混凝土凍融循環下動態破損機理的試驗研究

田 威， 韓 女， 張鵬坤

(長安大學 建筑工程學院, 西安 710061)

混凝土凍融循環下動態破損機理的試驗研究

田 威， 韓 女， 張鵬坤

(長安大學 建筑工程學院, 西安 710061)

對凍融環境下混凝土試樣進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗，得到了混凝土材料經歷不同凍融循環次數下的質量損失及破損形態，分析了凍融循環下混凝土試樣的全應力—應變曲線，并給出了其單軸極限抗壓強度、峰值應變隨加載速率的變化特征。通過運用CT細觀試驗的方法初步對經歷不同加載速率下的試樣進行了細觀結構分析。試驗結果表明：在相同加載率下，混凝土單軸動態極限抗壓強度隨凍融循環次數的增加而降低；在相同凍融循環次數下，混凝土單軸動態極限抗壓強度隨加載速率的增大而提高;凍融循環作用下，在低加載速率下，混凝土試樣破壞時，裂紋數目較少，主要沿砂漿和交界面處擴展，破壞時呈現出集中式的分布；而在高加載速率下，裂紋逐漸變得分散，破壞時呈現彌散狀分布式的裂紋，隨著加載率的提高，裂紋穿過骨料的現象增多，骨料破壞數目呈指數形式增長。以此，通過試驗系統地研究了凍融循環下混凝土動態破損機理。

混凝土； 凍融循環； 加載速率； 細觀結構

在土木工程中，各類混凝土結構經常受到動荷載作用。由于混凝土是由水泥砂漿、粗細骨料和孔隙等構成的具有復雜結構的非均質復合材料體系，使得混凝土材料在動荷載作用下，其物理力學性能和變形能發生顯著改變,呈現出明顯的加載率效應[1-2]。而在我國西部寒區, 混凝土材料還受到溫度,荷載等多種因素的影響, 其中凍融循環作用是導致混凝土各項力學性能退化及承載力降低的主要原因。因此研究低溫凍融循環下混凝土的動態力學性能具有重要的理論意義和工程實踐價值。

目前國內外許多學者對凍融循環后混凝土的物理力學性質以及破壞機理等方面開展了大量研究。商懷帥等[3]基于疲勞累積損傷理論，對混凝土的凍融損傷特性進行了可靠性分析。李金玉等[4]對凍融環境下混凝土破損機理進行了深入的研究。牛荻濤等[5]通過對混凝土凍融損傷特性的分析建立了凍融環境下混凝土損傷量與凍融循環次數的概率關系曲線, 并得到不同保證率下凍融循環累積損傷模型。為凍融環境下混凝土壽命預測提供了參考依據。施士升[6]對凍融循環下混凝土力學性能的影響進行了研究, 并用細觀方法研究了混凝土承受不同凍融循環后的結構，以此研究了高強混凝土和普通混凝土力學性能的損傷和細觀性下的一種狀態失穩現象。宋玉普等[7]對全級配及濕篩混凝土進行快速凍融循環試驗，結果表明全級配混凝土的抗凍性明顯低于濕篩混凝土。隨著凍融循環次數的增加，全級配混凝土與濕篩混凝土的抗壓強度與抗拉強度均明顯降低，但全級配混凝土的降低值較濕篩混凝土的降低值大，特別是抗拉強度，降低幅度更大。王立成[8]以混凝土凍融損傷后的單軸抗壓強度衰減規律為參數，對不同種類混凝上建立了考慮凍融循環次數影響的雙軸壓統一強度準則，并與前人試驗研究結果做了對比分析。閆東明等[9]研究了低溫條件下的混凝土在不同應變速率(10-5～10-2s-1) 下的動態壓縮試驗,系統研究了低溫度條件對混凝土材料動態抗壓強度特性的影響,探索了混凝土材料產生應變速率敏感性的內在機理，發現動態抗壓強度隨應變速率增加而增加。施冠銀等[10]對陶粒混凝土的動態力學性能進行了研究，得出隨著凍融循環周次增加陶粒混凝土的動態力學性能進而弱化, 動態壓縮強度隨著應變率的增加而增大, 并給出了凍融循環周次對陶粒混凝土動態壓縮強度的變化規律。陳有亮等[11]采用液壓伺服試驗系統對不同裂紋條數、經歷不同凍融循環次數后混凝土的力學性能進行試驗研究，分析不同裂紋條數、不同凍融循環次數對混凝土的抗壓強度、彈性模量和應力—應變關系等力學性能的影響。王海濤等[12]對全級配混凝土進行不同凍融循環次數的凍融循環試驗及不同應變速率的單軸動態抗壓試驗得到了全級配混凝土質量損失率與凍融循環次數呈二次曲線關系；在相同應變速率下，全級配混凝土單軸動態極限抗壓強度隨凍融循環次數的增加而降低；在相同凍融循環次數下，全級配混凝土單軸動態極限抗壓強度隨應變速率的增大而提高。

目前對凍融循環下混凝土的研究大多集中在凍融循環后的力學特性和損傷可靠度等方面，其中對混凝土力學特性的研究主要集中在靜力學層面上，而對凍融循環下混凝土的動態力學特性研究仍較少。基于此,本文對凍融循環作用下混凝土試樣進行了4種不同加載速率下的單軸壓縮試驗，通過對試驗中測得的不同加載率下應力—應變全過程曲線的分析，研究了凍融循環下混凝土主要力學性能隨加載速率的變化規律。

1 試驗方法與步驟

1.1 試樣制備

試驗所用水泥為大同冀東42.5級普通硅酸鹽水泥，砂子采用山西陽高白登砂,骨料采用山西陽高大王石料場石子，粒徑為5～40 mm；試驗所用水為山西省飲用自來水；本次試驗的對象是規格為100 mm×100 mm×100 mm的二級配混凝土立方體試樣。表1為混凝土的配合比。

1.2 試驗設備和試驗方法

凍融設備采用山西省水利工程局實驗中心的北京大冷機電設備有限公司生產的KDR-111型混凝土快速凍融試驗機，如圖1所示。凍融試驗方法按照普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法[13]中抗凍性能試驗的“快凍法”進行，提前4天將試樣浸泡在溫度為(20±2)℃的水中，試樣中心溫度應分別控制在(-18±2) ℃和(5±2) ℃。每次凍融循環應在2～4 h內完成，凍融循環次數分別為0, 25, 50, 75, 100次。對達到特定凍融循環次數后的混凝土試樣進行不同加載速率下的單軸壓縮試驗。

混凝土力學性能試驗采用SHT4605型微機控制電液液壓伺服試驗機試驗系統，如圖2所示。單軸抗壓試驗采用軸向位移控制，選定0.005 mm/s、0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s四個加載速率。試樣加載面與加載板之間采取減摩措施，將兩層聚四氟聚乙烯塑料板減磨墊片粘貼到試樣表面，塑料板中間涂抹一層碳粉，以減小端面摩擦效應。試驗前預壓到2 kN，之后按照預定的加載速率對試樣進行逐組加載，直至破壞。試驗中確保每組至少有3個試樣，以保證試驗數據的準確性。

圖1 KDR?1快速凍融試驗機Fig．1 Rapidfreeze?thawtester圖2 電液液壓伺服試驗機Fig．2 Theelectric?fluidservocompressionmachine

2 試驗表觀特征

2.1 凍融循環試樣表觀破壞特征

經歷25次凍融循環時混凝土試樣表面出現微小孔洞并伴有少量的水泥漿顆粒脫落，導致試樣表面發毛(粗糙)；經歷50次凍融循環時試樣表面變得粗糙，表面的水泥漿剝落嚴重，掉渣較多，部分細骨料外露，同時試樣表面砂漿出現肉眼可見的細微裂紋；經歷75次凍融循環時混凝土試樣表面骨料與水泥砂漿逐漸剝離、骨料外露并伴有棱角塊落現象，并且試樣棱角處表面砂漿伴有酥化的跡象，試樣變得疏松；經歷100次凍融循環時試樣表面粗骨料與砂漿的剝離、露出大量粗骨料并大范圍的出現塊落和角落現象，裂紋呈現多方向的快速擴展如圖3所示。

圖3 不同凍融循環次數下混凝土表觀特征

Fig.3 Failure appearance characteristics of sample subjected to different F-T cycles

2.2 單軸動態壓縮試驗下試樣的破壞特征

試樣加載時因采用了減磨措施，削減了加載板對混凝土試樣加載端面的箍束作用，單軸受壓破壞形態均為明顯的柱狀破壞。當加載速率為0.005 mm/s時，試樣端部開始出現大致平行于加載方向的微裂紋，但只有少數裂紋貫通上下截面，如圖4(a)所示；隨著加載速率的增大，豎向裂紋逐漸增多并向中部擴展，貫通的裂紋數目明顯增多，并伴有大量試樣碎屑的剝落，如圖4(b)和4(c)所示；當加載速率達到1 mm/s時，試樣破壞呈劈裂狀，表面布滿了貫通的縱向裂紋，試樣被全部壓碎，破壞嚴重，如圖4(d)所示。通過觀察試樣表面還可以發現文獻[14]中提出的加載速率提高時裂紋面出現的橋接現象，即材料表面裂紋是相互搭接、交錯分布的，并存在裂紋分支，如圖5所示。裂紋面的橋接使得混凝土試樣完全破裂后仍具有一定的承載能力。

混凝土在高加載率下的破壞形態同低加載率相比截然不同，同一凍融循環次數下隨著加載速率的增大混凝土試樣的破碎程度逐漸加劇，同時混凝土破裂面上的骨料被拉斷的比例隨著加載速率的增大而逐漸增大。加載速率為0.005 mm/s時，試樣骨料幾乎沒有出現拉斷現象；加載速率為0.1 mm/s時，試樣骨料出現部分拉斷現象；加載速率為1 mm/s時，試樣骨料大范圍的被拉斷，如圖6所示。原因正如作者在文獻[15-16]中分析的：試樣在低加載速率下裂紋可以有較充分的時間選擇破裂路徑—骨料和砂漿之間的薄弱面起裂，然后沿著薄弱面在砂漿中擴展、貫通；而隨著加載速率的提高，裂紋來不及選擇最薄弱的破壞界面而直接穿透骨料，骨料被拉斷比例與加載速率關系曲線如圖7所示。此外隨著加載速率的增大混凝土試樣破壞時爆裂聲更清脆、響亮。說明隨著加載速率的增大骨料被迅速拉斷，材料的脆性也在不斷地增加。

圖4 50次凍融循環下不同加載速率單軸受壓表面破壞形態

圖5 不同加載速率下混凝土試樣裂紋面搭接現象

通過試驗數據得出50次凍融循環時3個試樣中骨料破壞數目和加載速率的回歸曲線和相關系數，由相關系數R2=0.952 2知回歸曲線與本文的試驗數據吻合較好。

(a)0．005mm/s(b)0．1mm/s

圖6 50次凍融循環下不同加載速率混凝土破壞斷面形態

圖7 骨料破壞數目與加載速率關系曲線

(1)

式中:Fn為骨料斷裂數目，s為不同加載速率。

3 試驗結果與分析

3.1 質量損失

質量損失率是評價混凝土抗凍性能的主要凍融性能指標之一，可以用來描述混凝土材料抗凍性能的大小，質量損失率越小，表明材料的抗凍性能越好。圖8給出了質量損失率隨凍融循環次數的變化規律。

圖8 質量損失率與凍融循環次數的關系

由圖8可知，凍融后混凝土試樣的質量損失率總體上呈現出先減小后逐漸增加的趨勢。在經歷25次凍融循環時，質量損失率出現減小的現象，原因主要是凍融循環初期由于孔隙水的作用，使得內部微孔隙充滿水，導致試樣在飽和狀態下的含水率有所提高，質量有所增加；隨著凍融循環次數的不斷增加，經歷50次凍融循環時試樣質量損失率出現上升的趨勢，表明試樣表面的微小損傷逐漸由外向內擴展，試樣的表面變酥引起了片落甚至成塊的剝落出現，從而導致試樣的質量損失值大于內部孔隙含水量增加值，試樣的質量降低；尤其是凍融循環次數超過100次后，眾多的微小裂紋已經擴展為較寬的裂紋，塊落掉渣現象顯著，留下裸露的骨料以及大的砂礫，結構變得疏松，質量損失率上升明顯。

通過試驗數據得出質量損失率和凍融循環次數的回歸關系如下式所示：

Dm=[-0.013 5-0.004 34n+0.000 1n2]

(2)

式中:Dm為質量損失率，n為循環凍融次數，利用式(2)可估算具體循環凍融下混凝土的質量變化情況。

3.2 凍融循環下單軸動態抗壓強度特征

3.2.1 凍融循環作用下不同加載速率的試樣應力-應變曲線

由圖9可以發現，加載速率在0.005～1 mm/s時，混凝土的應力-應變曲線變化規律經歷3個階段：① 壓密階段；其曲線呈上凹形狀，隨應力增加變形發展較快，這是由于試樣內的微裂紋和微孔洞被壓密而產生閉合；② 彈性變形階段；試樣中裂隙閉合的程度存在差異，所以各曲線的線性部分長度也不盡相同；③ 塑性變形到破壞階段；當軸向應力繼續增加，試樣中的應力超過了其強度值時，應力—應變曲線呈下降趨勢，破壞表現為峰值應力點的突然脆性破壞。從圖中還可以發現：隨著凍融循環次數的增加，峰值點荷載不斷降低，相應的峰值應變也顯著地增大。

3.2.2 凍融循環下加載速率對極限抗壓強度的影響

單軸抗壓強度是衡量混凝土材料力學特性的重要指標之一，能夠比較直觀地反映加載速率、凍融循環等因素對其力學特性的影響。

圖9 加載率1 mm/s時不同凍融循環次數應力應變曲線

表2 單軸動態極限抗壓強度平均值

從表2可以看出，以75次凍融循環為例，4種不同加載速率下混凝土試樣的極限抗壓強度均值分別為36.03 MPa、41.46 MPa、42.38 MPa、43.34 MPa，說明相同凍融循環次數下混凝土單軸動態極限抗壓強度隨著加載速率的增大而逐漸增大；而在加載速率相同的情況下，隨著凍融循環次數的增加，單軸動態極限抗壓強度降低。可見加載速率與混凝土材料的單軸動態極限抗壓強度有著密不可分的關系。

圖10給出了不同加載速率下單軸動態極限抗壓強度損失率與凍融循環次數之間的關系，圖中以0次凍融循環下加載速率的數據為基準。由圖可以看出，混凝土在25、50、75、100次凍融循環后單軸動態極限抗壓強度在加載速率為0.1 mm/s時損失最多，凍融循環100次后單軸動態極限抗壓強度損失率為30.82%。在同一加載速率下，混凝土單軸動態極限抗壓強度損失率隨著循環凍融次數的增加而逐漸提高。

圖11給出了不同凍融循環下混凝土單軸動態極限抗壓強度增長率與加載速率之間的關系，圖中以不同凍融循環次數下加載速率為0.005 mm/s的數據為基準。由圖可知，混凝土單軸動態極限抗壓強度在加載速率為0.1 mm/s時強度提高較快，特別是75次凍融循環時，極限抗壓強度增長率出現驟增，增長率為15%。在同一加載速率下，0次～75次凍融循環時混凝土單軸動態極限抗壓強度增長率隨著凍融循環次數的增加而大體呈現增大的趨勢。在同一凍融循環次數下，動態極限抗壓強度隨著加載速率的增大而逐漸增大。

圖10 單軸動態極限抗壓強度損失率隨凍融循環次數的關系

圖11 單軸動態極限抗壓強度增長率隨加載速率的關系

3.2.3 凍融循環下加載速率對峰值應變的影響

通過試驗獲得0次、25次、50次、75次、100次凍融循環下的混凝土試樣在不同加載速率下的峰值應變，文中以75次凍融循環的峰值應變隨不同加載速率的變化規律為例進行分析。從圖12可以看出：隨著加載速率的增大，峰值應變呈現逐漸減小的趨勢。當加載速率從0.005 mm/s 增大至1 mm/s 時，混凝土的峰值應變從2.12×10-3降低到1.071×10-3，降低幅度約為49%，降幅非常顯著。

3.3 凍融循環下的細觀破損結果分析

CT試驗利用太原市醫院的SIEMENS16排螺旋CT機， 試驗參數：電壓140 kV,電流313 mA。掃描方案：每次在不同速率加載下立即進行CT 掃描,試驗立方體試樣沿橫斷面以層厚0.6 mm進行連續掃描，獲取了170幅二維斷層掃描CT圖像。圖像尺寸為512像素×512像素，由于斷面較多，限于篇幅本文僅選取試樣中典型掃描斷面圖像進行分析，如圖13所示。

圖12 75次凍融循環峰值應變與加載速率變化的關系

圖13 掃描斷面隨凍融次數變化的CT圖像

對獲得的CT 圖像進行等密度分割(見圖14)，其中定義CT 均值在0-1000區域為黑色,代表孔洞及裂紋區域。1001-1900區域為灰白色, 實質上是代表砂漿區域。1901-3295 區域為灰黑色, 實質上是代表高強骨料區域。從等密度分割圖中可以發現：在低加載速率下，裂紋數目較少，主要沿砂漿和交界面處擴展，破壞時呈現出集中式的裂紋分布；而在高加載速率下，裂紋逐漸變得分散，破壞時呈現彌散狀裂紋分布式，隨著加載速率的提高，裂紋穿越骨料的現象明顯增多。結果印證了文獻[17]中提出的：“一個系統發生破壞總是選擇單位時間內消耗能量最小的方式進行。由于骨料的不規則性，相同時間內裂紋擴展繞過骨料比直接穿過骨料需要更快的速度，裂紋擴展的速度越快，需要消耗的能量就越大。”的觀點。說明當低加載速率時，裂紋擴展需要消耗的能量較小，裂紋追隨結構最薄弱面向前發展；當加載速率增加導致裂紋繞過骨料需要消耗更多的能量，裂紋會追隨能量釋放最快路徑擴展,即直接穿過骨料發生破壞。隨著加載速率的提高，這種速度效應越加明顯，因此有更多的裂紋穿過骨料，使得混凝土動強度提高。

圖14 掃描斷面隨凍融次數變化的等密度分割圖像

4 結 論

本文以凍融循環下混凝土在不同加載速率的單軸壓縮試驗為基礎，將凍融與動態力學研究進行結合，對凍融循環下不同加載速率下的混凝土強度特性進行了研究，分析了混凝土單軸動態極限抗壓強度與加載速率及凍融循環次數的關系，得出以下結論：

(1) 凍融循環作用時不同加載速率下試樣應力-應變曲線變化規律經歷壓密階段；彈性變形階段；塑性變形到破壞階段；隨著凍融循環次數的增加，峰值點荷載不斷降低，相應的峰值位移也顯著的增大。

(2) 在加載速率相同的情況下，隨著凍融循環次數的增加，混凝土單軸極限抗壓強度降低；凍融循環次數相同時，混凝土單軸極限抗壓強度隨加載速率的增大而提高。

(3) 凍融循環作用下，混凝土試樣在低加載速率破壞時，裂紋數目較少，主要沿砂漿和交界面處擴展，破壞時呈現出集中式的分布；而在高加載速率下，裂紋逐漸變得分散，破壞時呈現彌散狀分布，隨著加載速率的提高，裂紋穿過骨料的現象明顯增多，骨料破壞數目呈指數形式增長。

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Experimental study on the dynamic damage mechanism of concrete under freeze-thaw cycles

TIAN Wei, HAN Nü, ZHANG Pengkun

(School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

The concrete specimen under freeze-thaw environment was experimentally studied through uniaxial compression test with different loading rates. The mass loss of specimen was measured after different freeze-thaw cycles. The complete stress-strain curve of specimen was analyzed. And the variation characteristic of uniaxial compressive strength, peak strain varying with loading rate was given. A preliminary study on the meso-structure of specimen with different loading rates was analyzed by the application of CT technology. The results indicate that the dynamic ultimate compressive strength decreases with the increasing of freeze-thaw cycles under the same loading rates, and that the dynamic ultimate compressive strength raises with the increasing of loading rates under the same freeze-thaw cycles. Cracks appearing in these specimens under low loading rates are less and propagate mainly along the weak interface, which present centralized formation. On the contrary, cracks gradually become scattered at high loading rates, which become reticular formation as well. The cracks penetrate the aggregates evidentially increase with loading rates and the number of aggregating fracture increase at exponential speed. Based on the above data, the dynamic damage mechanism of concrete was systematic studied under freeze-thaw cycles.

concrete; F-T cycle; loading rate; meso-structure

國家自然科學基金項目(51009010;51379015;51579013)；陜西省博士后科學基金資助項目(110413); 陜西省自然科學基金資助項目(2015JM5160)

2016-01-07 修改稿收到日期：2016-03-28

田威 男，博士，副教授，1981年生

TU48

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.013