力學(xué)損傷對(duì)混凝土抗凍性的影響

趙慶新，康佩佩

（燕山大學(xué)河北省重型裝備與大型結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004）

近半個(gè)世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外大量混凝土工程出現(xiàn)了因耐久性不足而過早失效甚至徹底損壞的現(xiàn)象，耐久性問題已成為全世界工程界普遍關(guān)注的研究熱點(diǎn).對(duì)于全球面積廣闊的寒冷地區(qū)而言，凍融作用無疑是導(dǎo)致這些區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的主要因素［1］.對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量有益探索.商懷帥等［2－3］測(cè)定了凍融循環(huán)后不同應(yīng)力比下混凝土的單、多軸抗壓強(qiáng)度和變形特性，并建立了相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則.慕儒等［4］分析了混凝土凍融循環(huán)劣化原因和機(jī)理.關(guān)宇剛等［5］提出了適用于凍融條件（包括復(fù)合其他因素）作用下的混凝土多元Weibull凍融損傷模型.此外，有關(guān)外荷載作用下混凝土抗凍融性能也取得了一定的研究成果.余紅發(fā)等［6］研究指出彎曲荷載作用下的混凝土凍融壽命隨著彎曲荷載比的增加呈現(xiàn)出指數(shù)下降的規(guī)律.慕儒等［7］研究表明荷載和凍融雙重?fù)p傷因子作用下的HPC 抗凍性能隨應(yīng)力比的提高而下降.孫偉等［8－9］研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)、外荷載與腐蝕溶液的多因素作用，加速了混凝土的劣化過程和損傷程度，且隨應(yīng)力比的增大，混凝土損傷速度加快.劉建忠等［10］研究指出彎曲荷載不僅加劇了混凝土凍融損傷，而且改變了混凝土的破壞形式，表現(xiàn)出突然的脆性破壞特征.以上研究均是針對(duì)未受初始應(yīng)力損傷的混凝土，對(duì)其抗凍融性能進(jìn)行的有益探索.然而，在建造和使用過程中，混凝土結(jié)構(gòu)可能受到意外撞擊、地震等偶然荷載的作用，使混凝土受到損傷.顯然，損傷會(huì)加劇混凝土的凍融破壞進(jìn)程，因此研究具有初始應(yīng)力損傷混凝土的抗凍融性能十分必要.本文按照GB／T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗凍性能試驗(yàn)的“快凍法”，以混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量變化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別研究了基準(zhǔn)混凝土和損傷度為00.1，0.10.2，0.20.3的應(yīng)力損傷混凝土的抗凍融性能，并對(duì)其力學(xué)損傷的演化過程進(jìn)行了分析.本文研究結(jié)果對(duì)應(yīng)力損傷混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

秦皇島淺野水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥；細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2650kg／m3的天然河砂；516mm 連續(xù)級(jí)配破碎石灰石；減水率為21%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的奈系高效減水劑和松香熱聚物型引氣劑.

1.2 試驗(yàn)方法

制備混凝土試件，其配合比為：m（水泥）∶m（水）∶m（砂石）∶m（石子）∶m（減水劑）∶m（引氣劑）＝1∶0.50∶1.75∶3.42∶0.008∶0.003（調(diào)整減水劑用量使混凝土的坍落度控制在90－110mm）.用40 mm×40 mm×160 mm 的模具成型，24h后拆模，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d.

試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，用MP－2型磨拋機(jī)將試件棱角稍稍打磨，以防加載時(shí)試件產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.打磨完畢，取其中1組做棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（用于計(jì)算其他試件加載時(shí)的荷載控制指標(biāo)），其值為33.2MPa（未修正尺寸效應(yīng)系數(shù)）.加載前，用混凝土超聲檢測(cè)儀測(cè)得試件的初始波速；加載過程中，對(duì)試件連續(xù)、均勻加荷，荷載控制水平不超過其抗壓強(qiáng)度的60%，通過縱橫反復(fù)加載（縱向加載時(shí)承壓面為40mm×40mm 的側(cè)面，橫向加載時(shí)承壓面為40mm×160mm 的側(cè)面）的方式預(yù)制損傷.每隔35個(gè)加載過程，應(yīng)用超聲檢測(cè)儀測(cè)試應(yīng)力損傷試件波速.根據(jù)式（1）計(jì)算混凝土試件的損傷度，通過調(diào)整荷載大小和加載次數(shù)使試件的損傷度D（1）分布在0－0.3，并保證基準(zhǔn)組（D0），損傷度為00.1（D1），0.1－0.2（D2），0.20.3（D3）各組試件均不少于6塊.

式中：D（1）為混凝土試件在氣干狀態(tài)下的損傷度；v0，vt分別為預(yù)制損傷前、后混凝土試件在氣干狀態(tài)下的波速，km／s.

凍融循環(huán)試驗(yàn)在混凝土快速凍融機(jī)中進(jìn)行.試驗(yàn)開始前，首先將基準(zhǔn)混凝土試件和受初始應(yīng)力損傷的混凝土試件置于1520℃的水中浸泡4d，然后采用精度為0.1g的電子秤稱量其在濕潤(rùn)狀態(tài)下的質(zhì)量，應(yīng)用混凝土超聲檢測(cè)儀測(cè)定其在濕潤(rùn)狀態(tài)下的波速.當(dāng)質(zhì)量變化率達(dá)到5.0%或相對(duì)動(dòng)彈性模量降低到60%時(shí)，視混凝土已破壞.各組混凝土試件在經(jīng)歷t個(gè)凍融循環(huán)后在濕潤(rùn)狀態(tài)下的質(zhì)量變化率Mt、相對(duì)動(dòng)彈性模量Erd，t分別按式（2），（3）計(jì)算：

式中：m0，mt分別為預(yù)制損傷后及經(jīng)歷t 個(gè)凍融循環(huán)后試件在濕潤(rùn)狀態(tài)下的質(zhì)量，g；v0′，vt′分別為預(yù)制損傷前及經(jīng)歷t個(gè)凍融循環(huán)后試件在濕潤(rùn)狀態(tài)下的波速，km／s.

2 結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)量變化率

圖1 質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between Mtand number of freeze－thaw cycles

各損傷度下混凝土試件質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖1.由圖1可知：與基準(zhǔn)混凝土相比，損傷度為00.1和0.20.3的應(yīng)力損傷混凝土在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到80次之前其質(zhì)量減小緩慢，之后則明顯加快，且同一凍融次數(shù)下，損傷度越大的混凝土其質(zhì)量損失越嚴(yán)重.與基準(zhǔn)混凝土相比，損傷度為0.10.2的應(yīng)力損傷混凝土在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次之前其質(zhì)量略有增加，這可能是由于在此損傷度范圍內(nèi)混凝土試件的裂紋有利于水的存積所致.但隨著凍融損傷的不斷積累，120次凍融循環(huán)時(shí)，其質(zhì)量突然減小，且減小速率明顯大于基準(zhǔn)混凝土.

質(zhì)量變化率評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定程度上可以表征初始應(yīng)力損傷對(duì)混凝土抗凍融性能的影響.當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到120次循環(huán)時(shí)，各組試件的質(zhì)量變化率均未超過5%，但此時(shí)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量早已低于60%，因此質(zhì)量變化率并非試件破壞的控制因素.

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

各損傷度下混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖2.由圖2可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，基準(zhǔn)混凝土和應(yīng)力損傷混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈減小趨勢(shì).同一凍融循環(huán)次數(shù)下，損傷度越大的混凝土其相對(duì)動(dòng)彈性模量越??；損傷度為00.1的應(yīng)力損傷混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量減小速率與基準(zhǔn)混凝土非常接近；損傷度為0.10.2和0.20.3的應(yīng)力損傷混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量減小速率明顯大于基準(zhǔn)混凝土，80次凍融循環(huán)時(shí)已損傷嚴(yán)重，無法測(cè)出超聲波波速.可見，損傷度大于0.1的應(yīng)力損傷混凝土抗凍融性能明顯劣化.

圖2 相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between Erd，tand number of freeze－thaw cycles

2.3 凍融損傷演化過程分析

將式（4）變形為式（5）：

混凝土力學(xué)損傷變量擬合值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的比較結(jié)果如表1所示.由表1可知，各組混凝土試件的力學(xué)損傷變量擬合值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的平均絕對(duì)誤差均小于0.04，平均相對(duì)誤差均低于15%，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合值吻合較好.

表1 混凝土力學(xué)損傷變量擬合值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差Table 1 Error between the fitted value and the experimental result of mechanical damage variance of concrete

2.4 機(jī)理淺析

外荷載的存在使得凍融環(huán)境下混凝土裂縫不斷萌生和擴(kuò)展，加劇了混凝土凍融損傷速度［11］，同樣，應(yīng)力損傷混凝土內(nèi)部界面的破壞以及內(nèi)部微裂紋與微孔隙的劣化，亦會(huì)對(duì)混凝土抗凍融性能造成影響.

圖35分別為基準(zhǔn)混凝土和不同初始損傷度混凝土試件40mm×160mm 表面在凍融作用后的損傷情況，照片比例尺為1∶2.由圖35可以看出：凍融作用后各組混凝土試件表面均出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，其中損傷度為00.1的應(yīng)力損傷混凝土表面剝落情況接近于基準(zhǔn)混凝土；損傷度大于0.1的應(yīng)力損傷混凝土剝落程度雖然不明顯，但在經(jīng)歷80次凍融循環(huán)后其表面已出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，如圖5（c）所示，其抗凍融性能較基準(zhǔn)混凝土顯著下降.試件表面受損情況照片為試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析提供了有力佐證.

3 結(jié)論

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，應(yīng)力損傷混凝土抗凍融性能劣化.當(dāng)損傷度小于0.1時(shí)，混凝土抗凍融性能略有下降，可忽略應(yīng)力損傷對(duì)其影響；當(dāng)損傷度超過0.1時(shí)，混凝土抗凍融性能顯著下降.

（2）通過對(duì)混凝土凍融損傷演化過程的分析，建立了包含應(yīng)力損傷和凍融損傷的混凝土力學(xué)損傷演化方程，由方程1／（1－Dσ）2.87可知，初始應(yīng)力損傷Dσ的存在加速了混凝土凍融損傷Df的發(fā)展.

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