細(xì)觀特征對混凝土力學(xué)特性影響試驗研究

汪華安， 焦春茂， 陳 曉

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663； 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210094）

混凝土是一種多相、脆性的復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于工程建筑中［1-3］. 其強度及變形特性與建筑物的穩(wěn)定性休戚相關(guān). 由于混凝土組分的高度復(fù)雜性，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)骨料與膠結(jié)物的接觸面對介質(zhì)的宏觀性質(zhì)有重要影響，這些接觸面空間分布復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的模型來描述，一般統(tǒng)稱為細(xì)觀特征，研究細(xì)觀特征對混凝土

收稿日期：2019-04-25

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2015CB057903）；國家自然科學(xué)基金面上項目（51679071）

作者簡介：汪華安（1977-），男，高級工程師，主要從事電力勘察設(shè)計與研究方面的工作變形特性的影響機(jī)制對于工程安全具有重要意義.

混凝土作為一種由粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料、孔隙等多相組成的材料，其力學(xué)特性、破壞方式與其內(nèi)部組分的細(xì)觀特征息息相關(guān)［4-5］. 不同骨料類型將產(chǎn)生不同的混凝土力學(xué)性能. 使用相同的材料和配合比，輝綠巖和石灰石作骨料的混凝土在強度和彈性模量方面比使用花崗巖和礫石的混凝土明顯要大［6］. 在高強度混凝土中，玄武巖、石灰石和礫石骨料也表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，玄武巖骨料混凝土產(chǎn)生的抗壓強度最高，而礫石混凝土抗壓強度最低. 同時，在抗拉強度方面，玄武巖和石灰石骨料比礫石骨料更高［7］. 對于鈣質(zhì)石灰?guī)r、白云質(zhì)石灰?guī)r、石英質(zhì)石灰?guī)r和鋼渣骨料而言，鋼渣混凝土的劈裂抗拉強度是最高的，其次是白云質(zhì)石灰?guī)r和石英質(zhì)石灰?guī)r骨料混凝土，最低的是鈣質(zhì)石灰?guī)r骨料混凝土［8］. 再生骨料是當(dāng)下的一種新型骨料，對混凝土再生骨料進(jìn)行碳化處理，可以降低骨料吸水率，同時可以改變界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)［9］.

膠凝材料及膠結(jié)面的性質(zhì)直接影響混凝土的整體力學(xué)性能. 砂漿的類型、骨料的種類及其粗糙度對混凝土界面結(jié)合強度產(chǎn)生影響，砂漿與骨料界面黏結(jié)界面的破壞過程表明，雖然砂漿強度較高，但膠結(jié)界面張力很低［10］. 對于低水灰比混凝土，膠結(jié)界面薄弱點的骨料性質(zhì)（骨料彈性模量大小、表面光滑程度和骨料尺寸）對其力學(xué)性質(zhì)具有重要影響［11］. 在細(xì)觀組成方面，混雜纖維高強混凝土的抗壓強度不會隨纖維摻量的不同存在明顯差異，但其抗拉強度明顯提升，拉壓比也相應(yīng)提高［12］. 在使用不同類型的礦渣置換25%的水泥時，混凝土性質(zhì)發(fā)生改變，不銹鋼渣產(chǎn)生的砂漿流動性好，耗水量小，機(jī)械強度損失小，且高爐礦渣磨?；旌狭系男阅軆?yōu)于基準(zhǔn)混凝土［13］.

綜上所述，骨料與膠結(jié)材料是影響混凝土力學(xué)特性的重要因素，本文通過常規(guī)三軸試驗，研究膠結(jié)物種類、骨料種類、骨料含量三種細(xì)觀特征對混凝土變形破壞機(jī)理的影響.

1 試驗原理與方案

1.1 試樣制備

試驗中，混凝土試樣［14］共分為9組，每組3個. 試件尺寸為φ 50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體. 其中，膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5、普通硅酸鹽水泥P.O 32.5、普通石膏粉（水泥及石膏的力學(xué)性質(zhì)由廠家給出）；粗骨料為粒徑約1～2 cm的碎石、礫石、卵石；混凝土攪拌用水為自來水；細(xì)骨料采用長江流域南京地區(qū)產(chǎn)的連續(xù)級配的河沙. 各組試樣的組成成分及配比如表1所示（注：試樣配比［15-16］中，除②、③、④、⑤組外，其他組的配比為水∶灰∶沙∶石=0.45∶1∶2∶4；②、③、④組配比為水∶灰∶沙=0.45∶1∶2（砂漿試樣，不含石）；⑤組配比為水∶灰∶沙∶石=0.45∶1∶2∶2）.

表1 試樣組成成分及基本力學(xué)參數(shù)Tab.1 Sample composition and basic mechanical parameters

根據(jù)表1的混凝土試樣組分比例，參考《通用硅酸鹽水泥》GB 175—2007規(guī)范要求，按標(biāo)準(zhǔn)制樣步驟制取各組混凝土試樣. 待試樣養(yǎng)護(hù)至28 d后，對試樣檢查和篩選，將存在明顯缺陷的混凝土試樣直接排除. 制取的試樣如圖1（a）、（b）所示.

1.2 試驗儀器及方案

試驗是在Triaxial Cell V3巖石力學(xué)測試試驗系統(tǒng)上進(jìn)行的，試驗系統(tǒng)如圖1（c）所示. 該力學(xué)加載系統(tǒng)由三個相應(yīng)的高精度無刷伺服電機(jī)驅(qū)動，在計算機(jī)全自動伺服控制下，可實現(xiàn)各向壓力的自動補償. 圍壓最大可加載至60 MPa，軸向壓力的最大偏應(yīng)力可加至500 MPa. 通過安裝在壓臺邊的兩個LVDT千分計測量壓臺的軸向位移. 環(huán)向引伸計由彈簧箍在橡膠套上，彈簧另一頭有彈片式應(yīng)變計用來測量環(huán)向應(yīng)變.

圖1 混凝土試樣及試驗系統(tǒng)Fig.1 Concrete sample and test system

本試驗為靜力試驗，加載應(yīng)變率為10-5/s［17］，在試驗研究過程中，保持其他成分比例不變，通過改變試樣的膠凝材料（P.O 42.5、P.O 32.5、石膏），研究膠凝材料對試樣力學(xué)性質(zhì)的影響；保持其他成分比例不變，通過改變試樣的骨料種類（碎石、礫石、卵石），研究骨料種類對試樣強度特性的影響；保持其他成分比例不變，通過改變試樣的骨料含量（0、36.70%、53.69%），研究骨料含量對試樣變形破壞的影響.

首先將已制備好的試樣標(biāo)號，共9組，其中每組3個試樣（另每組額外留一個作為補樣）. 其中第①、②、③、⑤、⑥、⑦、⑧組混凝土試樣分別進(jìn)行圍壓為0、5、10 MPa的常規(guī)三軸壓縮試驗，第④、⑨組的石膏試樣分別進(jìn)行圍壓為0、2、4 MPa的常規(guī)三軸壓縮試驗.

通過對第①、⑧、⑨組變形特性、力學(xué)參數(shù)的分析，分別研究P.O42.5、P.O32.5、石膏三種膠凝材料對混凝土變形破壞的影響；通過對第①、⑥、⑦組變形特性、力學(xué)參數(shù)的對比，分別研究碎石、礫石、卵石三種不同骨料類型對混凝土變形破壞的影響；通過對第①、②、⑤組強度及力學(xué)參數(shù)的分析，研究試樣不同骨料含量對混凝土變形破壞的影響［18］. 另外，在本次試驗中，還可以通過對第①、③、④組變形特性的分析，探討不同膠凝材料對砂漿力學(xué)性質(zhì)的影響.

2 三軸壓縮試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

對混凝土試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗，各組試樣的試驗曲線如圖2所示，圖2（a）～（g）分別為對應(yīng)組別①、②、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨組混凝土試樣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線及試樣變形破壞模式. 試驗過程中不同圍壓下試樣的峰值強度及峰值應(yīng)變值如表2所示.

通過對比①、⑧、⑨組混凝土試樣（圖2（a）、（f）、（g））的試驗曲線及試驗數(shù)據(jù)可得出P.O 42.5、P.O 32.5、石膏三種不同膠凝材料混凝土的力學(xué)特性差異，明顯看出石膏膠凝混凝土的試樣抗壓強度遠(yuǎn)不及水泥膠凝混凝土的抗壓強度，水泥膠凝混凝土的抗壓強度約是石膏膠凝混凝土的3～4倍. 同時，P.O 42.5膠凝混凝土的抗壓強度略高于P.O 32.5水泥膠凝混凝土的抗壓強度，強度提升約20%. 還可以看出，隨著圍壓的增加混凝土抗壓強度也大幅提升，且水泥膠凝混凝土的峰值強度變化較石膏混凝土峰值變化明顯，尤其在剛開始施加圍壓（0～5 MPa）階段. 同時，隨著圍壓增加，相同膠凝材料試樣峰值應(yīng)變也相應(yīng)增大，這種變化規(guī)律在石膏材料上表現(xiàn)得更為明顯，可以解釋為石膏內(nèi)部孔隙比混凝土更多，在有圍壓情況下，石膏的壓密效果更大.

比較①、⑥、⑦組混凝土試樣（圖2（a）、（d）、（e））的試驗結(jié)果，可探討不同粗骨料類型對混凝土材料強度特性的作用機(jī)理，①、⑥、⑦組在其他條件一致的情況下，分別采用碎石、卵石、礫石作為粗骨料，從圖表中可以明顯看出，卵石作為粗骨料時，混凝土強度遠(yuǎn)低于其他兩種粗骨料混凝土強度，這主要是因為卵石表面光滑，黏結(jié)力差，致使混凝土試樣抵抗破壞能力不足. 而碎石由于其外觀形狀不規(guī)則、表面粗糙，與膠凝材料膠結(jié)良好，故為混凝土提供較大強度，因而較其他二者具有更高的峰值強度. 礫石骨料混凝土的強度則介于二者之間. 這表明在其他條件相同的情況下，粗骨料的不同對混凝土強度影響較大. 同時，隨圍壓增加，試樣的峰值強度與峰值應(yīng)變也相應(yīng)增加.

圖2 混凝土試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of concrete specimen

第①、②、⑤組混凝土試樣（圖2（a）、（b）、（c））除碎石骨料含量不同外，其他條件均相同，故通過比較三者試驗曲線和數(shù)據(jù)可以分析不同含石率對混凝土強度變形特性的影響. 圖2（b）為純砂漿混凝土試樣（骨料含量為0）試驗曲線，圖2（a）、（c）碎石骨料含量分別為53.69%、36.70%. 從試驗數(shù)據(jù)中可以看出隨著含石率的增加，混凝土峰值抗壓強度增大. 含石率為53.69%時單軸抗壓強度最高為35.99 MPa，較含石率36.70%提升30%. 同時，隨著圍壓的增加，三者的峰值強度均顯著提高.

表2 不同圍壓試樣峰值強度及峰值應(yīng)變Tab.2 Peak strength and peak strain of specimen with different confining pressures

2.2 強度參數(shù)分析

黏聚力和內(nèi)摩擦角是混凝土材料的重要力學(xué)參數(shù)［19-20］，通過摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則計算三種不同細(xì)觀特征的混凝土強度參數(shù)，計算公式如下：式中：b為縱坐標(biāo)軸與擬合直線的截距，m為擬合直線斜率. 此處的擬合直線是指在壓縮試驗過程中，混凝土試樣的圍壓值與對應(yīng)的偏應(yīng)力值的線性擬合曲線.

對表2中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取第①、⑧、⑨組混凝土試樣的圍壓值及對應(yīng)的偏應(yīng)力值進(jìn)行線性擬合，所得到的散點圖、擬合曲線及擬合方程如圖3（a）所示. 同理，分別提取第①、⑥、⑦組和第①、②、⑤組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合曲線及方程如圖3（b）、（c）所示. 將擬合方程的截距值與斜率值代入公式（1）中可得不同細(xì)觀特征混凝土試樣的強度參數(shù)c、φ值，如表3所示，同時表中還列出了各組試樣的彈性模量及泊松比.

表3 混凝土強度參數(shù)值Tab.3 Concrete strength parameter

對比①、⑧、⑨組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)石膏膠凝材料的黏聚力遠(yuǎn)小于水泥膠凝材料的黏聚力，水泥膠凝混凝土的黏聚力約是石膏膠凝材料的3倍. 從①、⑥、⑦組的試驗數(shù)據(jù)可以看出，不同粗骨料混凝土的黏聚力及摩擦角的差別，碎石混凝土凝聚力及摩擦角最高，礫石次之，卵石最差，其中碎石混凝土和卵石混凝土的黏聚力差距尤為明顯，可見粗骨料類型對混凝土力學(xué)性質(zhì)影響顯著. ①、②、⑤組的試驗數(shù)據(jù)相差不大，上下相差約20%左右，可見骨料含量對混凝土黏聚力的影響較小，但是可以看出骨料含量越高，混凝土黏聚力越大. 而各組混凝土試樣的內(nèi)摩擦角相差不大，除第9 組石膏膠凝試樣泊松比略小外，其他組泊松比數(shù)值也相近.

圖3 混凝土強度參數(shù)擬合曲線及方程Fig.3 Concrete strength parameter fitting curve and equation

彈性模量是巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對外部荷載響應(yīng)的宏觀綜合體現(xiàn)［21-22］. 分析各組試樣的彈性模量數(shù)據(jù)差異可以看出，碎石骨料混凝土的彈性模量遠(yuǎn)高于其他兩種骨料混凝土的彈性模量，且隨著碎石含量的增加，彈性模量提高明顯，骨料含量從0提升至36.70%時，彈性模量從9.11 GPa提升至13.31 GPa，提升約46%. 骨料含量增加為53.69%時，彈性模量提升至20.51 GPa，提升約54%，可見提升骨料含量可以大幅度提升混凝土彈性模量. 在不同膠凝材料的表現(xiàn)方面，水泥膠凝混凝土的彈性模量是石膏膠凝混凝土彈性模量的幾十倍.

2.3 變形破壞分析

在三軸壓縮試驗中，各組不同細(xì)觀特征混凝土試樣的變形破壞模式［23］具有一定的共同點. 其變化過程具有明顯的階段性，根據(jù)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其破壞過程大致可分為五個階段：初始壓密階段、線彈性壓縮階段、非線性變形階段、試件破壞階段、破壞后階段. 試樣加載初期，由于混凝土試樣中存在較多的孔隙和氣泡，應(yīng)變增加明顯，應(yīng)力增長較小，曲線呈內(nèi)凹狀；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后呈現(xiàn)線彈性特征，應(yīng)力應(yīng)變呈一定比例；當(dāng)應(yīng)力趨近峰值應(yīng)力時，試樣內(nèi)部開始萌生細(xì)微裂紋，曲線斜率變緩；隨著試樣偏應(yīng)力接近峰值應(yīng)力，曲線斜率趨于0，試樣破壞；試樣破壞后，由于摩擦力的存在，試樣存在一定殘余強度. 隨著圍壓的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出新的變化. 試樣壓密階段明顯縮短，線彈性階段曲線斜率增加，且在應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力時，塑性特征更為明顯.

然而，對比各組不同細(xì)觀特征混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)：不含石的砂漿混凝土試樣在達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線急劇下降. 而含石率53.69%混凝土試樣的試驗曲線在峰值應(yīng)力前后則表現(xiàn)更為平緩. 可見，隨著含石率的增加，試樣破壞明顯，由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)化. 同理，相對于碎石、礫石骨料而言，卵石骨料混凝土的破壞形式也表現(xiàn)為更加明顯的脆性破壞.

破壞形態(tài)方面，試樣均存在多條縱向貫通裂縫，破壞形式為脆性張拉破壞和剪切混合破壞. 單軸壓縮破壞模式為一條豎向劈裂紋，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，而有圍壓的情況下其主要破壞面多呈30°～60°，表現(xiàn)出明顯的剪切破壞特征. 石膏膠凝混凝土試樣由于黏結(jié)強度較低，單軸破壞模式較為離散，通常沿試樣薄弱環(huán)節(jié)破壞. 而圍壓為2 MPa、4 MPa時，石膏常規(guī)三軸壓縮破壞時伴隨較為明顯的剪切帶破壞. 卵石及礫石骨料混凝土在破壞過程中，出現(xiàn)表面粗骨料脫落的現(xiàn)象，這是由于卵石表面光滑，加載過程中試樣橫向應(yīng)變增大，卵石受張拉影響與膠凝材料間的膠結(jié)面破壞. 碎石混凝土表面則沒發(fā)生這種現(xiàn)象，這也表明碎石混凝土膠結(jié)面強度大于卵石和礫石. 不同含石率的破壞形態(tài)方面，不含石混凝土試樣的破壞表現(xiàn)為縱向直接貫通的裂縫，而含石率為36.70%、53.69%的混凝土試樣的裂縫發(fā)展則較為曲折，裂紋經(jīng)過粗骨料時，繞過骨料與膠結(jié)面連通并繼續(xù)發(fā)育. 因而其表面裂紋發(fā)展極不規(guī)整.

3 結(jié)論

本文通過對比三種不同細(xì)觀特征因素下混凝土試樣的三軸壓縮試驗結(jié)果，探討了混凝土膠凝材料、粗骨料種類、粗骨料含量對混凝土宏觀力學(xué)參數(shù)與破壞機(jī)理的影響，得到結(jié)論如下.

1）三軸壓縮試驗中，混凝土試樣的變形破壞過程具有一定階段性，大致分為五大階段：初始壓密階段、線彈性壓縮階段、非線性變形階段、試件破壞階段、破壞后階段. 不同細(xì)觀特征混凝土試樣的彈性模量均隨著圍壓的增大而增大，峰值強度也隨著圍壓的增大而增大，峰值強度與圍壓之間呈線性關(guān)系.

2）水泥膠凝混凝土強度約為石膏膠凝混凝土強度的3倍，同時，P.O 42.5水泥膠凝混凝土的抗壓強度略高于P.O 32.5 水泥膠凝混凝土的抗壓強度，強度提升約20%，充分表明膠結(jié)物強度是混凝土強度的決定性因素.

3）對于碎石、礫石、卵石三種粗骨料，碎石的膠結(jié)能力為卵石的3～4倍，且卵石混凝土在破壞形態(tài)上表現(xiàn)出更為明顯的塑性特征，這表明粗骨料表面越粗糙，形成的接觸面越多，則混凝土強度越高.

4）粗骨料含量對混凝土彈性模量影響顯著，不同粗骨料含量的混凝土試樣其表面破壞形態(tài)差距較大，裂紋擴(kuò)展模式也大有不同，粗骨料越多塑性越強，脆性減弱.