黃仕超，彭 剛，梁 輝，田 為

(1. 三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

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循環(huán)孔隙水壓力下混凝土力學特性研究

黃仕超1，2，彭 剛1，2，梁 輝1，2，田 為1，2

(1. 三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

為研究不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)、不同加載速率下的混凝土的力學性能，對直徑為300 mm，高度為600 mm的混凝土試件進行0，10，50，100，200次循環(huán)孔隙水壓的預處理(孔隙水壓的上限為3 MPa，下限為1 MPa)，然后在3 MPa的圍壓下進行4種應變速率(10-5，10-4，10-3，10-2/s)下的常三軸(σ2=σ3≥σ1)抗壓性能試驗。結果表明：隨著應變速率的不斷增加，混凝土的峰值應力增大，峰值應變整體上呈增大的趨勢；隨著循環(huán)孔隙水壓次數(shù)的不斷增加，混凝土的峰值應力呈階段性變化，100次之前呈增大趨勢，100次之后呈減小趨勢，峰值應變無明顯規(guī)律性變化，彈性模量呈減小趨勢。

混凝土；循環(huán)孔隙水壓力；峰值應力；應變速率；彈性模量

1 研究背景

關于自然狀態(tài)以及干態(tài)混凝土的力學性能的研究已經(jīng)取得了較為豐富的成果，而對于濕態(tài)混凝土動態(tài)特性的研究還存在欠缺。隨著研究的深入，Butler(1981)[1]將影響混凝土的孔隙水壓力分成主動孔隙水壓力、被動孔隙水壓力及中性孔隙水壓力，并闡明造成混凝土發(fā)生破裂的原因為主動孔隙水壓力使材料產(chǎn)生的拉應變；Rossi(1991)[2]考慮了混凝土的孔隙、微裂紋、界面裂縫以及它們之間連通程度的影響；Oshita等(2000)[3]通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)混凝土的孔隙水壓力最大值發(fā)生在屈服應變外，或者說發(fā)生在平均應力最大值所對應的應變處；Yaman等(2002)[4-5]研究了孔隙率及孔隙中含水量對混凝土力學性能的影響。國內(nèi)也有許多學者對水環(huán)境下的混凝土進行了研究，如閆東明等(2005)[6]的直接拉伸試驗表明，當含水量從0.31%增至4.8%時，混凝土的擬靜態(tài)強度從2.21 MPa降低至1.30 MPa，降低幅度為41.2%；王海龍等(2006)[7]認為混凝土中孔隙水壓力減小了阻礙混凝土開裂的摩阻力，相當于楔體的“楔入”作用，加速了混凝土的損傷和微裂紋的擴展，與干態(tài)混凝土相比，濕態(tài)混凝土的開裂應力和抗壓強度都有所降低。上述對水環(huán)境混凝土力學性能的研究大多處于準靜態(tài)下，而且關于這方面的研究也不是很深入，本文詳細分析循環(huán)孔隙水壓力下混凝土動態(tài)強度、變形、彈性模量等力學特性，得出了一些可供借鑒的結論。

2 循環(huán)孔隙水壓力下混凝土抗壓性能試驗

2.1 試驗設備

試驗所用設備為10 MN大型多功能液壓伺服三軸儀。利用試驗系統(tǒng)配置的圍壓桶對混凝土試件進行加壓處理，可加載的最大圍壓和最大孔隙水壓力值均為30 MPa。加載框架用于對試件進行軸向加載，豎向最大動、靜力加載值分別為5 000 kN和10 000 kN。為了對試件的變形進行有效測量，圍壓桶中還配備了由三峽大學自行設計的高壓水環(huán)境內(nèi)試件變形測量裝置。進行圍壓及孔隙水壓試驗時，通過電腦系統(tǒng)全程控制，利用加壓閥系統(tǒng)給圍壓桶加水和加壓。

2.2 試件制備

本試驗所采用的試件為?300 mm×600 mm的標準圓柱體混凝土試件。試件采用鋼模進行澆筑，成型后在室溫下靜置24 h后拆模并編號，按一定順序整齊擺放，在自然條件下養(yǎng)護28 d。本文采用的是宜昌花林水泥有限公司生產(chǎn)的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，采用飲用自來水進行攪拌?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1 混凝土每立方米材料用量

2.3 試驗步驟

(1) 將混凝土試件置于圍壓桶上部平臺上，擦凈圍壓桶內(nèi)壁及橡膠圈并抹油以增加桶壁的潤滑性，防止桶蓋與底座合攏時刮花內(nèi)壁。吊裝圍壓桶就位后，將其箍緊，關閉出水閥，打開進水閥及2個高壓閥，圍壓桶上部排水管與大氣壓連通，往圍壓桶中充水;待水充滿后關閉圍壓桶上的排水口，打開電腦及圍壓控制軟件，連接EDC驅(qū)動程序，EDC2指向圍壓，以圍位移控制方式通過加壓閥給試件施加圍壓，待接近所設圍壓值時轉換控制方式，以圍壓進行控制，達到圍壓值3 MPa后，保持恒壓5 h左右。

(2) 采用“圍壓控制”方式控制孔隙水壓力進行上、下限加卸載。待圍位移不再發(fā)生較大變化時，以3 MPa/min的速率從上限值3 MPa開始卸載到下限值1 MPa，保持30 min，再以3 MPa/min的速率從下限值開始加載到上限值3 MPa。

(3) 設定軟件循環(huán)控制程序，不間斷重復步驟(2)中設置，直至完成試驗預定的循環(huán)次數(shù)N。

圖1 孔隙水壓力循環(huán)控制界面Fig.1 Control interface of cyclic pore water pressure

循環(huán)處理過程中，利用計算機中的控制軟件進行圍壓的加卸載控制，直至到達預定的循環(huán)次數(shù)N，圖1為典型的孔隙水壓循環(huán)控制界面。需要注意的是，由于實驗室的設備不具備測定混凝土內(nèi)部的孔隙水壓大小的條件，本試驗以混凝土外圍水壓穩(wěn)定后的大小間接表征其內(nèi)部的孔隙水壓力大小。

(4) 正式加載。由于進行不同加載速率加載時所需伺服油源不同，加載之前要確認油源開關是否切換。進行加載速率為10-5/s和10-4/s的試驗時，采用輔助伺服油源；進行加載速率為10-3/s和10-2/s的試驗時，采用主伺服油源。一切準備好之后，給試件預加30 kN的初始靜荷載，然后以位移控制方式，按設定的加載速率對試件進行加載直至試件破壞，加載過程中保證圍壓3 MPa恒定不變。

(5) 卸載及后續(xù)處理。試件破壞后，停止加載并以恒定位移控制將圍壓桶下降到初始位置，對破壞后的試件進行拍照處理并完成試件殘渣的清理工作。

3 混凝土基本力學性能分析

3.1 強度分析

歷經(jīng)不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)后的混凝土在4種不同應變速率(10-5，10-4，10-3，10-2/s)下的峰值應力及變化趨勢如表2及圖2、圖3所示。

表2 歷經(jīng)循環(huán)作用后的混凝土峰值應力值

圖2 不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)下混凝土峰值應力與應變速率的關系Fig.2 Relationsbetweenconcrete’speakstressandstrainrateunderdifferentcyclesofporewaterpressure圖3 不同應變速率下峰值應力與孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的關系Fig.3 Relationsbetweenpeakstressandcyclesofporewaterpressureunderdifferentstrainrates

由表2及圖2可以看出，隨著應變速率的增加，歷經(jīng)不同次數(shù)孔隙水壓循環(huán)后的混凝土抗壓峰值應力增大。取10-5/s為準靜態(tài)應變速率，歷經(jīng)0，10，50次循環(huán)作用后，隨加載速率增加，混凝土峰值應力的增加程度可由表2計算得到，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強度的增加幅度與應變速率的對數(shù)之間接近線性關系。由表2和圖3可以得到，隨著孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應力表現(xiàn)出階段性的變化：當循環(huán)次數(shù)不大于100次時，峰值應力呈增大的趨勢；當循環(huán)次數(shù)達到100次時，峰值應力開始減小。

3.2 變形分析

試驗中，歷經(jīng)不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)后的混凝土在4種不同應變速率(10-5，10-4，10-3，10-2/s)下的峰值應變及變化趨勢如表3及圖4、圖5所示。

表3 歷經(jīng)循環(huán)作用后混凝土的峰值應變值

圖4 不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)下混凝土峰值應變與應變速率的關系Fig.4 Relationsbetweenconcrete’speakstrainandstrainrateunderdifferentcyclesofporewaterpressure圖5 不同應變速率下混凝土峰值應變與孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的關系Fig.5 Relationsbetweenconcrete’speakstrainandcyclesofporewaterpressureunderdifferentstrainrates

由表3和圖4可以看出，隨加載速率的增加，峰值應變表現(xiàn)出一定的離散性，但整體上有明顯增大的趨勢;由圖5可知，隨著孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的峰值應變呈現(xiàn)出波動的性質(zhì)，沒有明顯的規(guī)律。

3.3 彈性模量分析

彈性模量是混凝土材料本構特性的重要參數(shù)，采用式(1)對應力-應變?nèi)€進行計算，得到歷經(jīng)不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)后的混凝土在4種不同應變速率(10-5,10-4,10-3,10-2/s)下的彈性模量值及變化趨勢，如表4及圖6、圖7所示。

(1)

式中：E為彈性模量；σ0.35，σ0.45分別為峰值應力的35%，45%；ε0.35，ε0.45分別為σ0.35，σ0.45對應的峰值應變。

表4 歷經(jīng)循環(huán)作用后混凝土的彈性模量值

圖6 不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)下混凝土彈性模量與應變速率的關系Fig.6 Relationsbetweenconcrete’smodulusofelasticityandstrainrateunderdifferentcyclesofporewaterpressure圖7 不同應變速率下混凝土彈性模量與水壓循環(huán)次數(shù)的關系Fig.7 Relationsbetweenconcrete’smodulusofelasticityandcyclesofporewaterpressureunderdifferentstrainrates

圖8 彈性模量與孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的擬合曲線Fig.8 Fitting curves of elastic modulus and cycles of pore water pressure

由表4和圖6可以看出，混凝土的彈性模量隨加載速率的增加表現(xiàn)出較大的離散性，當加載速率不大于10-3/s時，彈性模量增大;當加載速率達到10-3/s時，彈性模量開始減小。由表4和圖7可以看出，混凝土的彈性模量隨孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，呈減小的趨勢，其變化規(guī)律可用下式進行擬合,擬合曲線見圖8。擬合公式如下：

(2)

式中：E0為0次孔隙水壓循環(huán)下混凝土的彈性模量；N為孔隙水壓循環(huán)次數(shù)；λ為擬合參數(shù)。

由表5和圖8可知，混凝土的彈性模量與循環(huán)次數(shù)的關系曲線擬合較好，相關系數(shù)在0.87以上，擬合公式(2)可以較好地反映兩者之間的變化規(guī)律。

表5 彈性模量擬合參數(shù)

4 破壞機制分析

4.1 破壞形態(tài)

在本試驗中，由于未對試件進行密封處理，所施加的圍壓使試件強度增強的幅度有限，三軸壓縮情況下，試件的破壞形態(tài)與單軸壓縮試驗中的破壞形態(tài)比較類似，如圖9和圖10所示，主要表現(xiàn)為多個共軛斜面剪切破壞和斜剪破壞2種形態(tài)。試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為錐形或倒錐形，因為試件在受壓的過程中，傳力板的剛度和與其接觸的混凝土試件的剛度不一樣，由于側向變形的不一致造成試件在受壓的過程中還會受到側向摩擦力，因此在混凝土的上下表面會受到向里的徑向摩擦力。

圖9 共軛斜面剪切破壞Fig.9 Shearfailureatconjugateslope圖10 斜剪破壞Fig.10 Obliqueshearfailure

4.2 強度變化機制分析

混凝土是非均勻復合材料，在其澆筑之初，其內(nèi)部已存在初始損傷，在外界因素的影響下，該損傷得到發(fā)展并形成微裂縫，造成新的損傷。當損傷持續(xù)累積，微裂縫會貫通形成宏觀裂縫，宏觀裂縫進一步發(fā)展，最終將導致混凝土體的破壞。綜上所述，混凝土的破壞過程實際上是損傷逐步產(chǎn)生并發(fā)展的過程。

孔隙中的自由水以及孔隙水壓循環(huán)作用對混凝土力學性能的影響主要表現(xiàn)在2個方面：一是滲透壓力使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂縫；二是孔隙水在孔隙界面上產(chǎn)生的黏性效應，即Stefan效應。

4.2.1 滲透壓力作用

當混凝土受到外圍有壓水作用時，有壓水會沿著混凝土表層的微觀裂紋逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，導致混凝土內(nèi)部裂紋受力發(fā)生變化。在外部荷載作用下，孔隙裂紋首先發(fā)生擴展、并相互連接。當有壓水及外部荷載持續(xù)影響混凝土的性能時，混凝土的材料性能發(fā)生劣化，如強度降低、透水性增大等諸多后果?？紫端畨貉h(huán)對混凝土的作用是一種從量變到質(zhì)變發(fā)展的過程，即每一次的效應并不一定非常顯著，但在多次的循環(huán)發(fā)生情況下，卻可使效應累積性增大，直到破壞。所以說孔隙水壓循環(huán)作用是一種“疲勞作用”，它對混凝土介質(zhì)的劣化作用比持續(xù)浸泡要強。

圖11 Stefan效應示意圖Fig.11 Sketch of Stefan effect

4.2.2 Stefan效應黏性機制的物理分析

Stefan效應也稱黏性效應[8]，其工作原理如圖11所示。有2個間距為h、半徑都為r的平行圓盤，圓盤中間是黏度為k(Pa·s)的不可壓縮流體，當二者以相對速度v向相反方向運動時，它們之間產(chǎn)生的黏聚力為

(3)

由黏聚力引起的拉應力為

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，黏聚力Fc與液體黏度k和相對速度v成正比關系，應力σ與裂紋位移、裂紋面的相對速度v=dh/dt與加載速率成正比關系，即液體對平板施加的反作用力與平板的分離速度成正比。因此，混凝土在破壞分離時，由自由水引起的黏聚力Fc隨應變速率的增加而增大，阻礙了混凝土中裂紋的開裂，使得混凝土的動力強度增加。

4.2.3 混凝土強度變化機制分析

由圖3可知，隨著孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的峰值應力表現(xiàn)出階段性的變化，當循環(huán)次數(shù)不大于100次時，峰值應力呈增大的趨勢；當循環(huán)次數(shù)在100～200次范圍時，峰值應力減小。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是，當循環(huán)次數(shù)不大于100次時，孔隙水的滲透壓力作用使混凝土產(chǎn)生有限的損傷，產(chǎn)生一定數(shù)量的厚度很薄的毛細裂縫并充滿自由水。當混凝土受到外力作用時，孔隙間會產(chǎn)生強烈的Stefan效應，即產(chǎn)生阻止微孔隙擴展的阻力，并且在一定的循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)，介質(zhì)內(nèi)飽和的自由水越多，Stefan效應表現(xiàn)得越明顯，最終導致混凝土強度增大。當循環(huán)次數(shù)進一步增加，達到200次時，孔隙水的滲透壓力作用使混凝土產(chǎn)生較大的損傷，毛細裂縫發(fā)展成為微裂縫甚至是宏觀裂縫，盡管還會產(chǎn)生新的毛細裂縫并在受到外部荷載時有Stefan效應產(chǎn)生，但宏觀裂縫中的孔隙水機械作用占據(jù)主導地位，導致混凝土強度降低。盡管如此，從200次循環(huán)作用后混凝土強度依然比0次循環(huán)作用后的混凝土強度高的試驗結果可以看出，Stefan效應依然起到較大的作用。

5 結 論

從以上試驗結果和對混凝土破壞機制分析的成果可知：

(1) 隨著應變速率的不斷增加，歷經(jīng)不同孔隙水壓循環(huán)次數(shù)作用后的混凝土峰值應力也隨之增加。隨著孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土峰值應力的變化呈現(xiàn)出階段性：當循環(huán)次數(shù)不超過100次時，混凝土的峰值應力隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大；當循環(huán)次數(shù)超100次時混凝土的峰值應力隨循環(huán)次數(shù)的增大而減小。

(2) 隨著應變速率的不斷增加，混凝土的峰值應變整體上呈現(xiàn)出增大的趨勢；隨著孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的峰值應變表現(xiàn)出波動的趨勢。

(3) 隨著應變速率的不斷增加，混凝土的彈性模量沒有明顯的規(guī)律；隨著孔隙水壓循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的彈性模量減小，并在此基礎上構建了兩者之間的擬合公式，結果表明兩者的相關程度較高。

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(編輯：黃 玲)

Mechanical Properties of Concrete under Cyclic Pore Water Pressure

HUANG Shi-chao1，2，PENG Gang1，2，LIANG Hui1，2，TIAN Wei1，2

(1.Collaborative Innovation Center of Geological Hazards and Ecological Environment in Three Gorges Area in Hubei Province，Yichang 443002，China； 2.College of Civil Engineering & Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China)

The concrete specimens with diameter of 300mm，height of 600mm, were preprocessed under 0 cycle，10 cycles，50 cycles，100 cycles，200 cycles of pore water pressure(upper limit of pore water pressure for 3MPa，the lower limit for 1MPa) .In order to study mechanical properties of concrete under different cycles of pore water pressures and different strain rates, we carried out conventional triaxial(σ2=σ3≥σ1) compressive tests for these specimens under four strain rates(10-5/s，10-4/s，10-3/s，10-2/s)with confining pressure of 3 MPa. The results show that 1) with the increasing strain rate，the peak stress of concrete increases and the peak strain shows increasing trend. 2) Before 100 cycles of pore water pressure，the peak stress gradually increase, but after that the peak stress tends to decrease, so the peak stress of concrete changes by phase with the increasing cycles of pore water pressure. Variation of peak strain is irregular, whereas elastic modulus tends to decrease with the increasing cycles of pore water pressure.

concrete；cyclic pore water pressure；peak stress；strain rate；elastic modulus

2014-08-08；

2014-09-05

國家自然科學基金項目(51279092)；三峽大學研究生科研創(chuàng)新基金(CX2014010)；湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心研究生自主探索基金；三峽大學培優(yōu)基金(2015PY018)

黃仕超(1989-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向為建筑與土木工程、混凝土材料動力特性及結構抗震，(電話)13098407206(電子信箱)271613040@qq.com。

彭 剛(1963-)，男，湖南岳陽人，教授，博士生導師，研究方向為混凝土材料動力特性及結構抗震，(電話)13972604433(電子信箱)gpeng158@126.com。

10.11988/ckyyb.20140680

2016,33(01):134-138

TV431

A

1001-5485(2016)01-0134-05