在有壓水環(huán)境中的混凝土率效應(yīng)特性研究

田 為, 彭 剛, 陳學(xué)強(qiáng), 黃仕超

(三峽大學(xué) a.土木與建筑學(xué)院；b.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

在有壓水環(huán)境中的混凝土率效應(yīng)特性研究

田 為, 彭 剛, 陳學(xué)強(qiáng), 黃仕超

(三峽大學(xué) a.土木與建筑學(xué)院；b.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

隨著滲透孔隙水壓的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，其損失率逐漸增大。本文進(jìn)行了混凝土處于不同圍壓值(0、2、5、10 MPa)大小的水環(huán)境中和不同應(yīng)變速率(10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s)作用下的常三軸動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)，對(duì)不同水環(huán)境下的混凝土峰值應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行了分析，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。研究表明：混凝土的峰值應(yīng)力與加載速率成正比，峰值應(yīng)變與加載速率也成正比。在無(wú)壓水環(huán)境下，混凝土的峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力都小于無(wú)水環(huán)境；隨著圍壓的增加，峰值應(yīng)力逐步增大，峰值應(yīng)變先增大后減小?；炷恋膿p傷特性在常三軸壓縮狀態(tài)下，先服從Wei-bull統(tǒng)計(jì)分布后服從Lognormal統(tǒng)計(jì)分布，由此表明所選損傷本構(gòu)模型模擬的力學(xué)行為有效。

混凝土； 水環(huán)境； 應(yīng)變速率； 圍壓； 本構(gòu)模型

近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)于水環(huán)境中的混凝土材料性能展開(kāi)了研究，Rossi[1]、Ross C A[2]、Malvar L J[3]、李慶斌[4]、杜守來(lái)[5]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水環(huán)境中的混凝土材料動(dòng)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Cadoni[6]、王海龍[7]等在動(dòng)靜態(tài)水壓力的作用機(jī)制與損傷破壞機(jī)理方面有了一定認(rèn)識(shí)，并建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型；宋玉普[8]、馬莉[9]等對(duì)復(fù)雜應(yīng)力條件下的混凝土力學(xué)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究；李宗利[10]等最新研究表明，隨著滲透孔隙水壓的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低，其損失率逐漸增大。其中外界水壓(孔隙水壓)、粒徑和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度損失有顯著的影響。徐世烺[11]等在混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方面進(jìn)行了應(yīng)用研究。

綜合分析表明，不管上述結(jié)論與觀點(diǎn)有何異同，但在自由水對(duì)混凝土的動(dòng)靜力性能會(huì)產(chǎn)生較大影響這一觀點(diǎn)上基本達(dá)成共識(shí)。另一方面，以上成果或者是建立在無(wú)壓自由水(濕度)的基礎(chǔ)上、或者是基于有壓孔隙水作用下的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面，或者是基于大氣環(huán)境中的動(dòng)態(tài)性能方面，唯獨(dú)對(duì)不同有壓孔隙水與機(jī)械荷載耦合及其循環(huán)作用下的混凝土損傷模式與破壞機(jī)理以及率效應(yīng)等動(dòng)態(tài)性能的研究成果還少見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文基于此研究基礎(chǔ)，以水環(huán)境為背景，對(duì)不同水環(huán)境對(duì)率效應(yīng)等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了本構(gòu)模型的選取以及模型參數(shù)的分析。具體工作如下。

1 試件制作與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料選用與配合比確定

本次試驗(yàn)所用水泥為P.O42.5，經(jīng)過(guò)水泥膠砂試驗(yàn)測(cè)得其3、28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求；攪拌混凝土所用的水為飲用自來(lái)水；粗骨料是粒徑直徑范圍為5～30 mm的連續(xù)級(jí)配河卵石；細(xì)骨料是連續(xù)級(jí)配天然河砂，經(jīng)過(guò)篩分后實(shí)測(cè)細(xì)度模數(shù)為1.8，屬于細(xì)砂?；炷涟韬衔锏奶涠仍?0～50 mm之間，滿(mǎn)足和易性要求。

表1 混凝土每立方米材料用量 kg

本文試驗(yàn)所用試件為標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，采取先整體澆筑后鉆芯的方式，即先在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)整體進(jìn)行澆筑，在自然條件下養(yǎng)護(hù)90 d后進(jìn)行取芯編號(hào)。試驗(yàn)時(shí)混凝土試件的齡期已達(dá)1200 d，可以認(rèn)為混凝土強(qiáng)度發(fā)展已基本穩(wěn)定，忽略齡期對(duì)試件強(qiáng)度的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究水環(huán)境下的混凝土在不同圍壓及不同應(yīng)變速率條件下的力學(xué)行為，進(jìn)行了無(wú)水環(huán)境和有水環(huán)境(圍壓分別為0、2、5、10 MPa)下的應(yīng)變速率分別為10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s的混凝土單調(diào)壓縮試驗(yàn)，取10-5/s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率，每種應(yīng)變速率下保證3組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的完整性。本試驗(yàn)預(yù)先給試件施加圍壓，待圍壓恒定后在試件軸向施加機(jī)械荷載，所以試件所受壓力為所加圍壓值與軸向荷載之和。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用的是電液伺服多功能常三軸材料試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：(1)實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：將試件進(jìn)行切割打磨后放入圍壓桶內(nèi)，將圍壓桶內(nèi)充滿(mǎn)水，通過(guò)電腦控制施加恒定圍壓，保持恒壓16～17 h，以保證混凝土吸水飽和。(2)加載試驗(yàn)：先給試件預(yù)加20 kN的初始靜荷載，然后以位移控制方式，按設(shè)定的應(yīng)變速率對(duì)試件進(jìn)行加載直至破壞，加載中保證圍壓恒定不變。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 混凝土強(qiáng)度分析

圖1 混凝土的峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系

2.2 混凝土變形分析

從圖2可以看出，混凝土的峰值應(yīng)變隨加載速率的增加總體呈增大的趨勢(shì)。且變化趨勢(shì)都比較平緩，在相同應(yīng)變速率下，0 MPa有水環(huán)境下的混凝土峰值應(yīng)力小于無(wú)水環(huán)境，即干燥混凝土要比水飽和混凝土的變形大，在有水壓情況下，應(yīng)變速率分別為10-5/s 、10-4/s、10-3/s時(shí)，混凝土的峰值應(yīng)變隨圍壓增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，在應(yīng)變速率為10-2/s時(shí)，混凝土的峰值應(yīng)變隨圍壓增大而增加。綜上，混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增大呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，隨圍壓的增大變化趨勢(shì)并不明顯。

圖2 混凝土的峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率的關(guān)系

2.3 破壞機(jī)理分析

混凝土是非均勻復(fù)合材料，由石子、砂、水泥和水按一定比例混合形成，由于各組分的隨機(jī)分布及結(jié)合，各物質(zhì)之間不可能完全粘結(jié)在一起，必然會(huì)形成不同形狀及大小的空隙，又由于混凝土組成材料的力學(xué)性能各異，只有在統(tǒng)計(jì)學(xué)上其強(qiáng)度、變形等才具有相對(duì)比較穩(wěn)定的取值。

混凝土在澆筑成型全過(guò)程中，由于材料本身的無(wú)規(guī)則性、材料之間的相互粘結(jié)作用、泌水作用等，導(dǎo)致其內(nèi)部難免會(huì)存在一些微缺陷。從損傷力學(xué)的角度來(lái)看，混凝土內(nèi)部材料水泥和砂之間存在的缺陷便被稱(chēng)為損傷?；炷猎谕饨缫蛩氐挠绊懴?，其內(nèi)部原始損傷得到發(fā)展并形成微裂縫，造成新的損傷，當(dāng)損傷持續(xù)累積，微裂縫會(huì)貫通形成宏觀裂縫，當(dāng)宏觀裂縫得到擴(kuò)展，最終將導(dǎo)致混凝土體破壞。綜上所述，混凝土的破壞過(guò)程實(shí)際上是損傷逐步產(chǎn)生發(fā)展的過(guò)程。

水在混凝土內(nèi)部作用時(shí)會(huì)對(duì)混凝土的介質(zhì)產(chǎn)生影響，當(dāng)有壓水進(jìn)入混凝土內(nèi)部后，會(huì)沿著混凝土中初始存在的微裂縫產(chǎn)生滲流作用，在混凝土內(nèi)外壓力差的作用下沿著裂縫向低壓力處發(fā)生轉(zhuǎn)移，并攜帶雜質(zhì)殘留于空隙中，進(jìn)而有可能改變孔隙的狀態(tài)，當(dāng)壓力水頭過(guò)大時(shí)，有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)劈裂破壞。當(dāng)混凝土受到外圍有壓水作用時(shí)，有壓水會(huì)沿著混凝土表層的微觀裂紋逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂紋受力發(fā)生變化，在外部荷載作用下，孔隙裂紋首先發(fā)生擴(kuò)展、并相互連接，當(dāng)有壓水及外部荷載持續(xù)影響混凝土的性能，將使得混凝土的材料性能發(fā)生劣化，如強(qiáng)度降低、彈性模量下降、透水性增大等諸多不利結(jié)果，最終引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)。

3 基于統(tǒng)計(jì)理論的動(dòng)態(tài)本構(gòu)建模

3.1 損傷模型的選取

Weibull在1939年提出了一直沿用至今的以鏈條模型為基礎(chǔ)的脆性破壞統(tǒng)計(jì)理論[12]。該模型認(rèn)為結(jié)構(gòu)的各基本單元相互獨(dú)立，且各單元的性質(zhì)相互獨(dú)立，隨機(jī)分布。研究表明，采用Weibull分布可以較好的模擬混凝土等脆性材料的單元強(qiáng)度分布規(guī)律。王春來(lái)等[13]認(rèn)為材料的損傷參數(shù)服從Weibull統(tǒng)計(jì)分布特點(diǎn)，并給出了相應(yīng)的的損傷本構(gòu)模型。王乾峰[14]指出當(dāng)混凝土強(qiáng)度超過(guò)40 MPa時(shí)，Lognormal統(tǒng)計(jì)分布理論比Weibull統(tǒng)計(jì)分布理論更適用于描述峰值后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

改造后建立的損傷本構(gòu)模型如下所示。

(1)

根據(jù)Lemaitre[15]的應(yīng)變等價(jià)原理，應(yīng)力作用在受損材料上引起的應(yīng)變與有效應(yīng)力作用在無(wú)損材料上引起的應(yīng)變等價(jià)。根據(jù)這一原理可得到：

(2)

σ=E(1-D)ε

(3)

損傷變量D為

(4)

圖3 圍壓為2 MPa、應(yīng)變速率為10-5/s的 實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線

對(duì)所得數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，試驗(yàn)實(shí)測(cè)的3組應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別用曲線a、b、c表示，曲線n為標(biāo)志性應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線。擬合結(jié)果如圖3所示。

3.2 模型參數(shù)分析

通過(guò)試驗(yàn)得到所選本構(gòu)模型的兩個(gè)參數(shù)值m(峰前曲線形狀控制參數(shù))和n值(峰后曲線形狀控制參數(shù))。不同加載環(huán)境和不同應(yīng)變速率下的m值如表2所示。

表2 全曲線上升段擬合參數(shù)m

m值對(duì)線彈性直線段與彈塑性曲線段非常敏感，如果彈塑性曲線段應(yīng)力變化小而變形大，那么值變化不大，取值在2～10范圍內(nèi)變化；如果彈塑性曲線段變形很小，那么值將成倍增長(zhǎng)，比同組中其它的值大很多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散性大，從表2可以看出，試驗(yàn)所得模型上升段形狀參數(shù)值m的變化區(qū)間為[1.904,18.879]。

不同加載環(huán)境和不同應(yīng)變速率下的值如表3所示。

表3 全曲線下降段擬合參數(shù)n

從表3可以看出，在無(wú)水環(huán)境及0 MPa圍壓水環(huán)境下，n值隨應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，圍壓為2、5、10 MPa時(shí)，n值隨應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；n值在應(yīng)變速率為10-5/s及10-4/s時(shí)，隨圍壓增大呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)，且走勢(shì)相同，n值在應(yīng)變速率為10-3/s及10-2/s時(shí)，隨圍壓增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；在有水環(huán)境中，應(yīng)變速率為10-2/s時(shí)，n值與其它應(yīng)變速率情況下相比，差值較大。

通過(guò)試驗(yàn)分析建立n與速率的相關(guān)性為

(5)

式中：a、b、c為擬合參數(shù)，具體數(shù)值如表4所示。

從表4可以看出，a=0.0058和b=-0.1318與a,b其他數(shù)值相差較大可視為奇異值。此時(shí)可以看出參數(shù)a的值在0.0160～0.0343范圍內(nèi)，而參數(shù)b的值在-0.0712～-0.0934范圍內(nèi)，參數(shù)a，b隨圍壓變化較小，故可視為常數(shù)。取a=0.0131，b=-0.891，c與圍壓的相關(guān)性設(shè)為

表4 參數(shù)a、b、c

c=k1p+k2

(6)

式中：p為圍壓值；k1、k2為擬合參數(shù)，經(jīng)擬合得k1=-0.091，k2=0.4469，將k1、k2值帶入式(6)，得

c=-0.0091p+0.4469

(7)

將式(7)帶入式(5)，得

(8)

3.3 新建動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所選損傷本構(gòu)模型的適用性，進(jìn)行了圍壓為4 MPa、應(yīng)變速率為5×10-3/s的加載試驗(yàn)，所得試驗(yàn)曲線與理論曲線的組合結(jié)果如圖4所示，曲線a、b、c均為試驗(yàn)曲線，曲線n為理論曲線。經(jīng)分析，得到三條試驗(yàn)曲線與理論曲線的相關(guān)性系數(shù)如表5所示。從表中可以看出，曲線相關(guān)系數(shù)較高，即試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好。

表5 試驗(yàn)曲線與擬合曲線相關(guān)系數(shù)

注：X表示原始數(shù)據(jù)；Y表示擬合數(shù)據(jù)；N表示矩陣維數(shù)。

圖4 圍壓為4MPa、應(yīng)變速率為5×10-3/s的 試驗(yàn)曲線及擬合曲線

4 結(jié) 論

(1)混凝土的峰值應(yīng)力隨加載速率的增加而增大，在相同應(yīng)變速率下，0 MPa有水環(huán)境下的混凝土峰值應(yīng)力小于無(wú)水環(huán)境；在有水環(huán)境中，混凝土的峰值應(yīng)力隨圍壓的增加而增大；

(2)混凝土的峰值應(yīng)變隨加載速率的增加呈增大趨勢(shì)，在相同應(yīng)變速率下，0 MPa有水環(huán)境下的混凝土的峰值應(yīng)變小于無(wú)水環(huán)境；在有水環(huán)境中，峰值應(yīng)變隨圍壓的增加呈先增大后減小的規(guī)律，2 MP為其轉(zhuǎn)折點(diǎn)；

(3)常三軸壓縮狀態(tài)下，混凝土的損傷特性在峰值應(yīng)變前服從Weibull統(tǒng)計(jì)分布，峰值應(yīng)變之后服從Lognormal統(tǒng)計(jì)分布，試驗(yàn)驗(yàn)證表明所選損傷本構(gòu)模型能有效模擬其力學(xué)行為。

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Dynamic Characteristic Study of Concrete Under Pressure of Water Environment

TIANWei,PENGGang,CHENXue-qiang,HUANGShi-chao

(a.School of Civil and Architecture; b.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Hubei Province, China Three Gorges University,Yichang 443002, China)

With the increase of pore water pressure, the compressive strength and splitting tensile strength of the concrete decrease gradually, and the loss rate increases gradually.The conventional three-axial dynamic test is carried out to study the dynamic and static mechanical properties of the concrete under different confining pressures (0, 2, 5, 10MPa) and different strain rates (10-5, 10-4, 10-3, 10-2/s). The peak stress, peak strain under different water environment are discussed. Dynamic constitutive model is constructed from the data of the experiment, and the validation analysis for the model is made. It indicates that the peak stress of the concrete is proportional to the strain rate, the same with the peak strain of the concrete. Under the non-pressure water environment, the peak strain and peak stress of the concrete are less than anhydrous environment. With the confining pressure increases, the peak stress increases gradually, but the peak strain increases at first and decreases then. By the conventional three-axial pressure, the concrete damage characteristic obeys Wei-bull statistical distribution before the peak stress, and Lognormal statistical distribution after the peak stress, which shows that the damage constitutive model is effective.

concrete; water environment; rate effect; confining pressure; constitutive model

2014-08-06

2014-09-16

田 為(1991-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)抗震 (Email: 276570464@qq.com)

彭 剛(1963-)，男，湖南臨湘人，教授，博士，研究方向?yàn)榛炷敛牧蟿?dòng)力性能與結(jié)構(gòu)抗震 (Email:gpeng158@126.com)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51279092)

TU528.1

A

2095-0985(2014)04-0050-05