60、80次時，二者減幅逐漸增大，其中平均密度減幅分別為0.83%、0.85%2.41%和9.57%，縱波波速減幅分別為4.85%、7.60%、25.76%和104.23%，可見干濕循環(huán)作用對混凝土的劣化作用顯著。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)，不同加載速率下路面混凝土試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，文中僅給出了干濕循環(huán)次數(shù)0次和80次時的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，混凝土試樣具有與巖石類材料類似的應(yīng)力-應(yīng)變演化過程，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大體可分為壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和峰后階段。不同試驗(yàn)條件下混凝土試樣均具有較為明顯的壓密階段，原因可能是制樣時未能充分振搗，使得試樣內(nèi)部有部分孔隙殘留。從圖中還可以看出，不同試驗(yàn)條件下試樣的峰前曲線較為光滑，峰后曲線略顯差異，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為0時，不同加載速率下的峰后曲線呈“斷崖”式變化，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，試樣的峰后曲線開始出現(xiàn)波動變化，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為80次時，試樣的峰后曲線呈明顯“臺階式”下降，與干濕循環(huán)次數(shù)為0次時相比，峰后曲線持續(xù)時間延長，試樣的軟化現(xiàn)象逐漸凸顯。從圖中還可以看出，混凝土試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量等宏觀力學(xué)參數(shù)均與干濕循環(huán)次數(shù)和加載速率密切相關(guān)，后文將對其進(jìn)行具體分析。

圖2 水泥混凝土物理特性與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

圖3 不同試驗(yàn)條件下混凝土試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 宏觀力學(xué)參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到不同試驗(yàn)條件下混凝土試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量的計算結(jié)果見表3，限于篇幅，文中僅列出了干濕循環(huán)0次和80次的計算結(jié)果。

表3 混凝土試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)

由表可知，混凝土試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)、加載速率之間具有密切聯(lián)系。其中，在相同加載速率下(0.5 mm/s)，當(dāng)干濕循環(huán)為0次時，試樣的峰值強(qiáng)度為75.31 MPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.08%，彈性模量為11.40 GPa；當(dāng)干濕循環(huán)增加至80次時，試樣的峰值強(qiáng)度降至62.56 MPa，峰值應(yīng)變增大至1.45%，彈性模量降低至8.21 GPa，變化幅度分別為-16.93%、+34.26%和-27.98%。表明混凝土試樣在干濕循環(huán)作用下劣化程度逐漸加深。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下(干濕循環(huán)次數(shù)為0)，當(dāng)加載速率為0.5 mm/s時，試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量分別為75.31 MPa、1.08%和11.40 GPa；當(dāng)加載速率分別為1.0、1.5和2.0 mm/s時，試樣的峰值強(qiáng)度分別為0.5 mm/s時的1.02、1.17和1.26倍，峰值應(yīng)變分別為0.5 mm/s時的1.07、1.11和1.12倍，彈性模量分別為0.5 mm/s時的0.97、1.09和0.99倍。表明加載速率對混凝土試樣的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變具有顯著的促進(jìn)作用，二者與加載速率呈正相關(guān)關(guān)系，而彈性模量隨加載速率無明顯變化規(guī)律。不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)表現(xiàn)出類似關(guān)系，具體情況見圖4。

圖4 不同加載速率下宏觀力學(xué)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

3 干濕循環(huán)作用后混凝土加載速率效應(yīng)分析

根據(jù)前文分析可知，混凝土試樣的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變具有顯著的加載速率效應(yīng)，而彈性模量與加載速率之間的相關(guān)性不強(qiáng)，因此，對于宏觀力學(xué)參數(shù)的加載速率效應(yīng)僅考慮峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變，圖5為干濕循環(huán)0次和80次時混凝土試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變與加載速率之間的關(guān)系曲線。

圖5 峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變與加載速率之間關(guān)系曲線

由圖可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，混凝土試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變均隨加載速率的增大而逐漸增大，采用Origin軟件對曲線進(jìn)行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變與加載速率之間均滿足線性函數(shù)關(guān)，即:

y=αx+β

(1)

式中：y為峰值強(qiáng)度或峰值應(yīng)變；x為加載速率；α、β為材料參數(shù)。不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，說明峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變與加載速率之間具有較強(qiáng)線性相關(guān)性。表4為不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的材料參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，表中峰值強(qiáng)度的擬合參數(shù)用ασ、βσ表示，峰值應(yīng)變的擬合參數(shù)用表示αε、βε表示。

表4 材料參數(shù)α、 β統(tǒng)計結(jié)果

由式(1)可知，參數(shù)α代表加載速率的作用程度，α值越大，加載速率對混凝土試樣的影響越明顯，無量綱；參數(shù)β表征加載速率趨于零，即理想靜水壓力條件下混凝土試樣的峰值強(qiáng)度或峰值應(yīng)變，量綱與對應(yīng)變量相同。為直觀觀察參數(shù)α、β隨加載速率的變化規(guī)律，將表中數(shù)據(jù)繪于圖6。

圖6 材料參數(shù)α、 β與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

從表4和圖6中可以看出，峰值強(qiáng)度參數(shù)ασ、βσ均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而逐漸減小，表明在干濕循環(huán)0次時，加載速率效應(yīng)最明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，加載速率效應(yīng)逐漸減弱，試樣的損傷程度逐漸加深。峰值應(yīng)變參數(shù)αε、βε則均隨干濕循環(huán)次數(shù)呈逐漸遞增趨勢，恰好與峰值強(qiáng)度參數(shù)呈相反規(guī)律變化，原因是峰值強(qiáng)度隨干濕循環(huán)的增大而逐漸劣化，試樣的承載能力逐漸減弱，進(jìn)而導(dǎo)致其變形能力逐漸增強(qiáng)，因此在擬合參數(shù)上表現(xiàn)出隨干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增大的趨勢。

4 結(jié)論

本文針對路面水泥混凝土受干濕循環(huán)作用后的物理力學(xué)性質(zhì)展開了研究，分別對干濕循環(huán)0、20、40、60和80次后的混凝土試樣進(jìn)行了0.5、1.0、1.5和2.0 mm/s 4種加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，混凝土的物理參數(shù)出現(xiàn)劣化，干濕循環(huán)由0次增加至80次，試樣的平均密度和平均縱波波速分別減小了9.57%和25.17%，且物理參數(shù)的減幅隨干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增大。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，混凝土的峰值強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小，峰值應(yīng)變逐漸增大；隨著加載速率的逐漸增大，試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變逐漸遞增，而彈性模量與加載速率之間無明顯變化規(guī)律。

(3)干濕循環(huán)作用后混凝土的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變具有明顯的加載速率效應(yīng)，二者與加載速率之間均滿足線性遞增函數(shù)關(guān)系，且根據(jù)擬合參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系可知，干濕循環(huán)促進(jìn)了混凝土試樣的加載速率效應(yīng)。