循環孔隙水作用下混凝土動態特性試驗研究

摘要：對0、10、50次孔隙水循環下不同應變速率（10-5、10-4、10-3、10-2/s）的混凝土和中低應變速率（10-4、10-3/s）下不同孔隙水循環次數（0、10、50、100、200次）的混凝土進行了常三軸壓縮試驗，試件尺寸為300 mm×600 mm。對循環孔隙水壓作用后混凝土的峰值應力物理力學參數的變化規律進行了統計分析，并對混凝土在不同加載速率下的吸能變化規律進行了分析。結果表明：隨著應變速率增大，混凝土的峰值應力呈增大趨勢，隨孔隙水壓循環次數的增加，峰值應力大體呈現先增大后減小的階段性變化；混凝土的吸能能力隨加載速率的增加，表現出明顯增大的趨勢。混凝土的吸能能力隨孔隙水壓循環次數的增加表現出一定的離散性，但整體上呈先增大后減小的趨勢；選用基于Weibull統計理論的混凝土材料分段式動態損傷本構模型對試驗數據進行擬合，經驗證，此模型與試驗結果吻合較好。

關鍵詞：混凝土；孔隙水壓力；循環；常三軸

中圖分類號：TU502；TU528.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）05-0088-07

Abstract：Triaxial compression tests for concrete of size Φ300 mm×600 mm was carried out under different strain rate （10-5，10-4，10-3，10-2/s） in 0，10，50 cycle of pore water and low strain rate （10-4/s，10-3/s） in different cycles pore water pressure（0，10，50，100，200 times）. Comparatively analysis the changes law characteristics about of basic physical mechanics parameters， such as peak stress and absorption of concrete under different loading rate are analyzed. The results show that： concrete peak stress increases with strain rate and with the number of pore water pressure cycles，. the concrete peak stress increases at the first and then declines. with the number of pore water pressure cycles， shows the change of stages； Concrete absorption energy capability is loaded with the strain rate， and showed significant increasing trend. Energy absorption capacity of concrete pore water pressure increases with the number of cycles showed shows some discrete， but overall increase first and then decrease；Finally， choose sectional dynamic damage constitutive model of concrete material which is based on statistical theory Weibull is applied to of sectional dynamic damage constitutive model based on Weibull for analyse concrete material fitting oto fit with f experimental data， verified， and the results show that this model has good agreement with the test results.

Key words：concrete；pore water pressure；circulation；triaxial compressive

混凝土是目前應用范圍最廣的工程材料，以大壩、隧洞、橋墩等為代表的水工混凝土結構，不僅長期處于水環境圍壓作用下，還長期受到水浪的沖擊，而這類環境對混凝土的內部微觀結構和力學性質均存在較大影響。學者們對水環境中的混凝土進行了各種研究，并取得了豐富的研究成果。Butler[1]闡明造成混凝土發生破裂的原因為主動孔隙水壓力使材料產生拉應變。Yaman等[2]研究了混凝土材料在不同孔隙率和孔隙中含水量作用下，對其強度、彈性模量等力學特性的影響。王海龍等[3]認為混凝土中的孔隙水壓力減小了阻礙混凝土開裂的摩阻力，與干燥態的混凝土相比，濕態混凝土的開裂應力和抗壓強度都有所降低。杜守來等[4]發現在孔隙水壓的作用下，混凝的抗壓強度有所降低，并隨著孔隙水壓的增加逐漸降低。杜修力等[5]推導得到飽和混凝土的有效抗拉強度及其峰值應變與孔隙率之間的關系。姚家偉等[6]結合單軸試驗將Jones-Netson-Morgan模型用于混凝土材料本構分析，建立非線性本構模型，該模型能用于混凝土復雜應力下的本構分析。彭剛等[7]對有壓孔隙水環境中的混凝土進行動態抗壓試驗，并建立了相應的本構模型。熊益波等[9]運用靈敏度分析識別了JH模型的關鍵參數，擬合了應變率200～500 s-1范圍的率相關參數。綜上所述，對水環境中混凝土研究很多，但對孔隙循環水作用的混凝土的率效應研究較少。為了更加明確水下工作的混凝土結構受到水浪沖擊和水壓作用下抗壓強度的變化，對0、10、50次孔隙水循環下不同應變速率的混凝土和中低應變速率（10-4、10-3/s）下不同孔隙水循環次數的混凝土進行了常三軸壓縮試驗，并構建相應的動態本構模型。

1 試驗設計

1.1 試件制備

試驗所用的混凝土試件為300 mm×600 mm的圓柱體，水泥采用宜昌三峽水泥有限公司生產的P·O 42.5硅酸鹽水泥；粗骨料分別采用5～40 mm連續級配碎石，細骨料采用細度模數為2.3的天然河砂；采用自來水攪拌。試件成型后在室溫下靜置24 h后拆模并編號，將編號后的試件拆模，按20～40 mm的間距擺放在木質墊條上，自然養護28 d。混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石子=0.5∶1.00∶2.28∶3.72（按質量計），水灰比為0.5。

1.2 加載試驗

加載設備采用三峽大學10 MN大型多功能液壓伺服靜動力三軸儀，可分別進行單軸試驗、常三軸試驗（σ2=σ3）、真三軸試驗（σ1≠σ2≠σ3）、剪切試驗以及水壓條件下（圍壓、孔隙水壓）的混凝土動靜力加載試驗，動力加載應變速率范圍為10-5～10-2/s。利用圍壓桶對混凝土試件進行加壓，最大圍壓和最大孔隙水壓力值為30 MPa。加載框架對試件進行軸向加載，豎向最大動、靜力加載值分別為5 000、10 000 kN，各項指標滿足試驗要求。

對混凝土試件進行不同次數的孔隙水壓循環預處理：

1）將混凝土試件置于圍壓桶內，往桶中充水，待水充滿后，以圍位移控制方式給試件施加圍壓，待接近所設圍壓值時轉換控制方式，以圍壓進行控制，達到圍壓值3 MPa后，保持恒壓5 h左右。

2）用“圍壓控制”方式控制孔隙水壓力進行上、下限加卸載。待圍位移不再發生較大變化時，以3 MPa/min的速率從上限值3 MPa開始卸載到下限值1 MPa，保持30 min，再以3 MPa/min的速率從下限值開始加載到上限值3 MPa。

3）設定軟件循環控制程序，不間斷重復上述步驟2），直至完成預定的設置的循環次數N。

對試件進行三軸試驗時，不對試件采取密封措施，使其直接與水接觸。試驗時的軸向荷載由加載框架的傳力柱通過圍壓桶頂部的活塞直接傳遞到試樣上，側向荷載由圍壓水直接作用在試件上。試驗過程如下：

1）正式加載。啟動油泵并加壓，頂升至試件與上部傳力柱接觸，給試件預加30 kN的初始靜荷載，按設定的加載速率對試件進行加載直至試件破壞，加載過程中保證圍壓3 MPa恒定不變，圍壓的變化范圍控制在0.001 MPa量級。

2）卸載及后續處理。試件破壞后，停止加載并將圍壓桶下降到初始位置，慢慢將圍壓卸載至0 MPa，然后將水排凈，吊起圍壓桶蓋，對破壞后的試件進行拍照處理并完成試件殘渣的清理工作。

2 試驗結果分析

試驗測得0、10、50次孔隙水循環下不同應變速率（10-5、10-4、10-3、10-2/s）的混凝土和中低應變速率（10-4、10-3/s）下不同孔隙水循環次數（0、10、50、100、200次）的混凝土在常三軸壓縮試驗下的峰值應力見表1。

由表1知歷經不同次數孔隙水壓循環作用后的混凝土抗壓峰值應力均隨應變速率的增加而增大。這一結論與彭剛等[7]關于混凝土在干燥無水狀態和飽和有水狀態單軸受壓下峰值應力隨應變速率的增加而增加的變化規律一致。在單軸壓狀態下，干燥無水環境和飽和有水環境的峰值應力的最大增幅分別為34.13%和39.38%，與試驗數據中混凝土歷經0、10、50次循環作用下峰值應力的最大增幅分別是37.8%、58.2%、52.1%相比，可進一步得出孔隙水循環次數與圍壓的存在提高了混凝土的速率敏感性。同時，閆東明等[8]指出混凝土在0 MPa圍壓下，混凝土動態強度隨著應變速率的增加而增加，隨著混凝土圍壓的增加，應變速率對混凝土動態強度的影響作用逐漸減弱，因此，復雜應力的大小在一定程度上會對混凝土的率效應存在影響，但應力狀態的不同并不改變混凝土速率敏感性。由于對孔隙水循環作用后混凝土的動態特性方面沒有研究，尚未通過文獻了解循環次數對混凝土抗壓強度的影響是否會因混凝土的應力狀態不同而不同。

閆東明等[8]研究認為混凝土動態強度與應變速率的對數呈線性關系。取10-5/s為準靜態應變速率，歷經0、10、50次循環作用后，混凝土抗壓強度隨應變速率的增加幅度與應變速率的對數之間的關系用式（1）進行擬合。

由表2可知，由式（1）擬合所得擬合相關度R2均大于0.9，表明其能夠較好地反應混凝土峰值應力增幅隨應變速率的變化規律。

由表1可知，混凝土的峰值應力隨孔隙水壓循環次數的增加，大體呈現出先增大后減小的階段性變化，這與上述的擬合關系吻合。孔隙中的自由水以及孔隙水壓循環作用對混凝土力學性能的影響主要表現在兩個方面。一是滲透壓力使混凝土內部產生更多的微裂縫；二是孔隙水在孔隙界面上產生的黏性效應，即Stefan效應。混凝土的峰值應力隨孔隙水壓循環次數的增加，表現出階段性變化，當循環次數不大于100次時，峰值應力呈增大的趨勢，當循環次數達到200次時，峰值應力開始減小。當循環次數不大于100次時，孔隙水的滲透壓力作用使混凝土產生有限的損傷，產生一定數量厚度很薄的毛細裂縫，經歷孔隙水循環作用后，混凝土孔隙中充滿了自由水，當受到外部荷載時，孔隙在變形過程中就會產生強烈的Stefan效應，即產生阻止微孔隙擴展的阻力，并且在一定的循環次數范圍內，介質內飽和的自由水越多，Stefan效應表現得越明顯，最終導致混凝土的強度的增大。當循環次數進一步增加，達到200次時，孔隙水的滲透壓力作用使混凝土產生較大的損傷，毛細裂縫發展成為微裂縫甚至是宏觀裂縫，盡管還會產生新的毛細裂縫并在受到外部荷載時有Stefan效應產生，但宏觀裂縫中的孔隙水機械作用占據主導地位，導致了混凝土強度的降低。因此，混凝土隨循環次數表現出峰值應力的階段性變化主要是在一定次數的循環水循環作用后由于Stefan效應增強了混凝土的抗壓強度，但超過這一限定后，由于孔隙水的滲透壓力造成內部細微損傷產生毛細裂縫從而減小了混凝土的抗壓強度。在試驗加載過程中，加載框架的傳力柱通過頂部活塞施加軸向荷載傳遞到試件上，圍壓水施加的側向荷載直接作用在試件上。當實驗過程中施加圍壓時，對軸壓混凝土有一個緊錮作用，阻礙裂縫的發展。同時，當應變速率增大，混凝土材料內部裂縫則直接穿過粗細骨料快速發展，而不再沿著強度較弱的過渡區域發展，使得更多的骨料被拉斷。從而混凝土骨料的抗拉強度比過渡區大，進而提高混凝土的極限抗壓強度。

3 混凝土吸能能力分析

混凝土的吸能能力是混凝土產生裂縫以至發生破壞所吸收的能量，反映材料內在力學性能的大小，Watstein[10]、Takeda等[11]的研究表明，隨著應變速率的增加，混凝土吸能能力也相應增加，計算式為S=UV=V∫εmax0σdε（2）式中：S為材料吸能能力；U為單位體積的能量密度；V為體積；σ為應力；ε為應變；εmax為峰值應變。用式（2）對試驗曲線進行計算，得到歷經不同次數孔隙水壓循環作用后的混凝土在不同應變速率（10-5、10-4、10-3、10-2/s）下的吸能能力值見表3。

由圖2～7可以看出，修正的Weibull統計分布模型能夠很好地對三軸壓縮情況下的混凝土應力-應變全曲線進行擬合。建立的本構模型對實測混凝土試驗加載全過程曲線擬合效果較好，尤其對混凝土峰值前后的擬合優于以往模型。表明該模型具有廣泛的工程應用前景，且該模型參數少，便于工程應用。

5 結 語

通過試驗實測數據分析不同孔隙水壓循環次數、不同應變速率兩種因素對混凝土性能的影響，得出如下結論：

1）混凝土峰值應力隨應變速率的增加而增大。歷經0、10、50次循環作用后，混凝土抗壓強度隨應變速率的增幅與應變速率的對數之間呈線性關系。

2）混凝土的吸能能力隨加載速率的增加，表現出明顯增大的趨勢。混凝土的吸能能力隨孔隙水壓循環次數的增加表現出一定的離散性，但整體上呈先增大后減小的趨勢，與混凝土峰值應力隨循環次數的變化規律較接近。

3）試驗結果證明，建立的Weibull-lognormal分段損傷本構模型，較好描述了三軸受壓的的混凝土在不同應變速率下的損傷特性。

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（編輯 胡英奎）