季凍區(qū)高速公路路基水泥混凝土力學特性試驗研究

楊東云

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

凍融是季凍區(qū)施工常見的環(huán)境影響因素，季凍區(qū)建筑結(jié)構(gòu)長期受到凍融作用，導致各構(gòu)筑物受到不同程度的損傷。高速公路作為國家重要的基礎建筑設施，同樣受到凍融的困擾，其中影響最為嚴重的是高速公路修筑過程中所使用的路基水泥混凝土。由于混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜及混合材料之間的相互作用，混凝土受凍融循環(huán)作用的內(nèi)在機理尚未給出全面系統(tǒng)的研究理論。得出與之相近的研究理論，并得到了相關研究人員的認可，其一為靜水壓力理論，即認為水泥混凝土在成型后存在大量微孔洞，雨水滲入孔洞后中得到儲存，待溫度低至負溫時，孔洞內(nèi)的水分開始結(jié)冰，并迅速膨脹，產(chǎn)生擠壓，致使未結(jié)冰部分的水分由內(nèi)向外流淌，在此流動過程中產(chǎn)生靜水壓力，致使混凝土破壞；其二為滲透壓理論，認為水泥混凝土微孔洞中的溶液呈堿性，待溫度低至負溫后，溶液中的水分開始結(jié)冰，導致堿性溶液中堿濃度升高，致使其他未結(jié)冰微孔洞中的水分向結(jié)冰處運移，導致滲透壓破壞。當水泥混凝土處于飽水狀態(tài)時，受凍結(jié)影響，由于滲透壓和靜水壓導致的破壞會使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到嚴重損傷，致使各項力學性能發(fā)生劣化。目前，凍融循環(huán)導致混凝土失穩(wěn)破壞已成為混凝土破壞的主要因素。本文對凍融循環(huán)對高速公路路基混凝土力學特性開展三軸壓縮試驗研究，以獲取受凍融作用后路基混凝土各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

本文試驗采用美國研制的專門用于混凝土和巖石類材料的MTS815.02全自動巖石三軸壓縮試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)配有315.04門式加載框架、656.06型三軸壓力室、286.20-09型增圍壓系統(tǒng)、Quizix Q5410型增孔隙壓力系統(tǒng)以及Test Star2計算機控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ω叨?0 mm和100 mm、直徑50 mm的巖石及混凝土試樣進行單軸、三軸壓縮試驗及單軸、三軸蠕變試驗。該系統(tǒng)在試驗過程中全程采用計算機控制，自動進行數(shù)據(jù)采集與存儲，具有三種互相獨立的伺服增壓控制系統(tǒng)，可同時加卸軸壓、圍壓和孔隙壓。該系統(tǒng)最大軸向壓力為1 600 kN，最大拉力為1 050 kN，最大圍壓為80 MPa，最大孔隙壓為70 MPa。該系統(tǒng)隨機匹配兩套引伸計，即軸向引伸計和徑向引伸計，測量范圍為±4 mm，滿足巖石及混凝土試驗條件。

1.2 試樣制備

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》制備滿足高速公路強度等級的路基混凝土，采用預制模具制作直徑50 mm、高100 mm的滿足國際巖石力學與混凝土學會標準的試件。制備完成后，恒溫水域養(yǎng)護28 d，之后置于烘干箱內(nèi)烘干，然后在恒溫室內(nèi)晾至室溫備用。為減小樣本差異所帶來的試驗結(jié)果誤差，采用UTA-2000A超聲波檢測儀對制備好的混凝土試樣進行聲波檢測。該儀器采樣為10 MHz，時間間隔為0.1 μs，為提高檢測精度，在混凝土試樣兩端涂抹一層抗滑劑。聲波檢測結(jié)果：縱波速率為1 931 m/s，離散系數(shù)為1.71%。

1.3 試驗方案

根據(jù)高速公路水泥混凝土埋置深度設置三軸壓縮試驗圍壓，分別為2，4，6，8 MPa，凍融循環(huán)次數(shù)為0，10，20，30次，每組試驗進行三組平行試驗，試驗結(jié)果取平均值，具體試樣方案見表1。

表1 季凍區(qū)高速公路混凝土試驗方案

1.4 試驗方法及步驟

首先將全部制備好的混凝土圓柱試樣放在溫度為102 ℃的烘箱內(nèi)烘干，將烘干徹底的混凝土試樣放在干燥皿中直至冷卻至室溫；除了其中一部分混凝土試樣不進行凍融循環(huán)處理外，剩下所有試樣均放置于凍融循環(huán)試驗機中進行凍融循環(huán)處理，每個凍融循環(huán)周期溫度變化范圍為：從+20 ℃開始，沿圖1曲線減小至-20 ℃，再上升到+20 ℃，為一個完整的凍融循環(huán)過程，一個凍融循環(huán)過程大約經(jīng)歷6 h。設定凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，10，20，30次，待達到對應凍融循環(huán)次數(shù)后取出對應試件，對取出的經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件進行三軸壓縮試驗，根據(jù)路基埋深情況，選擇路基圍壓分別為2，4，6，8 MPa。

圖1 凍融循環(huán)溫度變化示意圖

本文常規(guī)三軸壓縮試驗按照《水力水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL 264—2001)中指定試驗步驟進行操作，具體步驟為：

(1)經(jīng)凍融循環(huán)處理的水泥混凝土試樣外套熱塑管，采用熱風機烘吹熱塑管，使其緊緊包裹于混凝土試樣外側(cè)，然后將包好的混凝土試樣置于MTS三軸試驗機壓力室內(nèi)，并放置在底座中心部位。將軸向、徑向引伸計均安裝在試樣中間位置，調(diào)整二者最大量程，以確保不因試驗數(shù)據(jù)不準確而導致的試驗失敗及引伸計破壞。關閉壓力室，向壓力室內(nèi)輸入抗磨液壓油至充滿。

(2)以0.5 MPa/s的加載速率施加圍壓至預定值，并保持恒定，以速率為0.2 mm/min的位移控制模式施加軸向荷載，加載至試樣破壞為止。整個試驗過程中系統(tǒng)將自動記錄試驗數(shù)據(jù)，繪出實時應力—應變曲線。

(3)試驗結(jié)束后，取出試樣，觀察其破壞狀態(tài)，做好記錄，清理壓力室，準備下一組試驗。

2 試驗結(jié)果分析

圖2為凍融循環(huán)次數(shù)n=10時不同圍壓下路基混凝土三軸壓縮試驗應力—應變曲線。

圖2 n=10不同圍壓三軸壓縮應力—應變曲線

由圖2可知，凍融循環(huán)次數(shù)為n=10時，不同圍壓下高速公路路基混凝土三軸壓縮應力—應變曲線分布特征大體相同，可大致分為五個階段(以圍壓σ3=10 MPa為例)，即微缺陷壓密階段OA、線性彈性變形階段AB、塑性硬化階段BC、塑性軟化階段CD和殘余階段DE。其中，微缺陷壓密階段隨圍壓增大而逐漸消失，其原因是由于在進行三軸壓縮試驗前要先施加圍壓，使混凝土試樣處于三向應力狀態(tài)，這一過程導致混凝土試樣內(nèi)部初始孔洞、裂紋等微缺陷被壓密，且圍壓越大，壓密效果越好，致使壓密階段逐漸消失。隨著軸向偏應力逐漸增大，應力—應變曲線逐漸由上凹狀變?yōu)橹本€狀，應力應變之間關系由非線性轉(zhuǎn)為線性，表現(xiàn)出明顯的線彈性變化特征。繼續(xù)增大軸向偏應力，混凝土試樣形變量逐漸加大，內(nèi)部原有微缺陷開始逐漸產(chǎn)生破裂，在試樣內(nèi)部開始產(chǎn)生局部應力集中和應力重分布，混凝土試樣內(nèi)部微缺陷的面與面之間產(chǎn)生相對剪切滑移，導致試樣內(nèi)部缺陷持續(xù)破壞，裂紋持續(xù)擴展、發(fā)育，同時產(chǎn)生新的裂紋。這一階段內(nèi)，巖石產(chǎn)生裂紋的速度還處于穩(wěn)定發(fā)展階段。軸向偏應力繼續(xù)增大，應力—應變曲線開始由直線狀變?yōu)橄掳紶睿瑧冎g由線性關系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性關系。這一階段混凝土試樣內(nèi)部裂紋以不穩(wěn)定速率擴展，裂紋尺寸逐漸增大，新生裂紋開始迅速擴展、貫通，當荷載水平達到混凝土試樣峰值強度時，試樣表面形成宏觀裂縫，最后因失去承載能力而破壞。根據(jù)當前研究結(jié)論可知，像水泥混凝土這類材料當圍壓到達一定值時，應力應變曲線峰后階段會產(chǎn)生明顯的塑性硬化現(xiàn)象，并伴有顯著的塑性屈服平臺和塑性流動。由于路基處于低應力狀態(tài)，混凝土試樣應力—應變曲線峰后階段未出現(xiàn)塑性硬化，而是表現(xiàn)出顯著的塑性軟化現(xiàn)象，其主要原因是由于圍壓較低，未達到產(chǎn)生塑性硬化的臨界值。但從不同圍壓曲線峰后階段可以看出，隨著圍壓逐漸增大，應力—應變曲線峰后階段斜率逐漸變緩，表明混凝土類材料具有峰后硬化性質(zhì)。

3 路基混凝土力學參數(shù)分析

隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增大，混凝土試樣各物理力學參數(shù)均產(chǎn)生明顯劣化。根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)，不同圍壓三軸壓縮試驗獲取路基混凝土各力學參數(shù)見表2。不同圍壓各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

表2 路基混凝土力學參數(shù)

圖3 不同圍壓下峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

圖4 不同圍壓下峰值應變與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

圖5 不同圍壓下峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

圖6 不同圍壓下峰值應變與凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖

由表2可知，路基混凝土各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)均產(chǎn)生較為明顯的變化。由圖3可知，不同圍壓下路基混凝土峰值強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，同時減幅逐漸減小，峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，峰值強度為43.61 MPa，當凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，峰值強度分別為39.60，38.10和37.48 MPa，與未受凍融損傷混凝土試樣峰值強度相比，分別減小了10.13%，14.46%和16.36%。

由表2和圖4可知，不同圍壓下路基混凝土峰值應變均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，同時增幅逐漸減小，峰值應變與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，峰值應變?yōu)?.24%，當凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，峰值應變分別為1.29%，1.34%和1.36%，與未受凍融損傷混凝土試樣峰值應變相比，分別增大了4.03%，8.06%和9.68%。

由圖5可知，不同圍壓下路基混凝土彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，同時減幅逐漸減小，彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，彈性模量為3.27 GPa，當凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，彈性模量分別為3.12，3.08和3.04 GPa，與未受凍融損傷混凝土試樣彈性模量相比，分別減小了4.81%，6.17%和7.57%。

由圖6可知，不同圍壓下路基混凝土泊松比均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，同時增幅逐漸減小，泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。以圍壓2 MPa為例，當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，泊松比為0.28，當凍融循環(huán)次數(shù)為10，20，30次時，泊松比分別為0.29，0.30和0.31，與未受凍融損傷混凝土試樣峰值應變相比，分別增大了3.57%，7.14%和10.71%。

綜上分析可知，凍融循環(huán)對路基混凝土的劣化作用較為明顯，各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)均有不同程度的損傷。因此，在季凍區(qū)路基施工過程中應充分考慮凍融損傷作用，應在原有設計計算基礎上考慮一定的損傷安全系數(shù)，以保證高速公路路基安全穩(wěn)定，確保公路交通的正常運營。

4 結(jié)語

本文以季凍區(qū)高速公路路基混凝土為工程研究對象，對路基混凝土開展三軸壓縮試驗，研究分析了路基混凝土受凍融循環(huán)作用后其力學參數(shù)的變化情況，具體結(jié)論如下：

(1)凍融循環(huán)次數(shù)相同時，不同圍壓路基混凝土三軸壓縮應力—應變曲線分布情況大體相似，隨著圍壓逐漸增大，應力—應變曲線峰后階段斜率逐漸變緩，混凝土試樣隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸由脆性向延性轉(zhuǎn)變。

(2)路基混凝土各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化明顯，其中，峰值強度、彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，二者與凍融循環(huán)次數(shù)滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律；峰值應變、泊松比隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，二者與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。

(3)凍融循環(huán)對路基混凝土損傷作用顯著，各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)均表現(xiàn)出不同分布規(guī)律，因此，在季凍區(qū)路基施工過程中應充分考慮凍融損傷作用，應在原有設計基礎上乘以一定的損傷安全系數(shù)，以保證高速公路路基安全穩(wěn)定，確保公路交通的正常運營。