李明欣，王選倉，張 翼

(1.長安大學公路學院， 陜西 西安 710064；2.中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024)

公路水泥混凝土的粘彈性特征研究

李明欣1，王選倉1，張 翼2

(1.長安大學公路學院， 陜西 西安 710064；2.中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024)

為研究適用于公路路面的水泥混凝土材料粘彈性特征，通過室內(nèi)制備道路水泥混凝土試件，采用控制位移法進行一次加載、循環(huán)加載試驗，分別測試了C30水泥混凝土試件分別在0.1、0.3、0.5 mm·min-13種加載速率下的σ-ε曲線。通過對3種加載速率下的σ-ε曲線變化規(guī)律并采用割線模量Es表征水泥混凝土的粘彈性。研究結(jié)果表明：水泥混凝土試件σ≤0.8σmax時，σ-ε曲線近似線性增長，該范圍可認為是水泥混凝土的彈性工作階段；當σ≥0.8σmax時，試件出現(xiàn)出較大的粘性變形特征，當應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后發(fā)生脆性破壞。加載速率的不同會影響σ-ε曲線的彈性模量Ec和最大破壞應(yīng)力σmax；Ec隨著加載速率的增大而減小，σmax隨著加載速率v的增大而增大。

道路工程；水泥混凝土；割線模量；粘彈性

水泥混凝土路面是道路工程中廣泛采用的道路類型之一，應(yīng)用非常廣泛[1-2]。水泥混凝土是一種高強度、非均質(zhì)、內(nèi)部各向異性的材料，對力學作用的響應(yīng)主要取決于各組分本身和組分之間的相互作用[3-4]。利用水泥作為穩(wěn)定劑具有成本低、獲取方便、操作簡便等優(yōu)勢，符合中國工程實際和經(jīng)濟發(fā)展的要求[5-7]。目前，研究者對瀝青與瀝青混合料的流變特性研究較多，相對應(yīng)的流變模型的數(shù)值模擬方面有較為深入的研究[8-10]，并認為材料的粘彈性特征在路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬領(lǐng)域具有重要的參考價值[11]。材料流變學特征的研究需要采用理論和試驗相結(jié)合的方式進行，對材料給予恰當?shù)牧W激勵，獲取材料所表現(xiàn)出來的力學響應(yīng)，建立激勵與響應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系[12-15]。本研究對水泥混凝土材料采用位移控制法分別進行一次加載和循環(huán)加載試驗，測試了水泥混凝土試件在3種加載速率下的σ-ε曲線，并對不同的σ和ε區(qū)間段采用割線模量Es來研究水泥混凝土的粘彈性特征。

1 試件的準備

按照《普通水泥混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)制備水泥混凝土試件[16]，水泥采用秦嶺牌硅酸鹽水泥，強度等級42.5 MPa，具體技術(shù)指標見表1。所用集料的技術(shù)性能見表1，所用集料為花崗巖，集料技術(shù)性能見表2，水泥混合料級配組成見表3，水泥混凝土配合比見表4。采用機械拌合方式，一次拌料50 kg，機械拌合之后進行塌落度試驗驗證，塌落度合格的混合料倒入模具之中在振動臺上振動成型。振動成型之后將試模在溫度為(20±5)℃的室內(nèi)環(huán)境下靜置24 h，拆模、編號，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

表1 水泥的技術(shù)性能 Table 1 Basic technical properties of cement

表2 集料技術(shù)性能 Table 2 Basic technical properties of aggregates

表3 混合料級配組成 Table 3 Gradation of cement concrete mixture

表4 新制備水泥混凝土配合比 Table 4 The proportions of cement concrete

將制備的試件放到(20±2)℃、相對濕度95%的標準養(yǎng)護室中，試件之間間隔1 cm以上，養(yǎng)護28 d。使用鉆芯機械從立方體試件的側(cè)面鉆取芯樣，鉆取之后將試件表面擦拭平整并標號。

2 加載試驗方法

單靜力加載試驗的加載類型有位移控制、力控制和力-位移聯(lián)合控制的加載模式。其中，控制位移的加載是以加載過程中位移變化作為控制量，變換位移量進行循環(huán)加載，即設(shè)置不同的加載速率進行壓力試驗，研究混凝土試件在整個加載過程中的σ-ε曲線的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上研究混凝土試件的彈塑性規(guī)律，還需要進行循環(huán)加載試驗，加卸載的控制方式采用控制壓力法，設(shè)定合理的循環(huán)加卸載壓力范圍。壓力初始值設(shè)為0.05 kN，要求試件承載面與壓頭良好接觸。壓力峰值的設(shè)定要求試件在循環(huán)加卸載過程能夠反映出試件在承受較大力后的彈性變形情況，是否會產(chǎn)生粘塑性改變，以及改變幅度有多大等問題。因此，將循環(huán)加卸載的峰值設(shè)置為試件平均破壞壓力的2/3，即加卸載力的范圍為0.05 kN～2/3Fa(試件平均破壞壓力Fa由實測計算獲得，根據(jù)本次加載試驗所用試件性能，確定2/3Fa為150 kN)。加卸載循環(huán)次數(shù)設(shè)為5次，第6次加載直至試件破壞。

本試驗采用的加載方式有2種。加載方式a：一次加載試驗，設(shè)定不同的加載速率，將水泥混凝土試件勻速加載至破壞，得到各個試件的最大破壞力Fmax，分別求出各組水泥混凝土試件的平均破壞壓力Fa；加載方式b：循環(huán)加卸載試驗，分別設(shè)定新舊水泥混凝土試件循環(huán)加卸載的初始值和峰值，初始值設(shè)為0.05 kN，峰值設(shè)為2/3Fa。循環(huán)加卸載5次后，第6次加載試件至破壞。

采用新三思公司生產(chǎn)的CMT5000系列精密型微機電子萬能試驗機，通過對本試驗加載類型、加載方式和加載速率的分析，最終確定水泥混凝土材料粘彈性特征的試驗研究方案為：采用控制位移法加卸載試驗，設(shè)定不同的加載速率，加載方式a：一次加載至破壞試驗；b：循環(huán)加卸載試驗。加載速率為3種，分別是0.1、0.3、0.5 mm·min-1。

試驗中選取10組混凝土試件進行試驗，一次加載試驗和循環(huán)加載試驗各5組，具體試驗方案見表5。

表5 新水泥混凝土試件試驗方案表 Table 5 Testing procedures of cement concrete samples

注：“數(shù)據(jù)記錄編號”一列中，a為一次加載試驗，b為循環(huán)加卸載試驗。

Notes: In the table above, a stands for single loading test, while b stands for repeat loading test.

3 結(jié)果與分析

3.1 一次加載試驗

水泥混凝土試件一次加載試驗分別是在0.1、0.3、0.5 mm·min-1的加載速率下進行，3種加載速率下一次加載至破壞試驗的σ-ε關(guān)系曲線見圖1。

圖1 試件一次加載試驗對比Fig.1 Comparison of σ-ε curves of each sample under single loading

加載速率在0.1 mm·min-1的情況下，σ-ε曲線在應(yīng)力達到25 MPa之前是一個線性增長的過程，超過25 MPa之后曲線斜率發(fā)生突變，強度不再增長而變形減小，說明試件在破壞后發(fā)生了一定程度回彈，即加載速率較小時，水泥材料表現(xiàn)出一定的粘塑性特征。在0.3 mm·min-1的加載速率下，σ-ε曲線在27 MPa之前呈現(xiàn)線性增長趨勢， 27 MPa之后曲線的斜率減小，達到30.5 MPa時試件破壞。在0.5 mm·min-1的加載速率下，曲線在35 MPa之前基本呈線性增長，應(yīng)力超過35 MPa之后，曲線斜率明顯減小趨緩。由試驗結(jié)果分析可知，水泥混凝土試件在3種加載速率下一次加載至破壞得到的平均最大破壞極限應(yīng)力為34 MPa，平均破壞應(yīng)變?yōu)?.5×10-3。當材料應(yīng)力處于0～28 MPa之間時，試件的σ-ε曲線呈現(xiàn)較為規(guī)律的線性關(guān)系，當應(yīng)力超過28 MPa之后，σ-ε曲線的斜率即發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)非線性特征。各種加載速率下，材料線彈性階段結(jié)束時所對應(yīng)的應(yīng)力σ均大致相當于0.8倍的極限破壞應(yīng)力σmax，σmax且隨加載速率的增大而略有提高。

為進一步研究各試件在不同加載速率下的σ-ε曲線變化規(guī)律，采用分析不同σ、ε范圍內(nèi)的σ-ε曲線割線斜率，即割線模量Es來探究水泥混凝土的粘彈性特征，分別繪制不同分段σ、ε范圍的Es曲線圖(圖2和圖3)。

由圖2和圖3可知，加載速率的變化對不同σ、ε范圍內(nèi)的Es曲線變化均有一定影響。當加載速率分別為0.1、0.3、0.5 mm·min-1時，則加載速率越大，Es的線性變化規(guī)律越明顯，也說明當加載速率較大時，水泥混凝土材料的σ-ε曲線的線彈性特征更為顯著，當加載速率較小時，水泥混凝土材料表現(xiàn)出粘塑性特征。

圖2 不同σ范圍內(nèi)Es的變化曲線 Fig.2 Es curves within different σ ranges

圖3 不同ε范圍內(nèi)Es的變化曲線 Fig.3 Es curves within different ε ranges

3.2 循環(huán)加卸載試驗

水泥混凝土試件的循環(huán)加卸載試驗分別在0.1、0.3、0.5 mm·min-1的加載速率下進行，根據(jù)單次加載試驗結(jié)果，確定試件加載范圍0.05～150 kN，加載至150 kN之后立即卸載至0.05 kN，隨即開始下一個循環(huán)加載，并反復進行5個循環(huán)后，第6次加載直至試件破壞。3種加載速率下循環(huán)加卸載試驗的材料σ-ε關(guān)系見圖4～圖6。

圖4 0.1 mm·min-1循環(huán)加卸載試驗結(jié)果 Fig.4 Repeat loading test results with 0.1 mm·min-1 loading rate

圖5 0.3 mm·min-1循環(huán)加卸載試驗結(jié)果 Fig.5 Repeat loading test results with 0.3 mm·min-1 loading rate

圖6 0.5 mm·min-1循環(huán)加卸載試驗結(jié)果 Fig.6 Repeat loading test results with 0.5 mm·min-1 loading rate

由圖4可知，當循環(huán)加載速率在0.1 mm·min-1時，水泥混凝土試件的σ-ε曲線為重復循環(huán)的閉合回路。由圖5可知，當循環(huán)加載速率為0.3 mm·min-1時，循環(huán)曲線為向上略微突起的曲線。由圖6可知，當加載速率為0.5 mm·min-1時，循環(huán)曲線近似為直線,且由于設(shè)備加卸載速度較快,導致測量精度誤差較大,應(yīng)變出現(xiàn)負值，并非由于材料出現(xiàn)膨脹引起，且不影響計算結(jié)果。根據(jù)試驗結(jié)果分析得出，當加載速率較小時，水泥混凝土試件表現(xiàn)出微量粘性變形；當加載速率較大時，水泥混凝土試件更多表現(xiàn)出彈性特征。表6為以上5條曲線循環(huán)加卸載階段的彈性模量值Ec以及第6次加載至破壞時的σ、ε值的大小。

通過數(shù)據(jù)分析可以看出，水泥混凝土試件循環(huán)加卸載階段測得的彈性模量Ec隨加載速率的增大而增大。試件經(jīng)過循環(huán)加卸載后繼續(xù)加載至破壞，水泥混凝土的平均破壞應(yīng)力為σmax為31.9 MPa，小于一次加載破壞時的平均破壞應(yīng)力34.4 MPa。平均破壞應(yīng)變εmax為1.30×10-3，也小于一次加載破壞時的平均破壞應(yīng)變1.34×10-3。

表6 試件循環(huán)加卸載數(shù)據(jù)分析表 Table 6 Analysis of repeat loading test results

4 結(jié)論

1)水泥混凝土試件的σ-ε曲線在一定范圍內(nèi)(σ≤0.8σmax)呈近似線性增長，該應(yīng)力范圍為水泥混凝土的彈性工作階段，在這一范圍內(nèi)加載速率的變化幾乎不會影響σ-ε曲線的特性。割線模量Ec隨加載速率v的增大而略微減小，平均最大破壞應(yīng)力σmax隨加載速率的增大而略微增大，這說明水泥混凝土具有一定的粘性特征。當應(yīng)力超出材料屈服應(yīng)力后，水泥混凝土試件產(chǎn)生較大變形，進而迅速發(fā)生脆性破壞。

2)當σ≤0.8σmax時，水泥混凝土材料主要表現(xiàn)為彈性變化規(guī)律，粘性特征表現(xiàn)不明顯；當σ≥0.8σmax時，試件出現(xiàn)較大的粘性變形，表面開始出現(xiàn)裂縫，迅速發(fā)生脆性破壞。所以在σ≤0.8σmax范圍內(nèi)，水泥混凝土可以按照線彈性材料來處理。由此可認為，當水泥混凝土路面工作荷載較小，尚未達到臨近材料破壞強度時，彈性地基板體系理論假設(shè)是成立的，混凝土材料的彈性分析與計算也是具有科學依據(jù)的。然而，當水泥混凝土路面處于加大工作荷載條件下，應(yīng)適當考慮材料的粘性特征。

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Researchofviscoelasticityofcementconcreteusedinpavement

LI Mingxin1， WANG Xuancang1， Zhang Yi2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China；2.China Building Material Test & Certification Group Co., Ltd., Beijing 100024, China)

To study the viscoelastic characteristics of cement concrete pavement, the C30 concrete samples were prepared tested ofσ-εcurves in the loading rates of 0.1, 0.3 and 0.5 mm·min-1, respectively. The samples were tested with single loading mode and repeat loading mode, separately, under the condition of load displacement control. The change rules ofσ-εcurves were simulated and the viscoelastic characteristics of cement concrete were investigated by using the secant modulusEs. The result shows that theσ-εcurves increase linearly in general under the condition ofσ≤0.8σmaxwhile the samples can be considered as elastomer material. Theσ-εcurves increase non-linearly under the condition ofσ≥0.8σmaxwhile the samples can be considered as a brittle material. The loading rate can affect the secant modulusEsand the ultimate failure stress limitσmax. As the loading rate increases, the ultimate failure stressσmaxincreases while the secant modulusEsdecreases.

road engineering；concrete；secant modulus；viscoelasticity

2017-03-19

交通運輸部建設(shè)科技項目 (2013318J08220)；河北省交通運輸廳科技計劃項目(Y-201302007)

李明欣(1988-)，男，河南三門峽人，博士研究生，主要從事路基路面工程研究。

王選倉(1956-)，男，陜西西安人，教授，博士研究生導師。

1000-2340(2017)04-0536-05

U414

A

(責任編輯：蔣國良)