李勝林，凌天龍，張會歌，張明悅

1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.泰山學院 機械與建筑工程學院，山東 泰安 271000；3.河南省實驗學校裕鴻國際學校，河南 鄭州 450019

現(xiàn)代施工方法致力于提高施工速度，高效建設已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑理念的核心。然而，混凝土工程在養(yǎng)護期間不可避免受到外界的擾動。大量研究表明，早齡期混凝土強度相對較低，對外界擾動比較敏感，早期受力對其后期性能影響巨大[1-5]。目前國內(nèi)地下工程一般采用鉆爆法掘進，實際施工過程中，混凝土工程與爆破作業(yè)常常是同步或穿插進行的。當支護結(jié)構(gòu)距離爆源很近時，爆破施工會在附近未達到標準養(yǎng)護齡期的混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生累積損傷，進而影響支護結(jié)構(gòu)的長期強度。因此，關于早期沖擊作用對混凝土的影響引起了廣泛的關注，并有學者針對振動擾動對早齡期混凝土的影響進行實驗和理論研究[6-8]。為了反映工程實際，人們開始采用分離式霍普金森壓桿對早齡期混凝土在高應變率條件下的動態(tài)響應進行研究。郭東明等[9]對早齡期混凝土與巖石黏結(jié)形成的層狀組合體進行循環(huán)沖擊，研究其累計損傷和破壞規(guī)律。李夕兵等[10-11]應用SHPB裝置以50%臨界入射能對早齡期混凝土進行沖擊實驗，7 d前混凝土的強度和彈性模量均有提高，超過7 d后，沖擊作用則會使強度和彈性模量降低。王世鳴等[12]研究了早齡期混凝土強度、峰值應變以及單位體積吸收能與應變率之間的關系。此外，也有學者們嘗試利用室內(nèi)實驗模擬爆破振動對早齡期混凝土的影響。李寧等[13-14]利用室內(nèi)模型實驗，研究了爆破振動對混凝土襯砌強度的影響，對安全振速、襯砌的安全距離及其合理施做時間進行了討論。單仁亮等[15-16]對終凝前后噴射混凝土強度在爆破動載作用下的變化情況進行研究，結(jié)果表明終凝前一定量的爆破振動可以提高混凝土的密實程度，促進強度增長，而齡期12～24 h則為噴射混凝土受爆破動載影響的主要時期。

本文以早齡期混凝土為研究對象，應用分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)分別對C20和C40兩種強度等級混凝土進行沖擊實驗，研究在齡期1 d、2 d、3 d、5 d、 7 d受到?jīng)_擊作用后其力學特性隨齡期和應變率的變化規(guī)律，并將其與齡期28 d的實驗結(jié)果進行對比，分析早期沖擊對后期力學性能的影響。

1 混凝土壓縮實驗

1.1 混凝土試樣制備

實驗所用混凝土試樣采用模具(圖1)制備。試件的規(guī)格分為兩種：一是100 mm×100 mm× 100 mm的立方體試件，用于靜載壓縮實驗；二是直徑75 mm、高度37.5 mm的圓柱體試件，用于動態(tài)沖擊實驗。試樣制備過程按照標準規(guī)程進行[17-18]：攪拌、振搗、抹平、養(yǎng)護、拆模、二次抹平、養(yǎng)護，其中二次抹平采用水泥砂漿，保證端部不平整度不超過0.2 mm。

圖1 混凝土模具Fig.1 concrete mould

配備兩種不同強度等級混凝土，C20混凝土采用標號為P.O 32.5普通水泥，C40混凝土采用標號為P.O 42.5普通水泥，砂子采用直徑小于5 mm的中粗砂，石子采用直徑小于15 mm的人工碎石，混凝土配比見表1。試件制備完成后在溫度為(20±3)℃、濕度為95%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護。

表1 混凝土配比

1.2 混凝土靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗

靜載壓縮實驗裝置采用YE-2000E度盤式壓力實驗機(圖2)，以壓力控制方式對不同齡期混凝土進行單軸壓縮實驗，實驗過程中連續(xù)均勻加載，加載速度為0.5 MPa/s。動態(tài)壓縮實驗采用中國礦業(yè)大學(北京)75 mm直徑的SHPB裝置，該裝置由氣壓室、沖擊桿、測速儀器、輸入桿、輸出桿、吸收桿、阻尼器、超動態(tài)應變測試系統(tǒng)、波形儲存儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖3所示。實驗所用輸入桿和輸出桿的長度均為2.0 m，沖擊桿長度為0.4 m，材料均為321不銹鋼，密度7 800 kg/m3，彈性模量210 GPa。

圖3 SHPB實驗系統(tǒng)Fig.3 SHPB experimental system

沖擊實驗分為單次沖擊和重復沖擊。

(1) 分別對齡期為1 d、2 d、3 d、5 d、7 d和28 d的混凝土試件進行沖擊實驗；

(2) 選取單次沖擊后保持完整的試件，放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d后，進行第2次沖擊實驗。

2 早齡期混凝土靜態(tài)和動態(tài)力學性能

2.1 早齡期混凝土動態(tài)應力-應變曲線

試件兩端應力平衡且均勻分布是保證實驗結(jié)果可靠性的重要前提。圖4為齡期28 d混凝土動態(tài)應力平衡分析曲線。從圖中可以看出，超過90 μs后，入射應力波和反射應力波合成的時程曲線與透射應力波時程曲線基本重合，表明試樣兩端的應力能夠達到平衡，實驗數(shù)據(jù)有效可靠。

圖4 應力波波形圖Fig.4 Waveforms of stress wave

圖5是應變率為55 s-1時不同齡期混凝土應力-應變曲線。從圖中可以看出，養(yǎng)護齡期5 d以前，混凝土強度較低，峰值應變較大，應力-應變曲線具有較為明顯的屈服平臺，表現(xiàn)出一定的延性。7 d以后，混凝土的脆性特征逐漸顯現(xiàn)。早齡期混凝土發(fā)生強烈的水化反應，內(nèi)部有大量水分和孔隙，水化硅酸鈣和氫氧化鈣未交錯在一起，動載作用導致邊界水化產(chǎn)物之間的滑動，從而容易發(fā)生較大的變形[12]。不同齡期C20混凝土的峰值應變均大于同齡期C40混凝土，表現(xiàn)出更為明顯的塑性特征。

圖5 不同齡期混凝土應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curve of concrete at different ages

2.2 早齡期混凝土強度特性

圖6為靜載及應變率為55 s-1和70 s-1時混凝土強度隨齡期變化的關系。從圖6可以看出，7 d前混凝土的強度增長較快，應變率越大，強度增長越快；7 d以后靜態(tài)和動態(tài)強度的增長速度均變得緩慢平穩(wěn)?；炷领o態(tài)強度和動態(tài)強度與齡期均呈現(xiàn)對數(shù)增長關系，兩者的關系式可通過σ=alnT+b來表示。相同應變率水平下，C40混凝土的a和b的值均大于C20混凝土，表明C40混凝土強度的增長速度明顯大于C20混凝土。

圖6 早齡期混凝土強度隨齡期的變化關系Fig.6 Relationship between strength and ages

對于巖石和混凝土類材料，其動態(tài)強度與應變率之間的關系一般采用動態(tài)強度增強因子(DIF)作為衡量指標，DIF的表達式為[21]

(1)

式中，fcd為動態(tài)抗壓強度；fcs為準靜態(tài)單軸抗壓強度。

圖8為不同齡期混凝土動態(tài)強度增強因子隨應變率變化的關系。應變率為30 s-1～80 s-1時，動態(tài)強度增強因子隨著應變率的增大呈線性增長。從圖中可以看出，養(yǎng)護齡期1 d，應變率約為75 s-1時，C20混凝土動態(tài)強度增強因子為2.9，約為C40混凝土的1.3倍，早齡期C20混凝土的應變率效應更為明顯，這一點同樣可以從圖7中的應變率指數(shù)得到驗證。達到標準養(yǎng)護齡期后，C20和C40混凝土的動態(tài)強度增強因子相差不大，均在1.1～1.6范圍內(nèi)，這與多數(shù)研究成果相近[12，20]。

C城真的存在，我試圖通過現(xiàn)象學原理梳理我的拍攝經(jīng)歷，我們“看見的”永遠比表面上顯現(xiàn)的要多。透過C城的照片，其實是對過往生活表達一份深深的懷念。用照片來講述一座小城的瑣碎往事。

圖7 混凝土強度與應變率的關系Fig.7 Relationship between strength and strain rates

圖8 不同齡期DIF隨應變率變化規(guī)律Fig.8 Variation of DIF with strain rates at different ages

2.3 早齡期混凝土變形特性

圖9給出了各齡期混凝土峰值應變隨應變率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著應變率的增加，每一齡期混凝土峰值應變均隨之增大，兩者保持明顯的線性增長關系。對每一齡期混凝土峰值應變和應變率進行線性擬合，齡期5 d以前，C20混凝土擬合得到的線性方程斜率隨著齡期的增長而減小，峰值應變隨應變率的增長速度降低；齡期7 d以后，峰值應變則不再隨齡期變化。C40混凝土的變化規(guī)律與C20相似，相同應變率條件下，混凝土峰值應變均隨著齡期的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，說明養(yǎng)護齡期越長，混凝土的脆性特征越明顯。然而，由于C20和C40混凝土強度的發(fā)展速度不同，C20混凝土峰值應變隨齡期變化的趨勢比C40混凝土更為顯著。

圖9 不同齡期混凝土峰值應變隨應變率變化規(guī)律Fig.9 Variation of critical strain with strain rates at different ages

3 早期沖擊對混凝土力學特性的影響

3.1 實驗設計

沖擊齡期和應變率兩方面因素對混凝土后期力學性能的影響。實驗包括3個步驟：

(1)對養(yǎng)護齡期為1 d、2 d、3 d、5 d、7 d的混凝土分別進行不同應變率水平的沖擊實驗，沖擊后選取完整的試件放入養(yǎng)護室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護至齡期28 d；

(2)對步驟(1)中養(yǎng)護28 d的混凝土試件以相同應變率進行第2次沖擊實驗；

(3)取一組未受早期沖擊的混凝土試件養(yǎng)護至標準養(yǎng)護齡期后進行沖擊加載。

需要指出的是，為了方便對比分析，通過控制發(fā)射氣缸的氣壓，步驟(2)的第2次沖擊加載和實驗的應變率均控制在60 s-1左右。

3.2 早期沖擊對混凝土變形特性的影響

圖10為受早期沖擊混凝土試件達到標準養(yǎng)護齡期后，第2次沖擊時混凝土峰值應變隨早期沖擊應變率的變化曲線。從圖中可以看出，受早期沖擊的影響，混凝土峰值應變存在較大差異?；炷猎邶g期1～3 d內(nèi)，受沖擊的應變率較小時，峰值應變與未受早期沖擊試件的值相差不大，隨著早期沖擊應變率的增加，峰值應變逐漸減小，當應變率增加到一定值后，峰值應變減小的趨勢減弱，甚至出現(xiàn)“回彈”現(xiàn)象。當沖擊齡期超過5 d后，與上述實驗結(jié)果相反，早齡期的沖擊作用導致混凝土峰值應變隨著早期沖擊應變率的增大而呈先增加后減小的趨勢。產(chǎn)生這種差異性的原因可能在于：養(yǎng)護齡期為1～3 d時混凝土的強度比較低，較小的沖擊荷載一方面可以使混凝土試件出現(xiàn)微小的裂隙，由于此時混凝土的水化反應仍比較劇烈，混凝土具有一

圖10 早期沖擊混凝土峰值應變變化規(guī)律Fig.10 Variation of peak strain of early age impact concrete

定的“自愈”能力，一些較小的微裂紋因此得以修復；另一方面還可以將混凝土試件壓實，增強了混凝土的脆性特性，這也是峰值應變減小的原因；當養(yǎng)護齡期超過5 d以后，混凝土試件的強度迅速發(fā)展，水化反應減弱，“自愈”能力降低，沖擊荷載較小時，試件中出現(xiàn)大量微裂隙，從而使得材料的塑性特征增強，而隨著沖擊荷載的增大，微裂紋的尺寸增大，混凝土的脆性再次顯現(xiàn)，材料的變形能力開始下降。從圖中可以看出，C20和C40混凝土的變化規(guī)律極為相似，但C20混凝土受齡期和應變率影響的程度更大。

3.3 早期沖擊對后期強度的影響

圖11 早期沖擊混凝土后期強度變化曲線Fig.11 Variation of late strength of early age impact concrete

為考察不同齡期沖擊作用對混凝土強度的影響，分別以固定的應變率對早齡期混凝土進行沖擊，將沖擊后的混凝土試件養(yǎng)護至28 d，再次采用相同的應變率(60 s-1)對混凝土試件進行沖擊實驗，并將實驗結(jié)果與未受早期沖擊的混凝土實驗結(jié)果進行對比。圖12為早期沖擊試件與未受早期沖擊試件的動態(tài)抗壓強度之比隨齡期的變化規(guī)律。由圖12可以看出，在早齡期固定應變率沖擊作用下，混凝土后期強度均隨齡期的增大呈減小的趨勢。齡期3 d后，混凝土在不同應變率沖擊作用下得到的動態(tài)抗壓強度的差值逐漸減小，說明隨著齡期的增大，混凝土達到一定強度，具備承受一定沖擊的能力，其受應變率的影響程度有所削弱。因此，在混凝土工程附近施工時，不僅需要控制沖擊作用的加載速率，同時應做好齡期小于7 d混凝土的防護工作，以減小或避免早期沖擊對混凝土后期承載能力造成不可逆的影響。

圖12 混凝土后期強度百分比Fig.12 Strength ratio of impacted concrete at early age to concrete without impact

由圖11和圖12還可以看出，齡期7 d前，相同應變率條件下，C40混凝土的動態(tài)抗壓強度先快速降低而后趨于平穩(wěn)，而C20混凝土則在各齡期均有一定幅度的降低，表明C20混凝土的動態(tài)力學性能受首次沖擊應變率和齡期的影響更明顯。

4 結(jié) 論

利用分離式霍普金森壓桿實驗對不同齡期的C20和C40混凝土進行沖擊加載，通過實驗數(shù)據(jù)分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 相同應變率條件下，C20和C40混凝土的單軸壓縮強度與齡期呈對數(shù)關系。同一齡期混凝土，動態(tài)抗壓強度與應變率之間呈指數(shù)關系。

(2) 沖擊荷載作用下，早齡期混凝土的峰值應變隨應變率的增加呈線性增長。隨著養(yǎng)護齡期的增長，混凝土的塑性特征減弱而脆性特征逐漸顯現(xiàn)。

(3) 混凝土早期受沖擊荷載作用，養(yǎng)護至28 d后，其動態(tài)抗壓強度總體上隨著首次沖擊應變率的增大而減小。隨首次沖擊應變率的增大，峰值應變則呈現(xiàn)兩種變化規(guī)律，即沖擊齡期小于3 d時峰值應變出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，超過5 d后，其變化規(guī)律與之相反。

(4) 應變率和沖擊齡期對混凝土動態(tài)力學性能均有較大影響，且混凝土強度等級越低，對二者越敏感。因此，在早齡期混凝土工程(尤其是低強度混凝土)附近施工時，應注意控制動態(tài)沖擊應變率，并加強早齡期的養(yǎng)護工作。