粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土受早期擾動(dòng)后力學(xué)性能的影響

潘慧敏，左建航，宋嶸杰

(燕山大學(xué),河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004)

0 引 言

普通混凝土由硬化水泥漿體、界面過渡區(qū)(ITZ)和骨料組成，作為典型的各向異性復(fù)合材料，混凝土強(qiáng)度在很大程度上取決于界面過渡區(qū)的性能[1]。當(dāng)前我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在加快，為保證工程進(jìn)度及連續(xù)性，混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑完畢到完全硬化的這一階段，有可能受到振動(dòng)擾動(dòng)的影響，如沖擊打樁振動(dòng)、爆破開挖振動(dòng)及列車振動(dòng)等。這些振動(dòng)擾動(dòng)可通過對(duì)新澆筑混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)造成破壞，進(jìn)而影響混凝土的力學(xué)性能[2]。針對(duì)混凝土受擾動(dòng)影響的問題，潘慧敏等[3]通過模擬振動(dòng)擾動(dòng)，研究了混凝土力學(xué)性能受擾動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土受到40 min的持續(xù)擾動(dòng)后，抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土最多降低了30%，擾動(dòng)對(duì)貫入阻力值為10.7～14.8 MPa時(shí)的混凝土強(qiáng)度影響最大。Zhang等[4]研究了爆炸引起的振動(dòng)對(duì)新澆筑混凝土的影響，認(rèn)為爆破時(shí)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間決定了振動(dòng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度。蔣正武等[5]的研究表明，車橋耦合振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致新澆筑混凝土的密實(shí)度和均勻性降低。Kwan等[6]通過試驗(yàn)研究表明，進(jìn)行橋面加寬施工時(shí)，車輛荷載產(chǎn)生的擾動(dòng)使未硬化混凝土的裂縫寬度超過了0.2 mm。以上研究表明，早期擾動(dòng)會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生不利影響。

綜上，目前對(duì)受擾混凝土的研究大多集中在單一骨料級(jí)配混凝土，然而實(shí)際工程中混凝土的粗骨料尺寸可能存在較大差別，其對(duì)混凝土受擾性能的影響目前尚未見報(bào)道。因此有必要了解粗骨料尺寸不同的情況下，早期擾動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響程度是否一致?；诖?，通過對(duì)不同骨料級(jí)配的混凝土施加早期振動(dòng)擾動(dòng)，研究了粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土受擾動(dòng)影響的程度，以期為受擾混凝土的性能評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料為秦皇島淺野水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，粗、細(xì)骨料分別采用秦皇島當(dāng)?shù)剡B續(xù)級(jí)配的破碎石灰石和天然河砂，水為飲用水。其中，各組粗骨料粒徑級(jí)配嚴(yán)格按照J(rèn)GJ 52—2006《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》進(jìn)行篩分配制，各組不同粒徑區(qū)間百分比組成如表1所示，天然河砂主要物理性能指標(biāo)如表2所示。

表1 粗骨料粒徑區(qū)間百分比組成Table 1 Percentage composition of coarse aggregate size range

表2 天然河砂主要物理性能指標(biāo)Table 2 Main physical properties of natural river sand

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所取粗骨料均為連續(xù)級(jí)配，粗骨料最小粒徑5 mm，最大粒徑分別為：10 mm、16 mm、20 mm、25 mm、31.5 mm。根據(jù)粗骨料尺寸區(qū)間對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)：Ⅰ(5～10 mm)、Ⅱ(5～16 mm)、Ⅲ(5～20 mm)、Ⅳ(5～25 mm)、Ⅴ(5～31.5 mm)。成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的抗壓試件和100 mm×100 mm×400 mm的抗折試件，每組6個(gè)，3個(gè)受擾動(dòng)，3個(gè)不受擾動(dòng)作為基準(zhǔn)試件。

借助DC-1000-15蘇試水平電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)對(duì)試件進(jìn)行擾動(dòng)，擾動(dòng)頻率15 Hz，振幅4 mm，擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間40 min，擾動(dòng)形式為正弦振動(dòng)。采用電子數(shù)顯貫入阻力儀對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，參考文獻(xiàn)[3]，選取擾動(dòng)影響最大的齡期區(qū)間(即貫入阻力值為10.7～14.8 MPa)作為擾動(dòng)階段。擾動(dòng)結(jié)束后，將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 28 d，對(duì)混凝土進(jìn)行超聲波波速測試和抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度測試。對(duì)試件進(jìn)行破碎取樣后，通過掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)對(duì)試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

1.3 混凝土配合比

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，坍落度控制在90～110 mm。參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，各組混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 強(qiáng)度降低系數(shù)

依據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試，根據(jù)式(1)計(jì)算抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低系數(shù)，以評(píng)價(jià)擾動(dòng)對(duì)不同粗骨料最大粒徑的混凝土力學(xué)性能的影響。

(1)

式中:Lf為混凝土試件強(qiáng)度降低系數(shù)；f0為基準(zhǔn)混凝土試件強(qiáng)度；f1為受擾動(dòng)后的混凝土試件強(qiáng)度。

1.4.2 受擾損傷因子

為評(píng)價(jià)早期擾動(dòng)對(duì)不同粗骨料最大粒徑的混凝土造成的損傷程度，定義混凝土受擾損傷因子D(%)，根據(jù)式(2)計(jì)算。

(2)

式中:vt為受擾混凝土超聲波波速；v0為基準(zhǔn)混凝土超聲波波速。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度

根據(jù)式(1)計(jì)算受擾混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低系數(shù)，得到粗骨料最大粒徑不同時(shí)，早期擾動(dòng)對(duì)混凝土28 d強(qiáng)度的影響程度，如圖1所示。由圖1可以看出，擾動(dòng)使各組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土下降。這是由于凝結(jié)硬化期間，混凝土界面過渡區(qū)粘結(jié)強(qiáng)度尚未完全形成，擾動(dòng)影響了水泥的水化反應(yīng)，進(jìn)而使膠凝材料和骨料之間產(chǎn)生裂縫和錯(cuò)位，表現(xiàn)為強(qiáng)度降低。相較抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度的降低尤其顯著，說明早期擾動(dòng)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響更大。

由圖1還可以看出，粗骨料最大粒徑不同，受擾混凝土強(qiáng)度的降低程度也不同。其中，Ⅱ組試件(粗骨料最大粒徑16 mm)受擾動(dòng)影響最大，擾動(dòng)使混凝土抗壓強(qiáng)度降低18.5%，抗折強(qiáng)度降低30.0%，說明此組混凝土的界面過渡區(qū)受擾動(dòng)影響最大。而擾動(dòng)對(duì)Ⅲ組試件(粗骨料最大粒徑20 mm)混凝土強(qiáng)度的影響較小，受擾后的抗壓強(qiáng)度僅下降4.9%，抗折強(qiáng)度下降9.2%，均在10.0%以內(nèi)。說明本試驗(yàn)條件下，粗骨料最大粒徑為20 mm的混凝土界面過渡區(qū)強(qiáng)度最高，對(duì)早期擾動(dòng)的敏感度最低。

圖1 粗骨料最大粒徑對(duì)受擾混凝土28 d強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of the maximum size of coarse aggregate on the 28 d strength of disturbed concrete

2.2 損傷因子

研究表明，超聲波振幅的衰減及波形畸變可以反映材料內(nèi)部缺陷，故超聲波法可測量損傷或破壞的程度。根據(jù)式(2)計(jì)算不同粗骨料最大粒徑混凝土的受擾損傷因子，得到不同混凝土試件受擾動(dòng)后的損傷程度，如圖2所示。由圖2可知，擾動(dòng)使混凝土試件超聲波波速較基準(zhǔn)混凝土有不同程度的降低。說明混凝土在受擾后，內(nèi)部缺陷較基準(zhǔn)混凝土增多，密實(shí)度下降。

圖2 粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土受擾損傷因子的影響Fig.2 Influence of the maximum size of coarse aggregate on the disturbed damage factors of concrete

由圖2還可以看出，粗骨料最大粒徑不同，混凝土受擾損傷因子也存在一定差異。粗骨料最大粒徑為16 mm時(shí)，混凝土受擾損傷因子最大，達(dá)到了11.7%。說明擾動(dòng)使此組混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了不可彌合的微裂紋，對(duì)混凝土性能產(chǎn)生了顯著的不利影響。粗骨料最大粒徑為20 mm時(shí)，混凝土受擾損傷因子最小，僅為2.4%，說明此組混凝土的界面過渡區(qū)強(qiáng)度基本未受到擾動(dòng)的影響，這與擾動(dòng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響是一致的。

2.3 SEM和壓汞試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土宏觀力學(xué)性能是其微觀結(jié)構(gòu)的宏觀表現(xiàn)，為進(jìn)一步探究擾動(dòng)對(duì)混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和孔隙的影響，試驗(yàn)選取了受擾動(dòng)影響最大的Ⅱ組和最小的Ⅲ組試件與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行對(duì)比，采用掃描電子顯微鏡對(duì)混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，圖3為各組混凝土典型SEM照片。

觀察圖3可知，基準(zhǔn)試件微觀形貌平整均勻，Ⅱ組受擾試件內(nèi)部出現(xiàn)了很明顯的貫穿裂縫，說明早期擾動(dòng)影響了水泥的水化反應(yīng)過程，對(duì)已形成的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)造成了不可恢復(fù)的破壞。而Ⅲ組受擾試件的內(nèi)部微觀形貌特征與基準(zhǔn)試件差異很小，內(nèi)部微裂紋數(shù)量未見明顯增多，且裂紋非常細(xì)小。

圖3 混凝土SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of concrete

孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成部分，本試驗(yàn)利用高性能全自動(dòng)壓汞儀測定混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)比分析了Ⅱ組和Ⅲ組試件混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征。所測樣品數(shù)據(jù)參數(shù)如表4所示，孔徑和累積侵入汞體積關(guān)系如圖4所示。

由表4可知，相對(duì)基準(zhǔn)試件，早期擾動(dòng)使混凝土堆積密度減小，平均孔容、平均孔面積和孔隙率變大。由圖4可知，Ⅱ、Ⅲ組受擾試件的累積侵入汞體積均大于基準(zhǔn)試件，且第Ⅱ組受擾試件的累積侵入汞體積遠(yuǎn)大于第Ⅲ組受擾試件。

圖4 壓力與累積孔體積關(guān)系圖Fig.4 Relationship between pressure and cumulative pore volume

表4 Ⅱ、Ⅲ組壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)Table 4 Group Ⅱ and group Ⅲ mercury injection experimental data parameters

SEM分析和壓汞測試結(jié)果均表明，混凝土受擾后裂縫和孔隙增多，孔隙率增大，結(jié)構(gòu)密實(shí)性變差，且第Ⅱ組(粗骨料最大粒徑16 mm)混凝土微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)的影響最大，這也佐證了前述擾動(dòng)對(duì)混凝土宏觀力學(xué)性能影響的結(jié)果。

2.4 討 論

本試驗(yàn)中混凝土的宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果均表明，早期擾動(dòng)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生了不同程度的影響。其原因是，凝結(jié)硬化期的混凝土正處于從塑性體向固體轉(zhuǎn)化的階段，Ca(OH)2晶體與C-S-H凝膠體逐漸生成，但界面過渡區(qū)強(qiáng)度還較低。界面是整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，擾動(dòng)力會(huì)使部分已形成的凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，形成局部裂隙，從而使混凝土的后期力學(xué)性能有所降低。

粗骨料最大粒徑不同，擾動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響程度也不同。本試驗(yàn)第Ⅱ組(粗骨料最大粒徑16 mm)試件受擾動(dòng)影響程度最大，這種現(xiàn)象可以解釋為，界面過渡區(qū)圍繞在粗骨料周圍，粗骨料粒徑越小，界面過渡區(qū)所占混凝土總體積的百分比就越大[14]，受擾動(dòng)的影響程度也就越大。而粗骨料粒徑變大時(shí)，粗骨料對(duì)主裂紋界面的橋接作用增大，混凝土發(fā)生斷裂破壞的路徑會(huì)變得更為曲折，需要消耗更多擾動(dòng)能量用于裂縫的擴(kuò)展[13]，故在本試驗(yàn)中第Ⅲ組(粗骨料最大粒徑20 mm)混凝土受擾動(dòng)的影響程度較小。但粗骨料尺寸進(jìn)一步增大后，具有較大慣性力的粗骨料下沉，混凝土均勻性變差[15]，骨料與水泥漿基體的結(jié)合面中會(huì)產(chǎn)生更多的缺陷，粘結(jié)力降低，界面過渡區(qū)變得脆弱，骨料的內(nèi)鎖和橋接作用下降，斷裂能降低[16]，因此抵抗外界擾動(dòng)的能力也隨之下降。故在相同擾動(dòng)試驗(yàn)條件下，第Ⅳ、Ⅴ組混凝土試件受擾動(dòng)的影響程度也較大。

3 結(jié) 論

(1)擾動(dòng)使各組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土下降，抗折強(qiáng)度降低尤為顯著。粗骨料最大粒徑不同，受擾混凝土強(qiáng)度的降低程度也不同。

(2)粗骨料最大粒徑為16 mm時(shí)，擾動(dòng)使混凝土抗壓強(qiáng)度降低18.5%，抗折強(qiáng)度降低30.0%，混凝土受擾損傷因子最大,達(dá)到了11.7%，對(duì)早期擾動(dòng)的影響最敏感；粗骨料最大粒徑為20 mm時(shí)，混凝土強(qiáng)度受擾動(dòng)影響較小，抗壓強(qiáng)度僅下降4.9%，抗折強(qiáng)度下降9.2%，受擾損傷因子最小,僅為2.4%，對(duì)早期擾動(dòng)的敏感度最低。

(3)SEM分析和壓汞測試結(jié)果均顯示混凝土受早期擾動(dòng)后裂縫和孔隙增多，粗骨料最大粒徑16 mm的混凝土微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)的影響最大，佐證了擾動(dòng)對(duì)混凝土宏觀力學(xué)性能影響的結(jié)果。