不同養(yǎng)護(hù)溫度下蒸養(yǎng)混凝土斷裂性能研究

婁本星，胡少偉，范向前，葉宇霄，王亞民

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

蒸汽養(yǎng)護(hù)在混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中是一種常用的養(yǎng)護(hù)方式，也是冬季混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)加快進(jìn)度的一種有效手段.蒸汽養(yǎng)護(hù)下的高溫度、高濕度可以加速混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，從而加快模具周轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)周期，通常其脫模強(qiáng)度要求達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上.賀智敏等［1-2］、Türkel等［3］、Ba等［4］研究表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙粗化、脆性增大等熱損傷效應(yīng).Liu等［5］、蘇揚(yáng)等［6］、吳建華等［7］研究了蒸養(yǎng)制度、配合比、礦物摻和料等對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)能顯著提高混凝土早期性能，但對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能不利.賀炯煌等［8］、李霖皓等［9］研究表明，與常溫養(yǎng)護(hù)條件相比，蒸養(yǎng)過(guò)程中混凝土的力學(xué)性能顯著提升，同時(shí)混凝土的自收縮變形速率顯著增加，復(fù)雜的體積變形很可能導(dǎo)致構(gòu)件開裂.謝友均等［10］研究發(fā)現(xiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，蒸養(yǎng)混凝土的內(nèi)部缺陷增多，抗沖擊性能明顯降低.

相較于普通混凝土，在蒸養(yǎng)混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，早期蒸養(yǎng)時(shí)恒溫階段的溫度通常較高，有時(shí)甚至高達(dá)95℃.高溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥與粗骨料界面處會(huì)不同程度地出現(xiàn)裂縫，使得混凝土強(qiáng)度下降，呈現(xiàn)出較大的脆性［11］.因此，研究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)蒸養(yǎng)混凝土斷裂性能的影響，對(duì)于充分掌握蒸養(yǎng)混凝土的性能及其實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土斷裂性能的研究已取得很多成果［12-15］，主要探討了級(jí)配、自重、外水壓力、尺寸效應(yīng)等影響因素下混凝土斷裂參數(shù)的數(shù)值變化規(guī)律，而涉及蒸養(yǎng)混凝土斷裂性能的研究還不多見.鑒于此，本文對(duì)15根切口梁進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲（TPB）斷裂試驗(yàn)，研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度（20、45、60、80、95℃）對(duì)蒸養(yǎng)混凝土斷裂性能的影響，分析了養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)其斷裂能、特征長(zhǎng)度以及雙K斷裂參數(shù)的影響規(guī)律，并進(jìn)一步分析了強(qiáng)度損傷因子與混凝土斷裂韌度的相關(guān)關(guān)系，以期為蒸養(yǎng)混凝土養(yǎng)護(hù)溫度的優(yōu)化及其服役性能研究提供理論支持.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

采用三點(diǎn)彎曲梁來(lái)研究混凝土斷裂性能.設(shè)計(jì)了5組（分別與養(yǎng)護(hù)溫度20、45、60、80、95℃對(duì)應(yīng)）、每組3根，共15根三點(diǎn)彎曲梁，尺寸均為長(zhǎng)（L）×厚（t）×高（h）＝500 mm×100 mm×100 mm，初始縫高比為0.3，預(yù)制縫長(zhǎng)a0為30 mm.采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊來(lái)測(cè)定混凝土的抗壓強(qiáng)度f(wàn)c和抗拉強(qiáng)度f(wàn)t.

試驗(yàn)原材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、連續(xù)顆粒級(jí)配碎石（最大直徑10 mm）、天然河砂、水、奈系減水劑；配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝0.40∶1.00∶1.47∶2.69；減水劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.5%.混凝土28 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為52.3 MPa.澆筑彎曲梁試件時(shí)，用厚度3 mm的鋼板預(yù)制裂縫，3 h后拔出，然后將試件移至蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù).

1.2 養(yǎng)護(hù)制度

參照TB/T 3043—2005《預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁T梁技術(shù)條件》，采用的蒸汽養(yǎng)護(hù)制度為：混凝土澆筑成型后在20℃下靜停3 h，然后以20℃/h的升溫速率分別升至45、60、80、95℃，并在各溫度下保持恒溫12 h；恒溫階段結(jié)束之后，將試件從蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中取出并自然冷卻至室溫.蒸養(yǎng)結(jié)束后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d，然后測(cè)試試件的力學(xué)性能和斷裂性能.

1.3 試驗(yàn)裝置

采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)三點(diǎn)彎曲梁進(jìn)行加載，加載速率為0.05 mm/min.在試件的底部和裂尖處分別布置2個(gè)標(biāo)距12 mm、最大位移2 mm的夾式引伸計(jì)，以測(cè)量裂縫張口位移CMOD和裂縫尖端張口位移CTOD.用于固定下部引伸計(jì)的薄鋼片厚度為3 mm，用于固定正面引伸計(jì)的菱形楔塊厚度為10 mm.測(cè)試裝置如圖1所示.

圖1 加載裝置Fig.1 Test device

1.4 斷裂參數(shù)計(jì)算方法

斷裂能是裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的能量［16］.混凝土材料斷裂能GF的計(jì)算式為：

式中：W0為外荷載沿跨中加載方向所做的功，N/m；mg為三點(diǎn)彎曲梁的有效跨度范圍內(nèi)自重，N；δmax為跨中最大撓度值，m.

用特征長(zhǎng)度Lch來(lái)評(píng)判混凝土的脆性，其值越小表示混凝土越脆［17］.Lch可由下式確定：

式中：E為混凝土的彈性模量；Ci＝CMODi/Pi，即P-CMOD曲線的初始斜率的倒數(shù)；v（a0/h）的計(jì)算見文獻(xiàn)［17］.

斷裂韌度表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料韌度好壞的定量指標(biāo).基于雙K斷裂模型［18］，混凝土的斷裂韌度由下式確定：

式中：KiniIC為試件起裂韌度，KunIC為試件失穩(wěn)斷裂韌度，KcIC為試件黏聚斷裂韌度，MPa·m1/2；Pini為試件起裂荷載，Pun為試件峰值荷載，N；S為試件有效跨度，m；ac為試件有效裂縫長(zhǎng)度，可將峰值荷載Pun和臨界裂縫張口位移CMODc代入到式（3）中解出；f（a/h）、F1（x/ac，ac/h）的計(jì)算見文獻(xiàn)［18］；σ（x）是混凝土軟化本構(gòu)曲線，本文選用Petersson雙線性軟化曲線來(lái)確定試件黏聚力分布情況.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2給出了各組試件的力學(xué)性能.由圖2可見：45℃養(yǎng)護(hù)試件與20℃養(yǎng)護(hù)試件的力學(xué)性能基本相同；養(yǎng)護(hù)溫度從45℃升至95℃時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度f(wàn)c、抗拉強(qiáng)度f(wàn)t及彈性模量E均呈下降趨勢(shì).

圖2 試件的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of specimens

圖3是各組試件的實(shí)測(cè)P-CMOD曲線.起裂荷載采用曲線法確定，即P-CMOD曲線中線性段與非線性段的拐點(diǎn).各組試件（每組3根試件）的起裂荷載Pini和峰值荷載Pun如圖4所示.由圖4可見，與20℃養(yǎng)護(hù)試件相比，45℃養(yǎng)護(hù)試件的起裂荷載和峰值荷載均保持不變；60～95℃養(yǎng)護(hù)試件的起裂荷載平均值從2.02 k N下降至1.43 k N，分別降低了10.2%、28.5%和36.7%，峰值荷載平均值從3.86 k N下降至3.04 k N，分別降低了6.5%、19.5%和26.1%.由此可見，合理的養(yǎng)護(hù)溫度不僅可以使構(gòu)件在早期具有較高的承載力，還能夠保證其后期的力學(xué)性能.

圖3 不同養(yǎng)護(hù)溫度下試件的P-CMOD曲線Fig.3 P-CMOD curves of specimens under different curing temperatures

圖4 各組試件的起裂荷載和峰值荷載Fig.4 Initiation load and maximum load of specimens

2.2 斷裂能和特征長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

圖5給出了各組試件的斷裂能和特征長(zhǎng)度.由圖5可見：20℃養(yǎng)護(hù)試件與45℃養(yǎng)護(hù)試件的斷裂能和特征長(zhǎng)度基本相同；養(yǎng)護(hù)溫度超過(guò)45℃后，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，斷裂能從129.77 N/m下降到93.96 N/m，特征長(zhǎng)度從302.0 mm減小到225.4 mm，均呈下降趨勢(shì)；與45℃養(yǎng)護(hù)試件相比，60、80、95℃養(yǎng)護(hù)試件的斷裂能分別降低11.0%、19.8%和27.6%，特征長(zhǎng)度分別降低14.0%、20.6%和25.7%，說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，混凝土脆性逐漸增大.

圖5 各組試件的斷裂能及特征長(zhǎng)度Fig.5 Fracture energy and characteristic length of specimens

2.3 雙K斷裂參數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式（4）～（6）計(jì)算得到各組試件的起裂韌度KiniIC、失穩(wěn)斷裂韌度KunIC和黏聚斷裂韌度KcIC等斷裂參數(shù)，如表1所示.為了驗(yàn)證曲線法測(cè)定的起裂韌度KiniIC的準(zhǔn)確性，首先通過(guò)黏聚斷裂韌度KcIC計(jì)算起裂韌度Kini*IC，即Kini*IC＝KunIC-KcIC，通過(guò)對(duì)比Kini*IC和KiniIC發(fā)現(xiàn)，兩者之間的最大相對(duì)誤差為9.7%，表明Kini*IC與KiniIC值吻合良好.分析斷裂參數(shù)可知，養(yǎng)護(hù)溫度從20℃升至95℃時(shí)，試件的起裂韌度從0.529 MPa·m1/2降至0.370 MPa·m1/2，Pini/Pun的平均值從0.55降至0.47，說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，混凝土更容易開裂，脆性增大.

表1 斷裂試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of TPB specimens

圖6給出了不同養(yǎng)護(hù)溫度下蒸養(yǎng)混凝土的斷裂韌度變化趨勢(shì).由圖6可知，各組試件的起裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度變化趨勢(shì)大致相同.養(yǎng)護(hù)溫度從20℃到45℃時(shí)，試件的起裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度基本保持不變；養(yǎng)護(hù)溫度由45℃升至95℃時(shí)，試件的起裂韌度減小0.165 MPa·m1/2，失穩(wěn)斷裂韌度減小0.360 MPa·m1/2.與20℃養(yǎng)護(hù)試件相比，經(jīng)過(guò)45～95℃蒸汽養(yǎng)護(hù)后，試件的起裂韌度分別達(dá)到其值的101.1%、91.6%、76.5%、69.8%，失穩(wěn)斷裂韌度分別達(dá)到其值的100.4%、88.4%、80.2%、75.0%.由此可見，45℃養(yǎng)護(hù)條件可以保證混凝土后期的斷裂性能，60℃養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土斷裂韌度的損失程度約為10%.因此，考慮混凝土力學(xué)性能以及實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，就本文所研究的混凝土而言，其養(yǎng)護(hù)溫度不宜超過(guò)60℃.

圖6 不同養(yǎng)護(hù)溫度下試件的斷裂韌度Fig.6 Fracture toughness of specimens

2.4 初始損傷與斷裂韌度損失率的關(guān)系

圖7中的黑色線條代表試件表面及內(nèi)部由于熱損傷效應(yīng)引起的微裂紋.可以看出：45℃養(yǎng)護(hù)試件的表層完好，斷裂面比較密實(shí)；95℃養(yǎng)護(hù)試件的損傷劣化嚴(yán)重，其表面及斷裂面出現(xiàn)了許多微裂縫.說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，混凝土表面和內(nèi)部損傷逐漸嚴(yán)重，與文獻(xiàn)［2］結(jié)論一致.因此上述斷裂試驗(yàn)結(jié)果可以解釋為：在蒸汽養(yǎng)護(hù)早期，漿體與骨料的結(jié)合面強(qiáng)度不足，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，混凝土內(nèi)部由于熱損傷造成的初始缺陷明顯增多，降低了混凝土的斷裂性能，導(dǎo)致其更容易開裂且脆性增大.

圖7 試件表面及斷裂面損傷示意圖Fig.7 Degradation of surface layer and fracture surface of specimens

為了反映混凝土材料內(nèi)部的劣化程度，研究者［19-21］通常采用彈性模量和抗壓強(qiáng)度來(lái)描述混凝土的損傷劣化規(guī)律.因此，在上述試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，定義高溫養(yǎng)護(hù)后試件的強(qiáng)度損傷因子和斷裂韌度損失率為：

式中：D（T）是養(yǎng)護(hù)溫度T下試件的強(qiáng)度損傷因子或斷裂韌度損失率；f（T）是養(yǎng)護(hù)溫度T下試件的力學(xué)性能參數(shù)（E、fc）或雙K斷裂韌度；f0是20℃養(yǎng)護(hù)試件的力學(xué)性能參數(shù)（E、fc）或雙K斷裂韌度.

通過(guò)式（7）計(jì)算了各組試件的強(qiáng)度損傷因子和斷裂韌度損失率，結(jié)果見圖8.由圖8可見：養(yǎng)護(hù)溫度從45℃升到95℃時(shí)，采用彈性模量定義的試件強(qiáng)度損傷因子DE值分別為-0.7%、10.0%、21.6%、27.5%；采用抗壓強(qiáng)度定義的試件強(qiáng)度損傷因子Dfc值分別為-1.7%、7.3%、14.7%、26.1%；斷裂韌度損失率與強(qiáng)度損傷因子DE、Dfc值隨著養(yǎng)護(hù)溫度變化的趨勢(shì)一致，呈正相關(guān)關(guān)系；其與DE和Dfc值的相關(guān)系數(shù)分別為0.99和0.97，最大相對(duì)誤差分別為4.2%和8.7%.由此可見，斷裂韌度損失率與強(qiáng)度損傷因子具有良好的相關(guān)關(guān)系，可以采用DE和Dfc值來(lái)近似預(yù)測(cè)混凝土斷裂韌度的損失程度.

圖8 強(qiáng)度損傷因子與斷裂韌度損失率的關(guān)系Fig.8 Relationship between strength damage factors and loss ratio of fracture toughness

3 結(jié)論

（1）45℃養(yǎng)護(hù)條件與20℃養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土力學(xué)性能和斷裂性能基本相同，養(yǎng)護(hù)溫度大于45℃后，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，混凝土的力學(xué)性能和斷裂性能逐漸降低.

（2）養(yǎng)護(hù)溫度在45～95℃范圍時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，混凝土的起裂荷載、峰值荷載、雙K斷裂參數(shù)、斷裂能和特征長(zhǎng)度均呈逐漸下降的趨勢(shì).

（3）過(guò)高的養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)在一定程度上降低混凝土的斷裂性能.綜合考慮蒸養(yǎng)過(guò)程中的熱損傷及其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，養(yǎng)護(hù)溫度不宜高于60℃.

（4）采用彈性模量和抗壓強(qiáng)度定義的強(qiáng)度損傷因子與混凝土斷裂韌度損失率近似相等，可以采用強(qiáng)度損傷因子為不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下蒸養(yǎng)混凝土的斷裂參數(shù)提供依據(jù).