劉博文，彭 剛，王孝政，馬小亮，鄧 媛

不同凍融循環(huán)次數(shù)混凝土單軸壓縮試驗

劉博文，彭 剛，王孝政，馬小亮，鄧 媛

(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 )

為研究凍融循環(huán)作用對混凝土力學性能的不利影響，分別對混凝土進行0，10，25，35和50次快速凍融循環(huán)，并利用10 MN大型多功能動靜力三軸儀對混凝土歷經(jīng)40%fc的荷載歷史作用后(fc=40 MPa為普通混凝土單軸抗壓強度)，以10-4/s的應變速率進行單軸壓縮試驗，得到凍融循環(huán)后混凝土的單軸抗壓強度，并分析其損傷演化規(guī)律與破壞機理。結果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，歷經(jīng)相同加載歷史作用后的混凝土的單軸抗壓強度逐漸降低，且峰值應力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化呈二次曲線關系；選用修正后的Weibull-Lognormal分段式損傷本構模型，經(jīng)驗證能夠較好擬合凍融劣化混凝土歷經(jīng)荷載歷史作用后單軸應力應變曲線；此外，凍融循環(huán)次數(shù)越多，對混凝土造成的損傷程度越大，在損傷發(fā)展的后期階段，凍融程度較大的混凝土損傷路徑大幅度延長且趨于扁平化，直至進入破壞階段。

混凝土； 凍融循環(huán)； 荷載歷史； 損傷本構模型

調(diào)查資料表明，東北、西北和華北地區(qū)修建的水工混凝土建筑物都遭受了局部或大面積不同程度的凍融破壞，同時我國又是一個多地震國家，這些混凝土結構在遭遇動態(tài)荷載破壞時往往都承受了一定的荷載歷史。所以，研究凍融劣化混凝土在歷經(jīng)荷載歷史后的動態(tài)力學性能，為提高高寒地區(qū)水工混凝土建筑物抗震安全的認知水平和預判能力提供一定的理論基礎和試驗依據(jù)，具有較大現(xiàn)實意義。

混凝土的抗凍性能是其耐久性的重要指標之一，國內(nèi)外學者對凍融循環(huán)后混凝土的動態(tài)力學性能開展了大量研究，尹有君[1]對混凝土試件進行了不同凍融循環(huán)次數(shù)后的單軸抗壓試驗，分析了濕篩大骨料混凝土試件強度降低幅度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系，構建抗壓強度與循環(huán)次數(shù)的數(shù)學模型并建立破壞準則；覃麗坤等[2]試驗得出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，海水中引氣混凝土的單軸強度逐漸降低，并具有一定規(guī)律性的結論；田威等[3]通過單軸加載試驗得到凍融循環(huán)次數(shù)達到120次時混凝土強度已下降到60%，同時隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值點荷載會不斷降低，相應的峰值位移顯著增大的規(guī)律；Suzuki等[4]通過X射線掃描凍融混凝土，從細觀上說明混凝土材料在凍融循環(huán)作用下的損傷機理；徐超[5]、肖詩云等[6]進行了歷經(jīng)加載歷史的混凝土率效應研究并構建損傷本構模型；宋玉普等[7]試驗得出隨凍融次數(shù)增加全級配混凝土與濕篩混凝土的抗壓強度與抗拉強度均明顯降低，但全級配混凝土的降低值較濕篩混凝土的降低值大。覃麗坤等[8]分析了凍融循環(huán)對混凝土單軸壓及多軸壓強度的不同影響，總結了應力比和凍融循環(huán)次數(shù)對處于多軸應力狀態(tài)下混凝土強度的影響規(guī)律。張連英等[9]結合凍融循環(huán)下混凝土單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，以強度的變化定義損傷，建立了凍融循環(huán)作用下不同強度等級混凝土試塊的損傷演化方程。以上研究對凍融劣化混凝土在簡單應力狀態(tài)和復雜應力狀態(tài)下的基本力學特性研究方面已提出了一些成果，但對歷經(jīng)荷載歷史作用后凍融混凝土動態(tài)特性特別是動態(tài)損傷特性的影響研究還較少。鑒于此，本文考慮5種凍融循環(huán)次數(shù)的影響，對歷經(jīng)單調(diào)加載歷史后的混凝土進行動態(tài)單軸壓縮試驗，分析凍融劣化對混凝土材料動態(tài)強度的影響并結合混凝土損傷規(guī)律構建相應的動態(tài)本構模型。

1 試驗設計

1.1 試件制備與快速凍融試驗

試驗采用邊長為300 mm的立方體混凝土試件，水灰比為0.6，水泥采用宜昌三峽水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用5～40 mm連續(xù)級配碎石，細骨料采用細度模數(shù)為2.3的天然河砂，采用自來水進行攪拌。將拌合物置入鋼模，并在振動臺振搗成型，靜置24 h后待試件硬化拆模，然后在標準條件下養(yǎng)護28 d。混凝土強度等級為C30，材料用量為：粗骨料1 046.1 kg/m3，細骨料676.9 kg/m3，水175.0 kg/m3，水泥291.0 kg/m3。凍融設備采用三峽大學TR-TSDRSL型凍融循環(huán)系統(tǒng)，將養(yǎng)護后的試件放入水中浸泡4 d，隨后進行凍融循環(huán)試驗。試驗擬采用0，10，25，35和50次5組凍融循環(huán)次數(shù)并進行相應編號，按照GB/T 50082—2009中的“快凍法”進行試驗，試件中心溫度控制在(-17±2)～(8±2)℃，試件內(nèi)外溫差不超過28℃，凍融循環(huán)1次耗時14 h。

1.2 試驗加載

力學試驗設備采用三峽大學10 MN大型多功能液壓伺服靜動力三軸儀，該加載裝置主要組成部分為主伺服油源、輔助伺服油源、加載框架、EDC控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 試驗荷載-時間曲線Fig.1 Loading-time test curve

試驗加載過程分3步進行：①將凍融混凝土試件放置在加載框架上，安裝豎直方向變形計，調(diào)整試件位置與傳力柱軸心對中，開啟油泵后進行預加載，在豎直方向預施加荷載至20 kN后保持穩(wěn)定，以保證試件加載面與傳力柱之間充分接觸；②清零變形計并開始記錄，以0.5 MPa/s的加載速率對試件單調(diào)加載至預先設定的0.4fc幅值，然后以相同速率卸載至20 kN；③對卸載后的凍融混凝土試件以10-4/s的加載速率進行動態(tài)單軸抗壓試驗直至試件破壞，最后保存試驗數(shù)據(jù)。

在試驗加載過程中第1步和第2步采用荷載控制方式，第3步使用變形控制方式。圖1為荷載歷史加載過程中的荷載-時間曲線。

2 基本力學參數(shù)分析

根據(jù)上述試驗方法，應變速率為10-4/s下，0，10，25，35和50次凍融次數(shù)后，混凝土歷經(jīng)單調(diào)加載歷史后的峰值應力σpk分別為44.54，34.74，26.51，24.99和20.37 MPa?？梢姡瑲v經(jīng)相同加載歷史作用后的混凝土在同一加載速率下的單軸極限抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加強度明顯降低。相對于0次凍融循環(huán)作用，混凝土抗壓強度在10，25，35和50次凍融循環(huán)后的單軸抗壓強度分別降低了22%，40%，44%和54%。

張俊萌等[10]研究認為凍融混凝土的抗壓強度隨循環(huán)次數(shù)呈二次拋物線趨勢逐步下降。本文加載速率取10-4/s，歷經(jīng)0，10，25，35和50次循環(huán)作用后，歷經(jīng)荷載歷史的混凝土單軸抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系可用式(1)描述如下：

fdr/fc=aN2+bN+c

(1)

式中：fc為常態(tài)混凝土歷經(jīng)荷載歷史后的單軸抗壓強度；fdr為不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土歷經(jīng)荷載歷史后的單軸抗壓強度；N為凍融循環(huán)次數(shù)；a，b和c均為擬合參數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計回歸求得在10-4/s加載速率下，歷經(jīng)0，10，25，35和50次凍融循環(huán)后混凝土在相同加載幅值作用下的單軸抗壓強度的相關系數(shù)為：a=0.991 6;b=-0.020 13;c=0.001 9，擬合相關度R2=0.98。說明式(1)能夠較好地反映歷經(jīng)相同加載歷史作用后的混凝土在同一加載速率下單軸極限抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)N的變化規(guī)律。

3 基于損傷本構模型的分析

3.1 本構模型建立

在混凝土單軸受壓狀態(tài)作用下的動態(tài)損傷本構研究方面，王春來等[11]利用Weibull統(tǒng)計分布理論和等效應變假定原理，根據(jù)材料強度服從Weibull統(tǒng)計分布特點，認為材料的損傷參數(shù)D也服從該統(tǒng)計分布。

根據(jù)Weibull統(tǒng)計建立的應力應變關系為

(2)

文獻[12]對上述損傷本構模型做出了以下修正，將應力應變曲線的下降段采用Lognormal統(tǒng)計分布規(guī)律進行描述。根據(jù)Lognormal統(tǒng)計建立的應力應變關系為

(3)

由幾何邊界條件，ε=εpk，dσ/dε=0，ε=εpk，σ=σpk對式(3)進行求導可得

(4)

將邊界條件代入式(4)可得b=εpk，a=σpk，即峰值后的應力-應變關系可得

(5)

從而，經(jīng)過修正后建立的損傷本構模型為

(6)

式中：εpk為峰荷應變值；σpk為峰值應力；τ為初始彈性模量；m和t為曲線上升段與下降段的形狀參數(shù)，通過對試驗數(shù)據(jù)擬合得到。運用該模型對不同凍融循環(huán)混凝土試件動態(tài)單軸試驗曲線進行擬合分析(見圖2)， 其中DR0，DR10，DR25，DR35和DR50分別為0，10，25，35和50次凍融循環(huán)的試驗試件。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件動態(tài)單軸試驗對比Fig.2 Comparison of dynamic uniaxial test results under different freeze-thaw cycles

由圖2看出，修正后的Weibull-Lognormal分段式統(tǒng)計分布模型能夠較好擬合凍融循環(huán)混凝土歷經(jīng)荷載歷史作用后單軸應力應變曲線，該模型參數(shù)少且擬合效果較好，具有廣泛的實際工程應用前景。

3.2 損傷演化分析

(7)

圖3 不同凍融程度混凝土損傷對比Fig.3 Comparison of concrete damages under different freeze-thaw extents

不同凍融劣化混凝土單調(diào)荷載歷史作用后單軸損傷演化圖如圖3所示。在加載過程中，由3種不同凍融程度混凝土的損傷演化可知：不同工況下，曲線形式大體相同，隨著殘余應變的不斷累積，損傷發(fā)展均表現(xiàn)為由快到慢的變化趨勢。但凍融循環(huán)次數(shù)的增加，導致混凝土的損傷演化路徑向前推移，損傷發(fā)展速度加快，且凍融次數(shù)差異越大，損傷路徑差異越大。

損傷路徑的差異性主要表現(xiàn)為，在相同累積應變下隨著凍融次數(shù)的增加，損傷值D逐漸增大，且初始損傷曲線的斜率不斷提高，說明低溫環(huán)境的循環(huán)次數(shù)越多對混凝土造成的損傷程度越大且在加載過程中環(huán)境導致的材料損傷加快了混凝土破壞。在相同損傷累積程度下，凍融循環(huán)次數(shù)越大的混凝土累積應變越小，在損傷發(fā)展后期階段，凍融程度越大，損傷路徑趨于扁平并大幅度延長，直至進入破壞階段。表明較高凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土造成的初始損傷累積高于低循環(huán)次數(shù)，同時凍融對材料產(chǎn)生破壞的同時也減小了自身剛度。

由于混凝土是一種具有初始缺陷的材料，基相和分散相之間存在的缺陷則稱之為損傷。從損傷力學的角度，外界因素的影響，使得原始缺陷得到發(fā)展形成了新的損傷并形成微裂縫。在混凝土凍融循環(huán)階段，飽和混凝土受凍導致毛細孔內(nèi)水結冰體積增大，所以材料內(nèi)部的骨料結構發(fā)生改變，孔隙體積變大，微裂紋逐漸形成并擴展蔓延到相鄰砂漿，使得混凝土體積膨脹并產(chǎn)生一定損壞。但凍融對材料產(chǎn)生破壞的同時也減小了自身剛度，所以在凍融程度相對較輕的混凝土后期損傷路徑大幅度縮短，直接進入破壞階段。

4 結 語

(1)歷經(jīng)相同加載歷史作用后的混凝土單軸抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強度明顯降低，同時混凝土單軸抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間呈二次曲線關系。

(2)試驗驗證表明，修正后的Weibull-Lognormal分段式本構模型能夠較好擬合凍融循環(huán)混凝土歷經(jīng)荷載歷史作用后單軸應力應變曲線。

(3)基于Weibull-Lognormal本構模型分析發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的損傷演化路徑向前推移，說明凍融循環(huán)次數(shù)越多對混凝土造成的損傷越大。在損傷發(fā)展的后期階段，凍融程度較大的混凝土損傷路徑有大幅度延長且趨于扁平化，直至進入破壞階段。

[1]尹有君. 凍融條件下濕篩大骨料混凝土多軸強度的試驗研究[D]. 大連: 大連理工大學， 2008. (YIN Youjun. Study on the strength of wet-screened mass concrete under multiaxial stress states after freeze-thaw cycles[D]. Dalian: Dalian University of Technology， 2008. (in Chinese))

[2]覃麗坤，宋宏偉，王秀偉. 引氣混凝土在海水中凍融循環(huán)后單軸強度試驗研究[J]. 大連民族學院學報， 2015， 17(1): 65- 68. (QIN Likun， SONG Hongwei， WANG Xiuwei. Study on uniaxial strength of air-entrained concrete after freeze-thaw cycles in seawater[J]. Journal of Dalian Nationalities University， 2015， 17(1): 65- 68. (in Chinese))

[3]田威， 邢凱， 謝永利. 凍融環(huán)境下混凝土損傷劣化機制的力學試驗研究[J]. 實驗力學， 2015， 30(3): 299- 304. (TIAN Wei， XING Kai， XIE Yongli. Experimental study on the mechanical property and damage evolution of concrete under freeze-thaw environment[J]. Journal of Experimental Mechanics， 2015， 30(3): 299- 304. (in Chinese))

[4] SUZUKI T， OGATA H， TAKADA R， et al. Use of acoustic emission and X-ray computed tomography for damage evaluation of freeze-thawed concrete[J]. Construction and Building Materials， 2010， 24(12): 2347- 2352.

[5]徐超. 加載歷史對混凝土動態(tài)特性的影響[D]. 宜昌: 三峽大學， 2012. (XU Chao. The effect of dynamic behaviour of concrete by loading history[D]. Yichang: China Three Gorges University， 2012. (in Chinese))

[6]肖詩云，張劍. 歷經(jīng)荷載歷史混凝土動態(tài)受壓試驗研究[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51(1): 78- 83. (XIAO Shiyun， ZHANG Jian. Study on dynamic compressive loading of concrete by loading history[J]. Journal of Dalian University of Technology， 2011， 51(1): 78- 83. (in Chinese))

[7]宋玉普， 徐秀娟， 劉浩. 凍融循環(huán)后全級配混凝土及其濕篩混凝土的力學性能比較[J]. 水利學報， 2012， 43(1): 69- 75. (SONG Yupu， XU Xiujuan， LIU Hao. Comparison of mechanical properties of fully graded concrete and wet screened concrete after freeze-thaw cycles[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2012， 43(1): 69- 75. (in Chinese))

[8]覃麗坤， 宋宏偉， 王秀偉. 凍融循環(huán)后混凝土單軸及多軸強度的對比分析[J]. 混凝土， 2013(2): 8- 11. (QIN Likun， SONG Hongwei， WANG Xiuwei. Contrast analysis of uniaxial and multi-axle compression strength of concrete after freeze-thaw cycles[J]. Concrete， 2013(2): 8- 11. (in Chinese))

[9]張連英， 劉瑞雪， 李雁， 等. 凍融循環(huán)下不同強度混凝土損傷力學特性的試驗研究[J]. 水利學報， 2014(增1): 143- 146. (ZHANG Lianying， LIU Ruixue， LI Yan， et al. Experimental study on the damage mechanical property of concrete under freeze-thaw environment[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2014(Suppl1): 143- 146. (in Chinese))

[10]張俊萌， 方從啟， 段桂珍. 約束混凝土和素混凝土抗凍性能對比研究[J]. 混凝土， 2014(3): 25- 29. (ZHANG Junmeng， FANG Congqi， DUAN Guizhen. Comparative investigation on anti-freeze behavior of confined and plain concrete[J]. Concrete， 2014(3): 25- 29. (in Chinese))

[11]王春來， 徐必根， 李庶林， 等. 單軸受壓狀態(tài)下鋼纖維混凝土損傷本構模型研究[J]. 巖土力學， 2006， 27(1): 151- 154. (WANG Chunlai， XU Bigen， LI Shulin， et al. Study on a constitutive model of damage of SFRC under uniaxial compression[J]. Rock and Soil Mechanics， 2006， 27(1): 151- 154. (in Chinese))

[12]彭剛， 王乾峰， 梁春華. 有壓孔隙水環(huán)境中的混凝土動態(tài)抗壓性能研究[J]. 土木工程學報， 2015(1): 11- 18. (PENG Gang， WANG Qianfeng， LIANG Chunhua. Study on dynamic compressive properties of concrete under pore water pressure environment[J]. China Civil Engineering Journal， 2015(1): 11- 18. (in Chinese))

Experimental studies on dynamic properties of concrete under different freeze-thaw cycles

LIU Bowen， PENG Gang， WANG Xiaozheng， MA Xiaoliang， DENG Yuan

(1.CollaborativeInnovationCenterofGeologicalHazardsandEcologicalEnvironmentinThreeGorgesAreainHubeiProvince,Yichang443002,China; 2.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

In order to make studies of unfavorable effects of the freezing and thawing cycles upon the dynamic properties of the concrete, the laboratory tests, which suffered 40% offcloading history of the concrete specimens after 0, 10, 25, 35 and 50 cycles of the freezing and thawing (fcdefined as the uniaxial compressive strength of the ordinary concrete) were carried out by a 10 MN large multi-purpose static and dynamic triaxial apparatus at a strain rate of 10-4/s. The uniaxial compressive strength of the concrete under the action of the cyclic freezing and thawing was obtained, and the damage evolution law and failure mechanism were analyzed. The testing results show that the uniaxial compressive strength of the concrete decreased with the increase in the number of the freeze-thaw cycles, and the peak stress along with the change of the freeze-thaw cycles was characterized by a quadratic curve relationship. And from the testing results it is found that the validated Weibull-Lognormal segment type damage constitutive model can be well used for fitting the uniaxial stress-strain curves of the concrete deteriorated by the freeze-thaw cycle damages after the loading histories. In addition, the number of the freeze-thaw cycles of the concrete is more, the degree of damage to the concrete is greater, and in the later stages of damage development, the damage path of the concrete with a large degree of freezing and thawing is greatly prolonged and tends to flattening until it is in the damage stage.

concrete; freeze-thaw cycles; loading history; damage constitutive model

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.005

2016-03-28

國家自然科學基金資助項目(51579139)； 三峽大學碩士學位論文培優(yōu)基金資助項目(CX2015025)

劉博文(1992—)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事混凝土材料動態(tài)特性研究。 E-mail: 1696327945@qq.com 通信作者：彭 剛(E-mail: gpeng@163.com)

TV431

A

1009-640X(2017)01-0032-05

劉博文， 彭剛， 王孝政， 等. 不同凍融循環(huán)次數(shù)混凝土單軸壓縮試驗[J]. 水利水運工程學報, 2017(1): 32-36. (LIU Bowen, PENG Gang, WANG Xiaozheng, et al. Experimental studies on dynamic properties of concrete under different freeze-thaw cycles[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(1): 32-36. (in Chinese))