面板混凝土凍融劣化后動力性能的研究

李 巖， 王瑞駿， 秦 睿， 賴 韓， 李曉彤

(西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

在面板混凝土實際的服役環境中，經常受到動荷載的作用。而在我國的東北、華北寒冷地區，混凝土結構在環境因素的影響下，其耐久性受到嚴重損害。因此對于凍融劣化后面板混凝土動力性能的研究意義重大。

目前，對凍融循環后混凝土基本力學性能方面開展了較多的研究。操佩等[1]、徐童淋等[2]研究了凍融后混凝土動力性能的變化，給出混凝土動態損傷本構模型。田威等[3]、王海濤等[4]研究得出經凍融循環作用后的混凝土在不同加載速率下的單軸壓縮破壞規律。朱孔峰等[5]提出了凍融后有關混凝土強度和變形關系式。Ma Qinyong等[6]通過對經凍融循環作用后的泥巖和沙質泥巖進行試驗，測其動態抗壓強度和能量分布的規律。Li Jielin等[7]研究發現凍融劣化后，砂巖的微孔隙尺寸明顯增大，孔隙結構的變化會引起其力學性能的改變。李龍等[8]運用abaqus有限元軟件對再生混凝土力學性能的應變率敏感性進行模擬研究，通過對混凝土峰值應力和彈性模量的動態增長因子隨應變率的變化趨勢來探討骨料、砂漿的率敏感性，以此研究其對混凝土整體率敏感性的影響。楊益等[9]對摻鋼和玄武巖的纖維材質混凝土進行抗凍試驗，并擬合出可以用于預測其耐久性衰減的二次函數模型，精度較高。孫中明等[10]在不同應變速率下對巖石進行了單軸壓縮試驗，研究得出巖石的峰值應力和應變與應變率成正比，試件的長徑比影響著臨界應變率。

從目前的研究成果看來，有關凍融循環作用后混凝土的動態力學特性方面的成果很少，尤其在三軸試驗下的動力特性研究更少[11-15]?；诖?，本文對凍融劣化后的面板混凝土試件進行了單軸壓縮和常規三軸試驗，比較不同凍融循環次數、不同應變速率下的混凝土動態性能；在同時考慮凍融循環作用和應變速率影響下，探索混凝土的破壞準則。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

本次試驗采用銅川水泥廠生產的P·O 42.2級普通硅酸鹽水泥；摻和料為Ⅱ級粉煤灰；細骨料為渭河中砂，細度模數為2.35；粗骨料為粒徑5～30 mm的卵石，其中粒徑為5～20 mm和20～30 mm(圖1)用量分別為粗骨料總用量的一半；拌合水為自來水；高效三萜皂甙引氣劑；聚羥基酸減水劑。

圖1 二級配粗骨料示意圖

2.2 配合比的設計

本試驗依照面板堆石壩相應的規范及已建工程[16]的規定，具體配合比數值見表1。

2.3 試驗主要設備和方法

凍融試驗設備如圖2所示。經24 d養護，將試件浸泡在20℃±2℃的水中4 d后擦干其表面，開始測定起始質量和自振頻率，再進行凍融循環試驗。

動靜三軸試驗儀用于動力試驗，如圖3所示。其中，單軸壓縮試驗采用1×10-5、1×10-4、2×10-4、5×10-4和1×10-3s-15種應變速率，常規三軸試驗采用的應變速率為單軸壓縮試驗的后4種應變速率。

表1 面板混凝土試驗配合比

圖2快速凍融試驗機圖3 DTD-2000kN微機伺服粗粒土動靜三軸儀

3 試驗結果與分析

3.1 質量特性

混凝土抗凍性的一個重要評價指標是質量損失。根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)的要求，對經100次凍融循環后的15個棱柱體試件進行試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。對其質量損失率和凍融循環次數的關系進行分析，表達式如下：

M(N)=a+bN+cN2

(1)

式中：M(N)為凍融N次后的質量損失率，%；N為凍融次數；a,b,c為回歸系數。由試驗數據求得a=0.0226,b=-0.0069,c=0.0001及相關系數R2=0.9781。擬合后效果如圖4所示，效果較好。

圖4 質量損失率與凍融循環次數的關系

由圖4看出，凍融循環后的混凝土試件質量損失率先下降后上升。經0、25、50、75、100次凍融循環后，試件質量損失大小為0、-0.03%、0.01%、0.16%、0.63%。經過25次凍融循環后混凝土試件的質量損失率為-0.03%，是因為凍融循環作用使混凝土的空隙增大，在試件內部形成微裂隙，混凝土早期由于吸水作用增加的質量大于其由于砂漿脫落減少的質量，導致其整體質量增加；凍融循環75次后試件的質量損失率速度明顯加快，這是由于隨著凍融劣化程度的增大，早期的微裂縫演變為較寬的裂縫，混凝土表面掉渣現象嚴重。

本試驗擬合后的二次曲線具有極值點，而王海濤等[4]研究發現混凝土的質量損失率與凍融循環次數呈單調遞增的拋物線關系。這是由于本試驗采用的是二級配混凝土試件，王海濤等[4]試驗中采用連續級配的石灰石，混凝土結構更加密實，孔隙率較小，凍融循環初期進入試件的水相對于本試驗較少，試件由于砂漿掉落導致其質量減小的效應占主導地位。所以隨著凍融次數的增加，試件的質量損失率表現為單調增加的拋物線關系。

3.2 單軸極限抗壓強度

不同凍融循環次數和不同應變速率下測得混凝土的單軸動態極限抗壓強度，如表2所示，極限抗壓強度與應變速率和凍融次數的關系曲線分別如圖5和6所示。

表2 軸向動態極限抗壓強度 MPa

圖5軸向抗壓強度隨應變速率變化關系圖6軸向抗壓強度隨凍融次數變化關系

由圖5、6可以看出，在凍融循環次數相同的情況下，隨著應變速率的增大，混凝土單軸極限抗壓強度隨之提高；相同應變速率下的混凝土單軸極限抗壓強度與凍融次數呈反比例關系。凍融循環100次后，試件的極限抗壓強度損失較為嚴重。分析原因是凍融循環加大了混凝土的劣化程度，試件內部初始微裂縫吸水量增大，同時在冰壓力的作用下裂縫有所延伸和擴展，密實度降低。在相對較高的1×10-3s-1應變速率下，導致200次凍融循環后混凝土的單軸極限抗壓強度急劇下降，且直線的斜率高于1×10-5和1×10-4s-1應變速率所對應的斜率，極限抗壓強度降低至未凍融混凝土極限抗壓強度的50%左右。

3.3 混凝土損壞準則

混凝土在實際的服役工作環境中，其基本性能不僅需考慮凍融劣化的影響，同時應變速率也是重要因素之一，故同時考慮兩者的混凝土破壞準則更貼合實際情況。

閆東明等[11]研究結果表明，可用公式(2)對抗壓強度增長與應變速率的關系進行擬合：

(2)

采用公式(3)對混凝土極限抗壓強度增加幅度與凍融循環次數的關系進行擬合：

fc/fcs=aN2+bN+c

(3)

式中：fc/fcs為極限抗壓強度的增加因子；fc為某一應變速率下對應的極限抗壓強度，MPa；fcs為準靜態應變速率下對應的極限抗壓強度，MPa；a,b,c為擬合參數。擬合效果如圖8所示，參數見表4。

特別地，由于凍融循環作用前后以及高低應變速率條件下對混凝土試件性能產生的差異，故對未凍融(0次)以及相對低的應變速率(2×10-4s-1)的試件組采用高次擬合的方法。

圖7不同凍融循環次數下單軸動態抗壓強度隨應變速率變化關系圖8不同應變速率下單軸動態抗壓強度隨凍融循環次數變化關系

表3 峰值應力增加因子與相對應變速率的擬合參數

表4 峰值應力增加因子與凍融循環次數的擬合參數

由圖7可以看出，混凝土單軸極限抗壓強度增加因子與應變速率的對數近似呈線性函數關系，且相關性較好。對比凍融循環50和100次的擬合公式，可以發現隨著混凝土凍融劣化程度的增大，曲線的斜率減小，表現為混凝土的率敏感性下降。這是由于凍融循環作用初期，混凝土內部逐漸形成微裂紋，其周圍的自由水不斷被吸入。隨后，混凝土內部損傷加重，增大了微裂紋的初期寬度，增多了孔隙，此時由于擠壓作用水的楔入作用進一步提高，導致100次凍融循環的擬合曲線增長變慢。

由圖8可以看出，混凝土單軸極限抗壓強度增加因子與凍融循環次數經擬合后大致呈二次或三次函數關系。而朱孔峰等[5]研究發現隨著凍融劣化程度加大，不同應變率加載下的相對抗壓強度降低?？赡芤环矫嬗捎谠囼灢捎玫牟牧霞壟溆胁町?，本試驗粗骨料采用的是粒徑為5～20mm、20～30mm的天然卵石，朱孔峰等[5]采用的是最大粒徑20 mm的連續級配碎石；另一方面， 混凝土材料的凍融劣化程度不同，此試驗為200次凍融循環，而朱孔峰等[5]試驗凍融循環次數最大為75次。

建立凍融循環和應變速率耦合作用下的面板混凝土的損壞準則，可用公式(4)進行表示：

(4)

式中：fcD為凍融循環后某一應變速率下對應的單軸極限抗壓強度，MPa；fcsD為凍融循環后準靜態應變速率下對應的單軸極限抗壓強度，MPa；a,b,c,α和β為求得的擬合參數。

3.4 單軸峰值應變

混凝土試件的峰值應變隨應變速率和凍融循環次數的關系分別如圖9和10所示。

圖9峰值應變隨應變速率變化關系圖10峰值應變隨凍融次數變化關系

由圖9看出，混凝土的峰值應變在相同的凍融循環次數下與應變速率成反比關系。分析原因是在較小的應變速率下，混凝土中存在較少的微裂紋，此時裂縫的擴展方式主要是沿砂漿表面處進行，直至完全貫通，破壞時微裂紋分布較為集中；試件內的微裂紋在較高的應變率下來不及充分壓縮就完全破壞。由能量最少定律[17]，破壞總以能量在單位時間里減耗最少的形式發生。在高應變速率情況下，裂縫以直穿骨料的方式破壞，并且大多數的裂紋改變了破壞路徑，減少了路徑長度，故峰值應變減小。由圖10可以看出，相同的應變速率下，混凝土的峰值應變隨凍融循環次數的增加呈現增大的趨勢。原因可能是凍融循環過程中，由于水的凍脹作用加快了孔隙的擴張，降低了混凝土的密實度。因此，在進行單軸壓縮試驗時，由于前期水的結冰膨脹形成的大孔隙首先會被壓實，從而表現出峰值應變增大的現象。

峰值應變減小因子與應變速率對數間的關系如圖11，為近似呈線性減小關系，以公式(5)擬合。

圖11 不同凍融循環次數下峰值應變減小因子隨應變速率變化關系

(5)

式中：εpk/εc為峰值應變減小因子;εpk為某一應變率下峰值應變;εc為靜態下峰值應變；α、β為材料參數，見表5。

表5 峰值應變減小因子與相對應變速率的擬合參數

根據表5可知，混凝土峰值應變減小因子與應變速率對數間的線性關系較好，具有較強的相關性。

3.5 常規三軸試驗下極限抗壓強度和峰值應變

對面板混凝土試件經100次凍融循環后在不同圍壓(0、5、10 MPa)下進行動態力學性能研究，混凝土極限抗壓強度和峰值應變在不同圍壓下與應變速率和應變速率對數間的關系如圖12和13所示。

圖12 極限抗壓強度增長率隨應變速率變化關系

由圖12可以看出，同一應變速率下，隨著圍壓的增加，混凝土軸向抗壓強度值增大，混凝土極限抗壓強度的增幅卻逐漸減小。同時，應變速率對混凝土極限抗壓強度的影響作用隨著圍壓的增加逐漸減弱，說明由于圍壓的存在使得混凝土的率敏感性有所降低。即當圍壓超過某個值時，不再考慮應變速率這一因素對于混凝土的極限抗壓強度的影響。而閆東明等[11]研究發現該值即為混凝土的單軸抗壓強度，分析原因可能是凍融循環后試件內部微裂縫的擴展以及混凝土自身材料等原因造成的。

圖13 峰值應變隨應變速率變化關系

由圖13可以看出，應變速率相同時，混凝土試件峰值應變與圍壓值成正比。說明圍壓的存在限制了試件的側向變形和裂縫發展，混凝土的延性增強。同時，峰值應變隨應變速率的增大變化不大，總體較為平穩。與單軸峰值應變結果有所差異，分析原因可能是由于圍壓的作用限制了混凝土內部微裂縫的延伸發展，使其難以直接穿過骨料發生破壞。

4 結 論

本文對經凍融循環作用下面板混凝土在不同應變速率下單軸壓縮和常規三軸試驗為基礎，研究混凝土的動力性能，主要結論如下：

(1) 隨著凍融循環次數的增加，面板混凝土的質量損失率先下降后上升，擬合后曲線的形態為具有極值點的二次曲線。

(2)對于單軸壓縮試驗，混凝土極限抗壓強度增加因子和峰值應變減小因子在相同凍融次數下與應變速率的對數近似呈線性函數關系；同一應變速率下，混凝土極限抗壓強度增加因子與凍融循環次數經擬合后大致呈二次或三次函數關系；通過對比50和100次凍融循環下混凝土單軸極限抗壓強度增加因子與應變速率對數的擬合關系式，可以看出混凝土的率敏感性隨著混凝土凍融劣化程度的增大而減小。

(3)對于常規三軸試驗，在100次凍融循環和相同應變速率下，隨著圍壓的增大，試件極限抗壓強度提高；峰值應變在相同的圍壓下隨應變速率的增大變化較為平穩。

(4)根據試驗結果，同時考慮凍融和應變速率作用建立面板混凝土損壞準則，對嚴寒地區水工建筑物具有工程實踐意義。