楊東云

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

凍融是季凍區(qū)施工常見的環(huán)境影響因素，季凍區(qū)建筑結(jié)構(gòu)長期受到凍融作用，導(dǎo)致各構(gòu)筑物受到不同程度的損傷。高速公路作為國家重要的基礎(chǔ)建筑設(shè)施，同樣受到凍融的困擾，其中影響最為嚴(yán)重的是高速公路修筑過程中所使用的路基水泥混凝土。由于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜及混合材料之間的相互作用，混凝土受凍融循環(huán)作用的內(nèi)在機理尚未給出全面系統(tǒng)的研究理論。得出與之相近的研究理論，并得到了相關(guān)研究人員的認(rèn)可，其一為靜水壓力理論，即認(rèn)為水泥混凝土在成型后存在大量微孔洞，雨水滲入孔洞后中得到儲存，待溫度低至負(fù)溫時，孔洞內(nèi)的水分開始結(jié)冰，并迅速膨脹，產(chǎn)生擠壓，致使未結(jié)冰部分的水分由內(nèi)向外流淌，在此流動過程中產(chǎn)生靜水壓力，致使混凝土破壞；其二為滲透壓理論，認(rèn)為水泥混凝土微孔洞中的溶液呈堿性，待溫度低至負(fù)溫后，溶液中的水分開始結(jié)冰，導(dǎo)致堿性溶液中堿濃度升高，致使其他未結(jié)冰微孔洞中的水分向結(jié)冰處運移，導(dǎo)致滲透壓破壞。當(dāng)水泥混凝土處于飽水狀態(tài)時，受凍結(jié)影響，由于滲透壓和靜水壓導(dǎo)致的破壞會使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p傷，致使各項力學(xué)性能發(fā)生劣化。目前，凍融循環(huán)導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)破壞已成為混凝土破壞的主要因素。本文對凍融循環(huán)對高速公路路基混凝土力學(xué)特性開展三軸壓縮試驗研究，以獲取受凍融作用后路基混凝土各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備

本文試驗采用美國研制的專門用于混凝土和巖石類材料的MTS815.02全自動巖石三軸壓縮試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)配有315.04門式加載框架、656.06型三軸壓力室、286.20-09型增圍壓系統(tǒng)、Quizix Q5410型增孔隙壓力系統(tǒng)以及Test Star2計算機控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ω叨?0 mm和100 mm、直徑50 mm的巖石及混凝土試樣進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗及單軸、三軸蠕變試驗。該系統(tǒng)在試驗過程中全程采用計算機控制，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲，具有三種互相獨立的伺服增壓控制系統(tǒng)，可同時加卸軸壓、圍壓和孔隙壓。該系統(tǒng)最大軸向壓力為1 600 kN，最大拉力為1 050 kN，最大圍壓為80 MPa，最大孔隙壓為70 MPa。該系統(tǒng)隨機匹配兩套引伸計，即軸向引伸計和徑向引伸計，測量范圍為±4 mm，滿足巖石及混凝土試驗條件。

1.2 試樣制備

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》制備滿足高速公路強度等級的路基混凝土，采用預(yù)制模具制作直徑50 mm、高100 mm的滿足國際巖石力學(xué)與混凝土學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)的試件。制備完成后，恒溫水域養(yǎng)護28 d，之后置于烘干箱內(nèi)烘干，然后在恒溫室內(nèi)晾至室溫備用。為減小樣本差異所帶來的試驗結(jié)果誤差，采用UTA-2000A超聲波檢測儀對制備好的混凝土試樣進(jìn)行聲波檢測。該儀器采樣為10 MHz，時間間隔為0.1 μs，為提高檢測精度，在混凝土試樣兩端涂抹一層抗滑劑。聲波檢測結(jié)果：縱波速率為1 931 m/s，離散系數(shù)為1.71%。

1.3 試驗方案

根據(jù)高速公路水泥混凝土埋置深度設(shè)置三軸壓縮試驗圍壓，分別為2，4，6，8 MPa，凍融循環(huán)次數(shù)為0，10，20，30次，每組試驗進(jìn)行三組平行試驗，試驗結(jié)果取平均值，具體試樣方案見表1。

表1 季凍區(qū)高速公路混凝土試驗方案

1.4 試驗方法及步驟

首先將全部制備好的混凝土圓柱試樣放在溫度為102 ℃的烘箱內(nèi)烘干，將烘干徹底的混凝土試樣放在干燥皿中直至冷卻至室溫；除了其中一部分混凝土試樣不進(jìn)行凍融循環(huán)處理外，剩下所有試樣均放置于凍融循環(huán)試驗機中進(jìn)行凍融循環(huán)處理，每個凍融循環(huán)周期溫度變化范圍為：從+20 ℃開始，沿圖1曲線減小至-20 ℃，再上升到+20 ℃，為一個完整的凍融循環(huán)過程，一個凍融循環(huán)過程大約經(jīng)歷6 h。設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，10，20，30次，待達(dá)到對應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)后取出對應(yīng)試件，對取出的經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件進(jìn)行三軸壓縮試驗，根據(jù)路基埋深情況，選擇路基圍壓分別為2，4，6，8 MPa。

圖1 凍融循環(huán)溫度變化示意圖

本文常規(guī)三軸壓縮試驗按照《水力水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL 264—2001)中指定試驗步驟進(jìn)行操作，具體步驟為：

(1)經(jīng)凍融循環(huán)處理的水泥混凝土試樣外套熱塑管，采用熱風(fēng)機烘吹熱塑管，使其緊緊包裹于混凝土試樣外側(cè)，然后將包好的混凝土試樣置于MTS三軸試驗機壓力室內(nèi)，并放置在底座中心部位。將軸向、徑向引伸計均安裝在試樣中間位置，調(diào)整二者最大量程，以確保不因試驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的試驗失敗及引伸計破壞。關(guān)閉壓力室，向壓力室內(nèi)輸入抗磨液壓油至充滿。

(2)以0.5 MPa/s的加載速率施加圍壓至預(yù)定值，并保持恒定，以速率為0.2 mm/min的位移控制模式施加軸向荷載，加載至試樣破壞為止。整個試驗過程中系統(tǒng)將自動記錄試驗數(shù)據(jù)，繪出實時應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

(3)試驗結(jié)束后，取出試樣，觀察其破壞狀態(tài)，做好記錄，清理壓力室，準(zhǔn)備下一組試驗。

2 試驗結(jié)果分析

圖2為凍融循環(huán)次數(shù)n=10時不同圍壓下路基混凝土三軸壓縮試驗應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖2 n=10不同圍壓三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖2可知，凍融循環(huán)次數(shù)為n=10時，不同圍壓下高速公路路基混凝土三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線分布特征大體相同，可大致分為五個階段(以圍壓σ3=10 MPa為例)，即微缺陷壓密階段OA、線性彈性變形階段AB、塑性硬化階段BC、塑性軟化階段CD和殘余階段DE。其中，微缺陷壓密階段隨圍壓增大而逐漸消失，其原因是由于在進(jìn)行三軸壓縮試驗前要先施加圍壓，使混凝土試樣處于三向應(yīng)力狀態(tài)，這一過程導(dǎo)致混凝土試樣內(nèi)部初始孔洞、裂紋等微缺陷被壓密，且圍壓越大，壓密效果越好，致使壓密階段逐漸消失。隨著軸向偏應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線逐漸由上凹狀變?yōu)橹本€狀，應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系由非線性轉(zhuǎn)為線性，表現(xiàn)出明顯的線彈性變化特征。繼續(xù)增大軸向偏應(yīng)力，混凝土試樣形變量逐漸加大，內(nèi)部原有微缺陷開始逐漸產(chǎn)生破裂，在試樣內(nèi)部開始產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和應(yīng)力重分布，混凝土試樣內(nèi)部微缺陷的面與面之間產(chǎn)生相對剪切滑移，導(dǎo)致試樣內(nèi)部缺陷持續(xù)破壞，裂紋持續(xù)擴展、發(fā)育，同時產(chǎn)生新的裂紋。這一階段內(nèi)，巖石產(chǎn)生裂紋的速度還處于穩(wěn)定發(fā)展階段。軸向偏應(yīng)力繼續(xù)增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線開始由直線狀變?yōu)橄掳紶?，?yīng)力應(yīng)變之間由線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系。這一階段混凝土試樣內(nèi)部裂紋以不穩(wěn)定速率擴展，裂紋尺寸逐漸增大，新生裂紋開始迅速擴展、貫通，當(dāng)荷載水平達(dá)到混凝土試樣峰值強度時，試樣表面形成宏觀裂縫，最后因失去承載能力而破壞。根據(jù)當(dāng)前研究結(jié)論可知，像水泥混凝土這類材料當(dāng)圍壓到達(dá)一定值時，應(yīng)力應(yīng)變曲線峰后階段會產(chǎn)生明顯的塑性硬化現(xiàn)象，并伴有顯著的塑性屈服平臺和塑性流動。由于路基處于低應(yīng)力狀態(tài)，混凝土試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后階段未出現(xiàn)塑性硬化，而是表現(xiàn)出顯著的塑性軟化現(xiàn)象，其主要原因是由于圍壓較低，未達(dá)到產(chǎn)生塑性硬化的臨界值。但從不同圍壓曲線峰后階段可以看出，隨著圍壓逐漸增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后階段斜率逐漸變緩，表明混凝土類材料具有峰后硬化性質(zhì)。

3 路基混凝土力學(xué)參數(shù)分析

隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增大，混凝土試樣各物理力學(xué)參數(shù)均產(chǎn)生明顯劣化。根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)，不同圍壓三軸壓縮試驗獲取路基混凝土各力學(xué)參數(shù)見表2。不同圍壓各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

表2 路基混凝土力學(xué)參數(shù)

圖3 不同圍壓下峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

圖4 不同圍壓下峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

圖5 不同圍壓下峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

圖6 不同圍壓下峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

由表2可知，路基混凝土各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)均產(chǎn)生較為明顯的變化。由圖3可知，不同圍壓下路基混凝土峰值強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，同時減幅逐漸減小，峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時，峰值強度為43.61 MPa，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，峰值強度分別為39.60，38.10和37.48 MPa，與未受凍融損傷混凝土試樣峰值強度相比，分別減小了10.13%，14.46%和16.36%。

由表2和圖4可知，不同圍壓下路基混凝土峰值應(yīng)變均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，同時增幅逐漸減小，峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時，峰值應(yīng)變?yōu)?.24%，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，峰值應(yīng)變分別為1.29%，1.34%和1.36%，與未受凍融損傷混凝土試樣峰值應(yīng)變相比，分別增大了4.03%，8.06%和9.68%。

由圖5可知，不同圍壓下路基混凝土彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，同時減幅逐漸減小，彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時，彈性模量為3.27 GPa，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，彈性模量分別為3.12，3.08和3.04 GPa，與未受凍融損傷混凝土試樣彈性模量相比，分別減小了4.81%，6.17%和7.57%。

由圖6可知，不同圍壓下路基混凝土泊松比均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，同時增幅逐漸減小，泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時，泊松比為0.28，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，泊松比分別為0.29，0.30和0.31，與未受凍融損傷混凝土試樣峰值應(yīng)變相比，分別增大了3.57%，7.14%和10.71%。

綜上分析可知，凍融循環(huán)對路基混凝土的劣化作用較為明顯，各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)均有不同程度的損傷。因此，在季凍區(qū)路基施工過程中應(yīng)充分考慮凍融損傷作用，應(yīng)在原有設(shè)計計算基礎(chǔ)上考慮一定的損傷安全系數(shù)，以保證高速公路路基安全穩(wěn)定，確保公路交通的正常運營。

4 結(jié)語

本文以季凍區(qū)高速公路路基混凝土為工程研究對象，對路基混凝土開展三軸壓縮試驗，研究分析了路基混凝土受凍融循環(huán)作用后其力學(xué)參數(shù)的變化情況，具體結(jié)論如下：

(1)凍融循環(huán)次數(shù)相同時，不同圍壓路基混凝土三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線分布情況大體相似，隨著圍壓逐漸增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后階段斜率逐漸變緩，混凝土試樣隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸由脆性向延性轉(zhuǎn)變。

(2)路基混凝土各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化明顯，其中，峰值強度、彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，二者與凍融循環(huán)次數(shù)滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律；峰值應(yīng)變、泊松比隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，二者與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。

(3)凍融循環(huán)對路基混凝土損傷作用顯著，各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)均表現(xiàn)出不同分布規(guī)律，因此，在季凍區(qū)路基施工過程中應(yīng)充分考慮凍融損傷作用，應(yīng)在原有設(shè)計基礎(chǔ)上乘以一定的損傷安全系數(shù)，以保證高速公路路基安全穩(wěn)定，確保公路交通的正常運營。