低溫凍融循環(huán)對(duì)陶?；炷羷?dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

薛 文，王 騰，程文杰，沈鴻儒，李 乙，陳江瑛，朱瑤宏

(1.寧波大學(xué)，沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211；2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，寧波 315101)

0 引 言

隨著混凝土材料大規(guī)模的使用和對(duì)節(jié)能、環(huán)保要求的提高，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、隔音、抗震等特點(diǎn)的陶?；炷猎诠こ讨械玫搅藦V泛的應(yīng)用。與相同強(qiáng)度的普通混凝土相比，陶?；炷恋馁|(zhì)量減輕了25%～30%，這意味著使用相同強(qiáng)度等級(jí)的陶?；炷吝€減輕了結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的承載壓力[1-3]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶?；炷亮W(xué)性能以及混凝土凍融循環(huán)開展了大量研究。李平江等[4]研究了高強(qiáng)陶?；炷恋幕玖W(xué)性能，測(cè)量了不同配合比陶?；炷恋膹椥阅Ａ?、抗拉和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，以高級(jí)配陶粒為粗骨料的陶?；炷劣休^好的力學(xué)性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)符合相關(guān)輕集料混凝土的規(guī)范。鄭秀華等[5-6]對(duì)陶粒混凝土強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響的研究表明，隨著陶粒預(yù)濕程度的提高，陶粒與基體界面的致密性降低，陶?；炷猎缙趶?qiáng)度降低。Wang等[7-8]進(jìn)行了商用陶?；炷粮黝悘?qiáng)度試驗(yàn)和板材開裂試驗(yàn)，結(jié)果表明，相同體積分?jǐn)?shù)的陶?；炷粒?yè)巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度均高于粘土陶粒和粉煤灰陶粒混凝土，且在混凝土中加入陶粒可以降低混凝土的開裂敏感率。Hanjari等[9]研究了凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，凍融循環(huán)對(duì)混凝土彈性模量和峰值應(yīng)力的減小影響較大，同時(shí)也降低了混凝土的抗拉強(qiáng)度。Yan等[10]的研究表明，應(yīng)變率從10 s-1增大到100 s-1和陶瓷骨料顆粒粒徑變小均使陶瓷骨料混凝土的強(qiáng)度提高。Li等[11]對(duì)歷經(jīng)不同凍融循環(huán)條件后的混凝土試件進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，分析了沖擊破碎過(guò)程及損傷演化機(jī)理。現(xiàn)行混凝土耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中凍融循環(huán)試驗(yàn)的最低溫度為-20 ℃[12]，但隨著高寒地區(qū)對(duì)于建筑保溫隔熱抗凍性要求的提高，該規(guī)范的一些指標(biāo)已不能滿足極寒環(huán)境應(yīng)用的需求，而較低溫度凍融循環(huán)后陶?；炷恋膭?dòng)態(tài)力學(xué)性能研究又少有報(bào)道。

本文主要采用TR-TSDR-70酒精凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)對(duì)陶粒體積含量為40%的混凝土試樣進(jìn)行凍融，凍融循環(huán)最低溫度分別為-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃。通過(guò)分離式Hopkinson束桿試驗(yàn)裝置對(duì)凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，研究不同凍融循環(huán)條件對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

陶?；炷猎嚇映叽鐬?50 mm×150 mm×100 mm，陶粒體積含量為40%，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，水灰比為0.4。

水泥選用P·Ⅱ 42.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料河砂選用鄱陽(yáng)砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，粒徑級(jí)配為Ⅱ區(qū)中砂，表觀密度為2 600 kg/m3，堆積密度1 620～1 660 kg/m3，吸水率為1.4%。粗骨料選用強(qiáng)度為800級(jí)的碎石型頁(yè)巖陶粒，直徑為5～20 mm，堆積密度為744 kg/m3，表觀密度為1 368 kg/m3，吸水率如表1所示，無(wú)其他外加劑。

表1 頁(yè)巖陶粒吸水率Table 1 Water absorption of shale ceramsite

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)在TR-TSDR-70酒精凍融循環(huán)機(jī)中進(jìn)行，凍融循環(huán)機(jī)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 酒精凍融循環(huán)機(jī)Fig.1 FTC machine with alcohol

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082—2009)的規(guī)定進(jìn)行試樣的快速凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)前，對(duì)試樣先進(jìn)行質(zhì)量、高度和超聲波波速測(cè)量，再于常溫水中浸泡96 h，然后進(jìn)行凍融。表2為試樣的凍融循環(huán)方案。

表2 凍融循環(huán)方案Table 2 FTC scheme

1.3 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

試樣的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)在Hopkinson束桿試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。裝置如圖2所示，該裝置主要由發(fā)射加載裝置、轉(zhuǎn)換桿、轉(zhuǎn)換塊、入射束桿、透射束桿、吸收裝置等組成。入射束桿、透射束桿均由25根橫截面為30 mm×30 mm的方桿組成，入射束桿長(zhǎng)2 m，透射束桿長(zhǎng)1.5 m，材質(zhì)均為彈簧鋼，密度為7 710 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.26。

圖2 SHPB束桿裝置圖Fig.2 SHPB installation diagram

圖3(a)表示各桿上應(yīng)變片的位置，應(yīng)變片均貼在細(xì)桿的對(duì)稱位置，通過(guò)橋盒以半橋的形式連接到瞬態(tài)信號(hào)采集儀上。根據(jù)試樣受力的對(duì)稱性，沒有采集全部桿上的信號(hào)，僅采集了部分桿上的信號(hào)，圖3(b)標(biāo)記了信號(hào)采集桿的位置。

圖3 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置Fig.3 Location of data collection point

假設(shè)Hopkinson束桿上每對(duì)單桿均滿足Hopkinson的兩個(gè)基本假定，則混凝土應(yīng)變率s(t)、應(yīng)力σs(t)和應(yīng)變?chǔ)舠(t)計(jì)算公式可分別由式(1)、(2)和(3)表示：

s(t)=2C0L0[εI(t)-εT(t)]

(1)

σs(t)=EAA0[εI(t)+εR(t)]

(2)

εs(t)=∫t0s(t)dt

(3)

式中：εI(t)、εR(t)、εT(t)分別表示入射波、反射波、透射波信號(hào)；C0為桿中的彈性波波速；A0表示壓桿和試樣端面接觸面積；L0為試件的長(zhǎng)度；C0=E/ρ0，E為壓桿的彈性模量，ρ0為壓桿的密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 凍融循環(huán)對(duì)試樣表面破壞的影響

對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)，各個(gè)溫度下凍融循環(huán)速率分別如表3所示。

表3 凍融循環(huán)速率Table 3 FTC rate

凍融循環(huán)后試樣表面如圖4所示，其中T代表循環(huán)溫度，N代表循環(huán)周次，控制凍融循環(huán)溫度為+10～-20 ℃，隨著凍融循環(huán)周次的增加，試樣表面剝落加劇，當(dāng)循環(huán)周次達(dá)到30次時(shí)，試樣剝落嚴(yán)重，外形也有些許變形。

圖4 凍融循環(huán)周次和溫度對(duì)陶?；炷帘砻嫫茐牡挠绊慒ig.4 Effects of times and temperatures of FTC on surface damage of ceramsite concrete

對(duì)相同循環(huán)周次(10次)，循環(huán)最低溫度不同時(shí)，隨著最低溫度的降低，試樣骨料外露量越來(lái)越多，但外形還維持原狀基本不變。凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，混凝土凍脹過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生的靜水壓力可近似為各向均勻的拉或壓應(yīng)力，而對(duì)于混凝土等脆性材料而言，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，總是更容易產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞，所以，凍融循環(huán)過(guò)程中的損傷總是由局部的拉伸破壞引起。

2.1.2 凍融循環(huán)對(duì)試樣彈性模量的影響

通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)前后試樣超聲波波速的測(cè)量，計(jì)算試樣的彈性模量(Em)，計(jì)算公式如下：

Em=(1+v)(1-2v)1-vρc2

(4)

式中:c為測(cè)得的超聲波波速;ρ為試樣的密度;v為試樣的泊松比。

試樣內(nèi)部空隙和裂紋越多，超聲波波速就會(huì)越小，試樣的彈性模量也會(huì)越小。測(cè)量選取3個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采集波速3次，共9次，以平均值作為該試樣的超聲波波速。

計(jì)算出每組試樣凍融前后彈性模量并取平均值，再計(jì)算出凍融循環(huán)后試樣的彈性模量(Em)與凍融前彈性模量(E0)的百分比，繪出折線如圖5所示，從圖中變化趨勢(shì)可以看出，凍融循環(huán)周次的增加和凍融循環(huán)最低溫度的降低均會(huì)使混凝土彈性模量降低。當(dāng)循環(huán)周次達(dá)到30次時(shí)，混凝土的彈性模量?jī)H為未凍融時(shí)的60%左右。

圖5 陶?；炷羶鋈谘h(huán)后彈性模量改變量Fig.5 Changes in elastic modulus of ceramsite concrete after FTC

彈性模量改變主要原因是水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，引起內(nèi)壓增加，當(dāng)局部壓力超過(guò)混凝土承壓(或拉)強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部孔隙與裂紋增大，導(dǎo)致整體強(qiáng)度降低，彈性模量減少。

2.2 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果

既要?jiǎng)討B(tài)壓縮試驗(yàn)后的試樣產(chǎn)生破壞，又要有較高應(yīng)變率且氣壓可控，因此在進(jìn)行了幾組試驗(yàn)后確定控制試驗(yàn)的應(yīng)變率在100～110 s-1之間。對(duì)未凍融的試樣和凍融循環(huán)后的試樣在該應(yīng)變率下開展動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，圖6(a)為未經(jīng)凍融循環(huán)試樣采集到的1組應(yīng)力-應(yīng)變信號(hào)曲線，圖6(b)是經(jīng)凍融循環(huán)后試樣的1組應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將后者得到的最大應(yīng)力、最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)到表4中。觀察發(fā)現(xiàn)各通道應(yīng)力-應(yīng)變曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，造成該種現(xiàn)象的原因可能是：(1)混凝土特有的材料不均勻性使不同位置壓桿采集到的信號(hào)有分散性;(2)凍融循環(huán)過(guò)程內(nèi)部損傷加劇，使不同部位處的裂紋發(fā)展程度出現(xiàn)差異。一般情況下，試樣邊緣處的損傷大于試樣內(nèi)部區(qū)域。為得到整個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律，將8個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，主要影響因素是最大應(yīng)力和最大應(yīng)變。實(shí)際發(fā)現(xiàn)總是通道2-2的結(jié)果最接近平均值，因此也可以采用通道2-2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)表示試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖6 測(cè)試通道的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of test channels

表4 測(cè)試通道采集的信息Table 4 Collection information of test channels

2.2.1 循環(huán)周次對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變的影響

圖7 凍融循環(huán)周次對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.7 Effects of FTC times on stress-strain curves

測(cè)得在凍融溫度區(qū)間為+10～-20 ℃，循環(huán)周次為0次、10次、20次、30次凍融后試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。觀察表明，相同凍融循環(huán)溫度區(qū)間，隨著凍融循環(huán)周次的增加，試樣抗沖擊能力明顯降低，循環(huán)周次為30次時(shí)，最大應(yīng)力約為未凍融試樣的26.4%，最大應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而增大。

2.2.2 循環(huán)溫度對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變的影響

為考察凍融循環(huán)溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響，控制所有試樣的循環(huán)周次為10次，循環(huán)溫度區(qū)間分別為+10～-20 ℃、+10～-30 ℃、+10～-40 ℃、+10～-50 ℃、+10～-60 ℃和未凍融的試樣，則可測(cè)得試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示?？梢杂^察到，在相同凍融循環(huán)周次的前提下，隨著循環(huán)最低溫度的降低，試樣抗沖擊能力降低，最大應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨著循環(huán)最低溫度的降低而增大。出現(xiàn)該結(jié)果的原因是隨著循環(huán)溫度的降低，損傷累積出現(xiàn)裂紋或裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得酥松，從而使混凝土最大應(yīng)力降低。

2.2.3 凍融循環(huán)周次對(duì)試樣最大應(yīng)力的影響

對(duì)凍融循環(huán)溫度區(qū)間為+10～-20 ℃，循環(huán)周次分別為0次、10次、20次和30次的陶?；炷吝M(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，得到的最大應(yīng)力隨凍融循環(huán)周次變化的關(guān)系如圖9所示。

圖8 凍融循環(huán)最低溫度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.8 Effect of the lowest temperature of FTC on stress-strain curves

圖9 最大應(yīng)力與凍融循環(huán)周次關(guān)系Fig.9 Relationship between the maximum stress and the cycles of FTC

從圖9可以看出，陶粒混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)周次的遞增而減少，經(jīng)10次凍融循環(huán)后，陶?；炷羷?dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降至原來(lái)的84%左右，在此期間凍融循環(huán)對(duì)混凝土試樣已造成了不可回復(fù)的損傷，繼續(xù)進(jìn)行凍融，內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展加劇，導(dǎo)致強(qiáng)度下降速度加快，當(dāng)循環(huán)周次達(dá)到20次時(shí)，這一階段強(qiáng)度下降的最快，強(qiáng)度下降至原來(lái)強(qiáng)度的50%左右，當(dāng)循環(huán)周次達(dá)30次時(shí)，損傷累計(jì)達(dá)到某一閾值，強(qiáng)度下降速率減緩，損傷已經(jīng)非常嚴(yán)重，此時(shí)陶粒混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降至原來(lái)的26%左右。

2.2.4 各影響量之間的關(guān)系

綜合上述測(cè)量結(jié)果，可得到陶?；炷恋膹椥阅Ａ俊?dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)周次和循環(huán)最低溫度改變的變化規(guī)律，如圖10所示。從圖10看出，彈性模量、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)周次增加和循環(huán)最低溫度降低而變小，其中動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)條件影響更明顯。

圖10 彈性模量、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)條件的關(guān)系Fig.10 Relationship between elastic modulus, dynamic compressive strength and FTC conditions

3 結(jié) 論

(1) 在凍融循環(huán)作用下，試樣表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，隨著凍融循環(huán)周次增加與最低溫度降低，混凝土試樣剝落加劇，骨料外露量增多，彈性模量降低。改變凍融循環(huán)周次對(duì)試樣的彈性模量影響較大，當(dāng)循環(huán)周次達(dá)到30次時(shí)，混凝土的彈性模量?jī)H為未凍融時(shí)的60%左右。混凝土彈性模量隨凍融循環(huán)最低溫度的降低基本呈線性遞減趨勢(shì)。

(2) 沖擊壓縮試驗(yàn)表明，不論是增加凍融循環(huán)周次還是降低凍融循環(huán)最低溫度，陶粒混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均會(huì)降低，當(dāng)控制循環(huán)溫度區(qū)間為+10～-20 ℃，循環(huán)周次為10～20次時(shí)強(qiáng)度下降最快，當(dāng)控制循環(huán)同次為10次時(shí)，改變最低循環(huán)溫度，此時(shí)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且最大應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨著抗壓強(qiáng)度的降低而增大。在降低值相同條件下，增加凍融循環(huán)周次對(duì)抗壓強(qiáng)度影響更明顯。