經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土動態(tài)性能試驗研究

李少麗 劉立榮 王乾峰

（石家莊鐵路職業(yè)技術學院1） 河北石家莊 050041 三峽大學土木與建筑學院2） 湖北宜昌 443002)

近年來，隨著水利工程的大規(guī)模建設，混凝土在水環(huán)境中的應用越來越廣泛，學者們對混凝土材料的研究也逐步拓展到了水環(huán)境混凝土，并取得了一些研究成果。Rossi[1]、李慶斌[2～3]、杜守來[4]、劉博文[5]等國內(nèi)外學者研究了混凝土材料在水環(huán)境中的抗壓強度、彈性模量等物理力學參數(shù)；王海龍[6～7]從細觀層次分析了濕態(tài)與飽和混凝土的損傷破壞機制；Yaman[8]、鄭丹[9]、白衛(wèi)峰[10]、王乾峰[11]研究了孔隙和孔隙水對混凝土強度和彈性模量的影響；李宗利[12]通過試驗研究了高滲透孔隙水壓對混凝土力學性能的影響；黃常玲[13]、杜守來[14]研究了孔隙水壓條件下混凝土的損傷及破壞機理；彭剛[15]、田為[16]對有壓孔隙水環(huán)境中的混凝土動態(tài)抗壓性能、率效應特性進行了試驗研究；Chen[17]對干燥和飽和混凝土在不密封和密封兩種條件下的抗壓強度進行了對比分析；姬永生[18～19]研究了混凝土孔隙水飽和度的影響因素，建立了混凝土內(nèi)孔隙水飽和度的計算模型；黃仕超[20]、鄧媛[21]通過試驗研究了循環(huán)孔隙水壓對混凝土力學性能的影響及損傷特性。

現(xiàn)有研究成果表明混凝土的動靜態(tài)力學性能受水環(huán)境的影響較大，但是目前對飽和混凝土動態(tài)特性受循環(huán)荷載歷史次數(shù)的影響研究鮮有報道，而循環(huán)荷載歷史在一定程度上又能模擬地震動力響應，對其進行研究可以為混凝土結構抗震設計、評估等提供一定的理論基礎和試驗依據(jù)。基于此，本文對經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土動態(tài)力學性能進行了試驗研究。試驗通過對飽和混凝土試件在經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)（0次、25次、50次、100次）及不同應變速率（10-5/s、10-4/s 、10-3/s 、10-2/s）作用下的力學性能進行單軸壓縮試驗，對峰值應力、峰值應變、彈性模量等物理力學參數(shù)的變化規(guī)律進行了統(tǒng)計分析，研究了荷載循環(huán)次數(shù)和應變速率對經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后混凝土力學性能的影響。

1 試驗過程

1.1 試件制備

本試驗采用φ150×300mm的圓柱體混凝土試件，試驗用水泥為湖北宜昌三峽水泥有限公司生產(chǎn)的P．O 42. 5 硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑5～30mm的連續(xù)級配碎石；細骨料為河砂，細度模數(shù)為1.8；拌合水為自來水；混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土每立方米材料用量 kg/m3

試件用鋼模澆筑成型，攪拌方式為先干拌后濕拌的機械攪拌方式。試件成型后先在室溫環(huán)境下靜置24 h然后拆模并編號，接著在標準養(yǎng)護室（溫度20℃±2℃，相對濕度95%以上）養(yǎng)護28天，取出后放置于干燥房間內(nèi)。試驗前對試件的兩個端面進行磨平處理以避免在試驗過程中出現(xiàn)試件偏心受壓及應力集中現(xiàn)象。

1.2 試驗設備

試驗設備為三峽大學大型多功能液壓伺服靜動力三軸儀，該設備的主要組成部分包括控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)控制器、加載框架系統(tǒng)、液壓油泵、圍壓系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)等。該設備加載框架系統(tǒng)可用于對試件進行3個方向加載，其水平向和豎向的最大動靜力加載負荷分別為5 000 kN和10 000 kN；圍壓系統(tǒng)可施加最大圍壓為30 MPa，用來對試件進行飽和處理。

1.3 試驗步驟

本試驗是研究飽和狀態(tài)混凝土在經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的力學性能，因此在力學試驗前先對混凝土試件進行水飽和處理。混凝土試件飽和處理利用試驗設備圍壓系統(tǒng)的圍壓桶。

圖1 循環(huán)荷載的時程曲線

圖2 混凝土峰值應力隨應變速率的關系

將混凝土試件放入圍壓桶，并在圍壓桶內(nèi)充滿水，之后施加1MPa的水壓力，直至水位移保持穩(wěn)定。根據(jù)梁輝[22]的試驗結果，本試驗的保水過程持續(xù) 21小時以上，此時數(shù)據(jù)采集軟件界面顯示的保水曲線的水位移保持不變，認為混凝土試件達到飽和狀態(tài)。此后，卸載水壓力，取出混凝土試件，再進行后續(xù)的力學加載試驗。

力學加載過程分為四個階段：第一階段以200 N/s的速度對混凝土試件施加200 kN的預加靜態(tài)荷載；第二階段按余弦波對混凝土試件進行循環(huán)等幅加載，循環(huán)次數(shù)分別為0、25、50和100次，幅值60 kN，頻率0.1 Hz；第三階段以200 N/s的速度卸載至10 kN；第四階段對卸載后的飽和混凝土試件，再按設定的應變速率（10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s）進行加載，直至試件完全破壞。在試驗過程中，前三個階段采用荷載控制，第四階段采用變形控制。循環(huán)荷載的時程曲線如圖1所示。

2 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的力學性能

2.1 飽和混凝土峰值應力分析

經(jīng)歷不同循環(huán)加載歷史次數(shù)后的飽和混凝土在 10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s四種應變速率作用下的峰值應力，如表2所示。

表2 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的峰值應力 MPa

經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)后，飽和混凝土的峰值應力隨應變速率的變化關系見圖2。從圖2可以看出，當荷載循環(huán)次數(shù)相同時，隨著應變速率的提高，飽和混凝土的峰值應力明顯增大。未經(jīng)歷循環(huán)荷載時相較于準靜態(tài)應變速率10-5/s，在10-4/s、10-3/s、10-2/s應變速率下的峰值應力分別提高了12.93%、15.70%、24.71%；經(jīng)歷 25次循環(huán)荷載歷史時峰值應力分別提高 13.82%、19.12%、28.57%；經(jīng)歷 50次循環(huán)荷載歷史時峰值應力分別提高了8.62%、10.42%、18.84%；經(jīng)歷100次循環(huán)荷載歷史時峰值應力分別提高了5.94%、9.84%、18.85%。

不同應變速率下飽和混凝土峰值應力與荷載循環(huán)次數(shù)的關系見圖3。從圖3可以看出，在應變速率相同的情況下，隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加，飽和混凝土的峰值應力表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，當荷載循環(huán)次數(shù)達到50次時飽和混凝土的峰值應力達到峰值，隨后隨著荷載循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加飽和混凝土的峰值應力逐步降低。

循環(huán)荷載次數(shù)對飽和混凝土峰值應力的影響分為兩個階段。在低次數(shù)的循環(huán)荷載歷史情況下，飽和混凝土的內(nèi)部缺陷與初始微裂紋在機械循環(huán)的擠壓作用下變得更加密實，從而導致飽和混凝土的峰值應力在一定程度上得到提高，在單調(diào)加載過程中峰值應力會隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增大；但在高次數(shù)的循環(huán)荷載歷史情況下，飽和混凝土的內(nèi)部缺陷和微裂縫在經(jīng)過機械循環(huán)壓實后，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，混凝土內(nèi)部在舊裂縫持續(xù)發(fā)展的同時繼續(xù)產(chǎn)生新的裂縫，新裂縫的產(chǎn)生導致在單調(diào)加載過程中飽和混凝土的峰值應力下降。

2.2 飽和混凝土峰值應變分析

圖3 飽和混凝土峰值應力與荷載循環(huán)次數(shù)的關系

飽和混凝土在不同荷載循環(huán)次數(shù)與不同應變速率下的峰值應變見表3。

表3 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的峰值應變 ×10-3

圖4 飽和混凝土峰值應變隨應變速率的關系

圖5 飽和混凝土峰值應變與荷載循環(huán)次數(shù)關系

經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)后的飽和混凝土的峰值應變隨應變速率的變化關系見圖4。從圖4可以看出，混凝土的峰值應變隨應變速率的增加總體呈增大的趨勢。對于經(jīng)歷0次、25次、50次和100次循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土，增大趨勢不明顯，各應變速率與準靜態(tài)加載速率10-5/s相比，應變速率10-2/s時峰值應變變化幅度分別為26.36%、2.08%、8.66%和11.74%。這主要是因為在較高的應變速率下，飽和混凝土中的微裂縫是沿著最短路徑發(fā)展的，并且裂縫數(shù)量也較少，從而導致應變速率越高，飽和混凝土的最終變形越大。

不同應變速率下飽和混凝土峰值應力與荷載循環(huán)次數(shù)的關系見圖5。從圖5可以看出，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，飽和混凝土的峰值應變總體表現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律。對于飽和混凝土，在應變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s時，歷經(jīng)25次、50次和100次循環(huán)荷載歷史后的峰值應變與未受加載歷史的混凝土相比，峰值應變變化最大幅度分別為20.92%、6.28%和17.57%。可以看出荷載循環(huán)次數(shù)對飽和混凝土峰值應變有一定的影響，荷載循環(huán)次數(shù)越低飽和混凝土的延性越好。

2.3 飽和混凝土彈性模量分析

本文以混凝土強度35%～45%時應力應變曲線的割線模量作為飽和混凝土的彈性模量代表值，在不同荷載循環(huán)次數(shù)、不同應變速率下的彈性模量如表4所示。

表4 循環(huán)荷載歷史后飽和混凝土的彈性模量GPa

經(jīng)歷不同荷載循環(huán)次數(shù)后混凝土彈性模量隨應變速率的變化關系如圖6所示。從圖6可以看出，混凝土的彈性模量隨應變速率呈現(xiàn)出增大的趨勢。經(jīng)歷0次、25次、50次和100次循環(huán)荷載歷史后，飽和混凝土的彈性模量比靜態(tài)應變速率下的彈性模量增大了41.66%、21.29%、23.92 %和16.88%。分析認為經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土內(nèi)部存在細觀裂縫，當應變速率為10-2/s時，裂縫直接穿過混凝土粗細骨料以最短路徑快速發(fā)展，飽和混凝土的形變比低應變速率下的小，從而導致其彈性模量比低應變速率下彈性模量偏高。

圖6 混凝土彈性模量隨應變速率的關系

圖7 混凝土彈性模量與荷載循環(huán)次數(shù)的關

不同應變速率下飽和混凝土的彈性模量隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化關系如圖7所示。從圖7可以看出，在應變速率為10-5/s～10-3/s下，隨荷載循環(huán)次數(shù)的增大，飽和混凝土的彈性模量整體表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，當荷載循環(huán)次數(shù)為25次時彈性模量達到最大值，然后隨著荷載循環(huán)次數(shù)的不斷增加，混凝土的彈性模量下降。當應變速率為10-2/s時，飽和混凝土的彈性模量與荷載循環(huán)次數(shù)成反比，即彈性模量隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低。

3 結論

（1）經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的飽和混凝土隨著應變速率的增大其峰值應力也增大，隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加其峰值應力出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，經(jīng)歷50次荷載循環(huán)次數(shù)后的混凝土峰值應力達到最大。

（2）隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，飽和混凝土的峰值應變先增大后減小；隨應變速率的增大，飽和混凝土的峰值應變總體呈增大的趨勢，荷載循環(huán)次數(shù)對飽和混凝土的峰值應變有一定影響，荷載循環(huán)次數(shù)越小，飽和混凝土的延性越好。

（3）隨著應變速率的增加，飽和混凝土的彈性模量表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當應變速率為10-2/s時，飽和混凝土的彈性模量與荷載循環(huán)次數(shù)成反比。而應變速率為10-5/s～10-3/s時，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增大，飽和混凝土的彈性模量整體表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。