葉中豹，潘 銳

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實驗室，安徽 合肥 230601）

在工程實踐中，鋼纖維混凝土材料可能受循環(huán)加卸載作用以及水下結(jié)構(gòu)工程中受水的浸泡。如，風(fēng)荷載作用下的高層建筑物、飛機(jī)起降時的鋼纖維混凝土跑道、水流沖擊的水庫壩體等。因此，研究鋼纖維混凝土飽水處理后的力學(xué)特性，循環(huán)加卸載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的滯回環(huán)特性以及滯回環(huán)與耗散能的關(guān)系，對提高鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的安全性有重要意義。

目前，相關(guān)混凝土類材料已通過試驗建立了相應(yīng)理論體系，劉博文等[1]總結(jié)了不同圍壓下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線中滯回環(huán)的變化規(guī)律，闡述了耗散能與滯回環(huán)的關(guān)系，建立了材料含損傷變量的估計模型；王四巍[2]開展了塑性混凝土三軸循環(huán)加卸載和滲透試驗，研究了材料的本構(gòu)關(guān)系、峰值應(yīng)力前后材料的變形以及材料的滲透特性；曾晟等[3]通過開展飽水和干燥條件下砂巖混凝土的壓縮試驗，闡述了材料在飽水作用下的破壞機(jī)理；王孝政等[4]開展了一維單軸循環(huán)加卸載混凝土壓縮試驗，并結(jié)合材料的聲發(fā)射特征分析了材料強(qiáng)度變化規(guī)律；胡海蛟等[5]開展不同應(yīng)變率下混凝土動態(tài)循環(huán)加卸載壓縮試驗，得出隨著應(yīng)變率提高，材料的峰值應(yīng)力和彈性模量隨之增大，但峰值應(yīng)變表現(xiàn)出顯著的離散性；吳彬等[6]進(jìn)行了混凝土在不同應(yīng)變率下循環(huán)加卸載試驗，分析了聲發(fā)射信號與應(yīng)力水平的關(guān)系，研究了混凝土損傷演化規(guī)律；王普等[7]從能量角度研究了混凝土循環(huán)加卸載損傷演化特性；Meng 等[8-9]利用混凝土、巖石類材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行能量計算，系統(tǒng)闡述了變形過程中材料能量積聚、耗散及其演化規(guī)律；彭剛等[10]進(jìn)行了不同應(yīng)變率下混凝土損傷破壞機(jī)理研究，分析材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了應(yīng)變率效應(yīng)對材料損傷破壞影響；孟慶彬等[11]提出用材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線面積表征循環(huán)加卸載作用下巖石能量大小，同時揭示了圍壓對受載巖樣能量演化及分配規(guī)律的作用；梁輝等[12]分析了混凝土循環(huán)加卸載歷程中單個加載和卸載規(guī)律；劉智等[13]通過混凝土循環(huán)加卸載試驗獲得材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并建立了含滯回效應(yīng)的混凝土損傷模型；胡善超[14]對高孔隙率混凝土進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗，總結(jié)了材料破壞過程中能量耗散規(guī)律，并給出了損傷演化方程；肖杰等[15]通過開展不同圍壓循環(huán)加卸載試驗，分析圍壓、應(yīng)變率對應(yīng)力-應(yīng)變曲線中滯回環(huán)面積的影響規(guī)律；于江等[16]利用聲發(fā)射技術(shù)，研究循環(huán)加卸載作用下再生混凝土的受壓損傷特性，分析了材料受壓損傷破壞全過程。

上述研究工作極大地推動了混凝土類材料理論發(fā)展及工程應(yīng)用，現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多開展混凝土類材料在準(zhǔn)靜態(tài)單軸循環(huán)加卸載作用下的試驗研究：一方面集中在材料屈服點(diǎn)或峰值點(diǎn)附近區(qū)域的能量特性研究，但不易獲得混凝土類脆性材料峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線，因脆性材料的瞬時破壞特性，峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線以直線形式降低，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算峰后能量；另一方面通過材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線積分來計算能量，但常規(guī)單軸或三軸壓縮試驗無法分離混凝土類材料的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，只能假定彈性模量恒定不變來求解其彈性能，則造成混凝土類材料能量計算結(jié)果存在較大誤差。而鋼纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線滯回環(huán)特性及其與能量的關(guān)系，以及飽水（未飽水）處理的鋼纖維混凝土在循環(huán)加卸載作用下的力學(xué)性能等相關(guān)研究相對較少。鑒于此，本文開展了循環(huán)加卸載作用下的飽水（未飽水）試驗，以及不同圍壓下循環(huán)加卸載試驗，重點(diǎn)探討了飽水（未飽水）處理后材料的強(qiáng)度變化規(guī)律，研究了材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的滯回環(huán)特性及其與能量的關(guān)系。

1 試驗設(shè)計

1.1 試件制備

本文中鋼纖維混凝土原材料：普通硅酸鹽水泥；瓜子片為粗骨料；細(xì)度模數(shù)2.39 中砂為細(xì)骨料；0213 型鋼纖維；自來水；適量高性能減水劑。采用以上原材料，在試件制備前，混凝土強(qiáng)度設(shè)計值為45 MPa。經(jīng)過多次調(diào)配，最終確定了一組合適的混凝土配合比，按照混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法，測得鋼纖維混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為46.3 MPa，故本文取材料強(qiáng)度為C45。圓柱體試件直徑50 mm、高度100 mm。

1.2 試驗設(shè)備

試驗由安徽大學(xué)MTS816 測試系統(tǒng)完成，如圖1 所示。圖中1-液壓循環(huán)控制系統(tǒng)；2-三軸操作室；3-控制柜；4-數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)；5-液壓油；6-三軸腔；7-定位桿；8-傳感器接口；9-壓頭；10-試件；11-環(huán)向引伸計。試驗前將試件的軸心與壓頭中心對齊，連接好軸向引伸計、環(huán)向引伸計和力傳感器。試驗中通過MTS 伺服控制系統(tǒng)試驗程序?qū)崿F(xiàn)圍壓改變。

圖1 MTS816 測試系統(tǒng)

1.3 試驗方案及程序設(shè)計

本次試驗重點(diǎn)討論圍壓、飽水（未飽水）對鋼纖維混凝土材料力學(xué)性能影響，通過控制壓頭的加載速率0.01 mm/s，即各組準(zhǔn)靜態(tài)試驗應(yīng)變率恒為ε˙ = 10-4s-1。

試驗程序設(shè)計：（1）滿足靜水壓狀態(tài)。軸向力和環(huán)向圍壓同步加載使得在相同的時間內(nèi)軸向與環(huán)向應(yīng)力相等；（2）保持圍壓不變，通過壓頭的位移控制，實現(xiàn)軸力加卸載。其中，峰值應(yīng)力前4 ～5次加卸載循環(huán)，峰值應(yīng)力后10 ～15 次加卸載循環(huán)；（3）卸圍壓，卸軸力。

2 試驗結(jié)果及其機(jī)理分析

2.1 無圍壓循環(huán)加卸載試驗結(jié)果及分析

鋼纖維混凝土材料在無圍壓準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)加卸載條件下軸向、環(huán)向σ-ε曲線如圖2 所示。其中，軸向引伸計應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖中黑色曲線所示，環(huán)向引伸計應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖中紅色曲線所示。鋼纖維混凝土材料抗壓強(qiáng)度為45.16 MPa，軸向峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.003 6，彈性模量29.65 MPa，泊松比0.154。

圖2 軸向、環(huán)向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗完成后試件形態(tài)如圖3 所示。試件上的微裂紋從一端向另一端延伸，并未出現(xiàn)“正八字”或“倒八字”貫穿裂縫，主要呈現(xiàn)出斜剪切破壞，試件完整性較好，裂縫寬度較小，且無混凝土明顯脫落。由此可知，試件在多次循環(huán)加卸載作用下孔隙率不斷降低，材料逐漸壓密，這是導(dǎo)致試件破壞形態(tài)的根本原因。

圖3 循環(huán)加卸載鋼纖維混凝土試件破壞形態(tài)

2.2 飽水與未飽水（干燥）試件循環(huán)加卸載試驗結(jié)果及分析

在圍壓分別為5 MPa、30 MPa、40 MPa 下，飽水10 天/未飽水（干燥）鋼纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 ～6 所示，試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 不同圍壓條件下飽水與干燥材料的峰值應(yīng)力（MPa）

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線/圍壓5 MPa

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線/圍壓30 MPa

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線/圍壓40 MPa

由試驗曲線和表1 中試驗結(jié)果，可見在相同圍壓下，飽水與未飽水試件有著明顯差異，主要體現(xiàn)在飽水試件峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變稍大，且有較明顯的體積壓縮現(xiàn)象[17]，但鋼纖維混凝土材料強(qiáng)度降低。

由于未飽水試件顆粒與顆粒、顆粒與鋼纖維之間結(jié)構(gòu)致密，礦物顆粒、鋼纖維與膠凝填充物緊密。但是，飽水試件顆粒與顆粒、顆粒與鋼纖維之間結(jié)構(gòu)相對疏松且多孔，在水的溶蝕作用下使得膠凝材料形成溶蝕孔，減弱了膠凝材料的膠結(jié)作用。由于水弱化和孔隙水壓力雙重作用，對鋼纖維混凝土試件微裂紋的開裂條件以及裂紋擴(kuò)展等影響，是導(dǎo)致飽水鋼纖維混凝土試件強(qiáng)度降低的根本原因。

2.3 不同圍壓循環(huán)加卸載試驗結(jié)果及分析

為了揭示不同圍壓循環(huán)加卸載作用下鋼纖維混凝土材料從初始變形直至破壞過程中的能量演化及分配規(guī)律，開展了恒應(yīng)變率下不同圍壓條件的系列試驗，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 ～9 所示，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 不同圍壓條件下材料峰值應(yīng)力（MPa）

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線/圍壓5 MPa

圖8 應(yīng)力-應(yīng)變曲線/圍壓10 MPa

圖9 應(yīng)力-應(yīng)變曲線/圍壓20 MPa

由圖7 ～9 和表2 中試驗結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

（1）鋼纖維混凝土材料在三軸循環(huán)加卸載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)滯回環(huán)效應(yīng)，原因在于鋼纖維混凝土是非均質(zhì)理想彈性材料，考慮材料本身的微裂紋、微孔洞等因素，當(dāng)試件加載到某一應(yīng)力值時再卸載，卸載時應(yīng)力路徑與加載應(yīng)力路徑不重合，則形成應(yīng)力-應(yīng)變曲線的封閉環(huán)形滯回環(huán)。滯回環(huán)的面積表征試件從受載時的裂紋出現(xiàn)、擴(kuò)展、閉合、貫穿直至破壞全過程所消耗的能量，面積越大，則說明試件破壞所需耗散能越多，試件破損越嚴(yán)重。

（2）滯回環(huán)最大面積通常出現(xiàn)在材料的峰值應(yīng)力附近，即說明試件此時出現(xiàn)較大宏觀裂縫或破壞所需的耗散能較大。隨著圍壓的增大，面積最大的滯回環(huán)對應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)隨之推遲出現(xiàn)，原因在于圍壓有效地抑制了裂縫的發(fā)展，同時增強(qiáng)了材料的塑性力學(xué)特性。

（3）隨著圍壓值提高，材料峰值應(yīng)力后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得平緩，材料的塑性變形特征明顯。隨著圍壓值不斷增大，峰值應(yīng)力后應(yīng)變明顯變大，但應(yīng)力變化不大，體現(xiàn)材料弱延性破壞特征；且材料的峰值應(yīng)力提高明顯，表明圍壓能有效提高材料的強(qiáng)度和抑制變形。

2.4 三軸循環(huán)加卸載試驗?zāi)芰坑嬎?/h3>

鋼纖維混凝土三軸試驗，軸向應(yīng)力1σ做正功，試件因軸向壓縮變形而吸收和儲存能量，同時試件側(cè)向膨脹體積變大，側(cè)向圍壓 3σ因抑制環(huán)向變形做負(fù)功，故試件因環(huán)向膨脹變形而消耗能量?？紤]到試件在試驗過程中恒溫?zé)o熱交換，則由能量守恒原理可得：

圖10 循環(huán)加卸載試件能量密度計算示意圖

3 結(jié)論

通過開展準(zhǔn)靜態(tài)三軸循環(huán)加卸載鋼纖維混凝土材料系列試驗，獲得了各組不同試驗條件下材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）經(jīng)過飽水處理的鋼纖維混凝土材料，峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變稍大，且表現(xiàn)出明顯的體積壓縮現(xiàn)象，但材料強(qiáng)度降低。

（2）鋼纖維混凝土材料在三軸循環(huán)加卸載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)閉合環(huán)形區(qū)域亦即滯回環(huán)效應(yīng)。

（3）滯回環(huán)最大面積通常出現(xiàn)在材料的峰值應(yīng)力附近，隨著圍壓增加，面積最大的滯回環(huán)對應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)隨之推遲出現(xiàn)。

（4）隨著圍壓值不斷增大，峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變后，應(yīng)變增加明顯，但應(yīng)力變化不大。材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨向平緩，體現(xiàn)出塑性變形的特征，且材料的峰值應(yīng)力明顯增大。