不同溫度災變下混凝土三軸受壓力學性能試驗研究

來榮國

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司 廣西柳州 545007）

1 引言

混凝土材料廣泛應用于大基建土木工程中，如道路、鐵路、隧道橋梁，尤其是現(xiàn)在國家大力發(fā)展城市管廊項目，這些項目均為百年工程，其混凝土結(jié)構(gòu)物在復雜環(huán)境下耐久性和穩(wěn)定性一直都是學者們和工程建設運營者的主要關(guān)注點之一［1］，其混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性及耐久性受到了學者們和工程建設運營者的關(guān)注。混凝土結(jié)構(gòu)物在長期運營中，大概率會遭到汽車碰撞引起火災，導致混凝土材料遭受很高的溫度損害，會導致結(jié)構(gòu)物的失效。故很有必要開展混凝土材料在復雜溫度災變下的強度損傷研究。

學者們分別針對混凝土在多軸應力狀態(tài)下的力學特性和能量消散開展了相關(guān)的研究。如周甲佳［2］基于試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬等三方面研究高強高性能混凝土的多軸力學特性。常海波［3］通過PFC3D模擬瀝青混凝土在不同加載速率和圍壓作用下的力學特性，研究得知，相同圍壓下加載速率的增大，混凝土的峰值強度、峰值應變和彈性模量逐漸遞增。徐媛媛［4］和李威［5］等人進行不同應力比及加載速率的三向壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)混凝土在三向受壓狀態(tài)下表現(xiàn)出明顯的應變率效應，峰值應力隨著應變速率的增加先減小后增大，極限抗壓強度隨應力比的增大而增大。張軍等［6］基于巖石真三軸儀液壓伺服機，采用定側(cè)向加載方式對普通混凝土進行雙軸受壓試驗研究，得到不同應力比下混凝土的應力－應變曲線和破壞形態(tài)，研究表明：當側(cè)向應力較小時，混凝土破壞形態(tài)與單軸受壓向類似；當側(cè)向應力較大時，試件呈現(xiàn)劈裂狀破壞形態(tài)。當σX/fc＝0～0.2時，峰值應力隨著側(cè)向應力比的增大而增大，當σX/fc＝0.2～0.5 時，σZ峰值應力隨著側(cè)向應力比的增大而變化較小。李毅［7］和王四巍［8］等人分別針對高強混凝土和再生粗骨料塑性混凝土開展三軸壓縮試驗，分析其在受力全過程中的變形與破壞特征，研究得知：圍壓越大，混凝土試樣破壞時，其峰值應力與峰值應力對應的軸向應變越大，破壞形式由張拉破壞向剪切破壞過渡。但是以上研究成果都是基于高強混凝土在三軸壓縮試驗條件下的力學特征，而沒有圍繞實際工程中混凝土材料在復雜溫度災變后力學衰變規(guī)律。

學者們分別已經(jīng)針對高溫災變后的混凝土材料的力學特性開展了一定的研究。如蘇益聲等［9］針對高溫后再生混凝土進行了常規(guī)三軸加載試驗，結(jié)果表明：在單向應力下，高溫后再生混凝土應力－應變?nèi)^程曲線有比較明顯的尖峰；隨著側(cè)向圍壓的增加，高溫后再生混凝土應力－應變?nèi)^程曲線逐漸變得平緩和豐滿；高溫后再生混凝土三軸受壓本構(gòu)關(guān)系曲線變化趨勢與普通混凝土類似。何振軍［10］分別進行了常溫下和高溫后6個試驗溫度（20、200、300、400、500、600 ℃）的兩種強度等級（C60和C50）高強混凝土在多軸應力狀態(tài)下強度與變形性能試驗，結(jié)果表明：高溫后高強混凝土雙軸壓、三軸壓強度相對于其單軸壓強度提高倍數(shù)取決于其應力比以及不同溫度高溫后高強混凝土單軸壓強度；200、300℃稍低，400～600℃逐漸升高，三軸壓強度提高幅度較雙軸壓更大；其峰值應變變化規(guī)律相似于強度。常溫下和高溫后高強混凝土單軸壓強度越大，其多軸壓強度提高倍數(shù)越小。蘇益聲等［11］針對火災后破碎卵石混凝土開展三軸受力性能開展研究，結(jié)果表明：隨著溫度的增加，峰值點逐漸向右下角移動；在三向應力下試件的破壞形態(tài)分為斜面剪切破壞與層狀劈裂破壞；隨著圍壓的不斷增加，試件的應力－應變曲線逐漸平緩，峰值點也越來越不明顯，溫度的影響逐漸減小，其彈性模量、峰值應力、峰值應變均顯著增加；隨著溫度的上升，試件的峰值應力與彈性模量整體呈下降趨勢［12］。但是以上研究成果都是基于高溫處理后的混凝土在壓縮試驗條件下的力學特征，而沒有圍繞實際工程中混凝土材料在溫度災變時力學衰變規(guī)律，有必要進行更多試驗深入研究混凝土材料在實時溫度災變情況下的力學性能。

本文主要研究實際管廊結(jié)構(gòu)混凝土材料在不同溫度災變時三軸壓縮狀態(tài)下的力學響應，分析了強度規(guī)律、溫度、圍壓和破壞模式，提出了適用于溫度災變時混凝土的破壞準則。這為在不同溫度災變時混凝土的本構(gòu)關(guān)系的建立提供了試驗和理論依據(jù)。

2 試驗設備與方法

2.1 試驗配比

試樣來自于廣西柳州市柳北區(qū)某段項目管廊結(jié)構(gòu)混凝土，混凝土的設計強度為C35。重量配合比為水∶水泥∶卵石機制砂∶石灰?guī)r機制砂∶碎石＝0.65∶1.00∶1.39∶2.65∶3.96。每方混凝土為水∶水泥∶卵石機制砂∶石灰?guī)r機制砂∶碎石＝150∶230∶320∶610∶910。每拌材料用量（kg）為水∶水泥∶卵石機制砂∶石灰?guī)r機制砂∶碎石＝ 9.00∶13.80∶19.20∶36.60∶54.60，重量配合比為摻合料（BF23019－016）∶摻合料（BK2019－018）∶外加劑（BW2019－011）∶外加劑（SY-G高性能膨脹抗裂劑）∶外加劑（聚丙烯腈纖維）＝0.17∶0.43∶0.033∶0.143∶0.009，每方混凝土為摻合料（BF2019－016）∶摻合料（BK2019－018）∶外加劑（BW2019－011）∶外加劑（SY-G高性能膨脹抗裂劑）∶外加劑（聚丙烯腈纖維）＝40∶100∶7.6∶33∶2，試配每拌材料用量（kg）為摻合料（BF2019－016）∶摻合料（BK2019－018）∶外加劑（BW2019－011）∶外加劑（SY-G高性能膨脹抗裂劑）∶外加劑（聚丙烯腈纖維）＝2.40∶6.00∶0.46∶1.93∶0.12，初始實測坍落度為210 mm，1 h后實測坍落度為190 mm；實測抗壓強度：fcu（7 d）＝30.5 MPa；fcu（28 d）＝35.3 MPa，其中水是普通的清水。

2.2 試樣制備流程

圖1 試樣制備流程

2.3 試驗裝置與試驗方案

本試驗研究是用ROCK系列全應力多場耦合三軸試驗儀上完成的（見圖2）。該試驗儀不僅可以進行常規(guī)力學試驗，還能進行多種組合的溫度－流體－力學－化學等多場耦合試驗。而且通過預留的模塊化接口，可以升級如水壓致裂、動態(tài)加載、圍壓下的三軸拉伸試驗等新功能。該三軸試驗儀配備了軸壓、圍壓和滲透水壓3套獨立的加載系統(tǒng)，壓力由高精度無刷伺服電控高壓泵來提供，可施加最大軸壓100 MPa，最大圍壓60 MPa，最大滲透水壓50 MPa。同時，該試驗儀搭載有溫度模塊，溫度可調(diào)節(jié)為10～150℃，這樣可以實時施加。

圖2 Rock 600-50HT巖石高溫高壓多場耦合試驗儀

本文以圍壓、溫度為試驗變量，圍壓分別設計為5、10、15 MPa，溫度分別設置為常溫（24 ℃）、60℃、100℃。試驗加載步驟為：

（1）裝樣階段。將加工好的試樣裝進耐高溫耐高壓的橡皮套中，并在上下端套上金屬箍環(huán)，把這整體放進儀器的應力室中，其中在兩端箍緊箍環(huán)，保持在試驗過程中液壓油不能浸入到試樣內(nèi)，這個過程中裝上兩個軸向LVDT測定試驗過程中試樣的軸向變形，同時裝上環(huán)形應變計測定試驗過程中試樣的環(huán)形變形。

（2）應力室充油階段。將應力室進行抬升，并把大號螺母擰緊，然后對應力室中進行充油，確保圍壓能正常施加。

（3）溫度加載階段。對上一步充滿油的應力室進行升溫，升溫速度為20℃/h，同時保證試驗室內(nèi)的空調(diào)打開確定穩(wěn)定在一定的溫度，避免外界溫度對應力室的溫度造成過大的影響。

（4）圍壓加載階段。對于上一步溫度加載完成后一定時間內(nèi)，應力室里溫度與設定溫度之間的誤差不超過0.1℃時，進行圍壓加載，采用20 MPa/min進行加載，確保試驗勻速加載完成。

（5）偏壓加載階段。當上一步驟完成并穩(wěn)定30 min后，開始加載軸向偏壓，采用以0.05 mm/min的變形加載方式，直至試樣破壞。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

針對試驗結(jié)果進行分析，可以獲得試樣的破壞強度和變形模量，如表1和表2所示。從表1可以看出，混凝土的破壞強度隨著溫度增大，先增大后減少；隨著圍壓增大而增大。通過求不同溫度、圍壓下混凝土的峰值破壞強度與峰值變形的比值作為混凝土的變形模量，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，混凝土的變形模量溫度增大，先增大后減少；其隨圍壓增大而不斷減少。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用必須以增加評價維度和豐富評價體系作為基本價值取向，有效解決傳統(tǒng)評價體系中主觀成分過多、經(jīng)驗判斷為主的問題，要力主對高等職業(yè)院校教育教學信息而得全面收集，突破評價體系過分重視成績和考試的問題，進一步提升教育教學評價體系的智能化、可視化功能高，真正將大數(shù)據(jù)精細化和系統(tǒng)化的優(yōu)勢發(fā)揮出來以實現(xiàn)高等職業(yè)院校教育教學評價體系的功能性和價值性。

表1 不同圍壓、溫度下混凝土破壞強度

表2 不同圍壓、溫度下混凝土的變形模量

3.2 混凝土破壞特征

圖3顯示了不同溫度、圍壓下的混凝土三軸壓縮應力狀態(tài)下的破壞模式。由圖3可知，當圍壓較小時，混凝土呈劈裂破壞，試樣表面有比較多的豎向和橫向裂紋，形成一個或多個破壞裂縫；其中可以看到由于混凝土是由多相材料組成，內(nèi)部原有裂隙分布極具離散性，而試樣破壞時大部分都是沿著原有裂隙進行發(fā)育，故低圍壓時，試樣的破壞形態(tài)各異。當圍壓較大時，試樣發(fā)生剪切破壞，試樣表面呈現(xiàn)一條與垂直面呈一定夾角的斜向裂紋，通過敲碎破壞試樣，可以觀察到試樣表面有明顯的滑痕。

圖3 混凝土試樣破壞形態(tài)

3.3 不同圍壓下混凝土破壞強度與變形模量隨溫度變化規(guī)律

試驗結(jié)果表明，混凝土的峰值強度隨著溫度的升高，呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，在60℃時，峰值強度有所增加，100℃時，混凝土的強度有明顯的降低（見圖4）。以圍壓為5 MPa為例，如圖4a所示，常溫下受壓試件的峰值強度為43.74 MPa；60℃下的峰值強度為64.18 MPa；100℃下的峰值強度為40.33 MPa。與溫度為60℃的強度試驗結(jié)果比較可以看出，常溫下混凝土峰值強度降低了46.7%；溫度為100℃混凝土峰值強度降低了59.13%。這是由于常溫狀態(tài)下混凝土試件的空隙中富含液態(tài)水，液態(tài)水會隨著溫度的升高，逐漸發(fā)生物理變化，會產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，當溫度升高到60℃時，液態(tài)水的粘性系數(shù)逐漸增大，使基體間的粘結(jié)作用增強，并且使得水泥發(fā)生水化反應更加完全，水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更加密實，導致混凝土試件的峰值強度有所提高。將溫度升高到100℃時，試件中空隙內(nèi)存含的液態(tài)水完全發(fā)生汽化現(xiàn)象，導致試件的空隙率增大，試樣內(nèi)部呈現(xiàn)蜂窩狀態(tài)，致使水泥漿體與骨料結(jié)構(gòu)之間的界面結(jié)構(gòu)疏松程度增加，粘結(jié)強度變得松散，各種水化產(chǎn)物逐漸分解，空隙裂縫逐漸擴展貫通，使得混凝土試件的峰值強度迅速降低，并且低于常溫下的峰值強度。

圖4 不同圍壓下混凝土隨溫度變化時的應力-應變曲線

試驗結(jié)果表明，混凝土的變形模量隨著溫度的升高，呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，在60℃時，變形模量有所增大，100℃時，混凝土的變形模量有明顯的降低。以圍壓為5 MPa為例，如圖4a所示，常溫下受壓試件的變形模量為63.21 MPa；溫度為60℃和100℃時的變形模量分別為83.83 MPa和50 MPa。與溫度為60℃的強度試驗結(jié)果比較可以看出，常溫下混凝土變形模量降低了46.7%；溫度為100℃混凝土變形模量降低了67.66%。這是由于在一定適溫條件下（如60℃），混凝土可以認為在進一步發(fā)生水化反應，基體間的粘結(jié)作用進一步加強，進一步提高抵抗外力變形能力，宏觀上表現(xiàn)為變形模量進一步增大。而在一定高溫情況下（如100℃時），混凝土內(nèi)部基體間結(jié)合水失去，且水泥漿體與骨料之間的膠結(jié)力會變?nèi)?，微觀上混凝土內(nèi)部孔隙裂紋得到發(fā)育并擴展貫通，導致其抵抗外力變性能力下降，宏觀上表現(xiàn)為變形模量逐步下降。

3.4 不同溫度下混凝土破壞強度隨圍壓變化規(guī)律

試驗結(jié)果表明，在不同溫度作用下，混凝土的峰值強度隨著圍壓的升高而逐步增大（見圖5）。以溫度為常溫時混凝土的應力－應變曲線為例，如圖5a所示。由圖中可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，混凝土試樣的強度等力學參數(shù)都有較大幅度的提升。在同一溫度下，當圍壓為5 MPa時，試樣的峰值強度為43.74 MPa，當圍壓分別為 10 MPa、15 MPa時，混凝土試件的峰值強度分別為54.51 MPa、75.99 MPa，峰值強度增長了 24.62%、73.73%。這是由于隨著圍壓的不斷增大，有效限制了混凝土試件的體積橫向膨脹變形破壞，致使混凝土的承載能力增強。由此可見，隨著圍壓的增大，混凝土的多個力學性質(zhì)都有更明顯的提升，對混凝土的整體性能也有明顯的增強。隨著圍壓的逐漸升高，使混凝土試件在軸向荷載的作用下，其橫向裂縫的繼續(xù)發(fā)展受到了極大的限制。

圖5 不同溫度下混凝土隨圍壓變化時的應力-應變曲線

試驗結(jié)果表明，混凝土的變形模量隨著圍壓的升高，呈現(xiàn)出變形模量逐步下降。在同一溫度下，當圍壓為5 MPa時，試樣的變形模量為63.21 MPa，當圍壓分別為10 MPa、15 MPa時，混凝土試件的峰值強度分別為 45.77 MPa、27.49 MPa，變形模量逐步降低了27.59%、56.51%。這是由于采用變形模量（峰值強度與峰值變形之間的比值）來表征混凝土抵抗變形能力，在相同溫度下，隨著圍壓增大，峰值變形大幅度增大，而峰值強度相對增大程度較小，故隨著圍壓增大時，其變形模量值逐步下降。

3.5 八面體應力空間破壞準則

在不同溫度和圍壓的三軸壓縮條件下，取自現(xiàn)場的混凝土的力學響應特征可以采用八面體應力空間來表達。通過回歸分析，不同溫度下，混凝土材料的正八面體正應力與剪切應力之間具有良好的線性相關(guān)性。為了使得本研究結(jié)果推導出來的準則具有普適性，對不同溫度下混凝土的圍壓和破壞強度轉(zhuǎn)換成八面體的正應力和剪切應力，兩者可由以下公式換算得到。

按照公式（1）和（2），參考文獻［12］，并考慮試驗過程中施加的溫度影響，建立適用于八面體應力空間的統(tǒng)一強度準則如下：

其中將參數(shù)fc取值為養(yǎng)護28 d后的混凝土強度，即為35.3 MPa，計算結(jié)果可見表3。

表3 八面體應力空間正應力和剪應力

表3 八面體應力空間正應力和剪應力

圍壓 偏壓 溫度 正應力σoct 剪應力τoct σoct f c τoct f c 5 43.74 24 19.58 20.62 0.555 0.584 10 54.51 24 28.17 25.70 0.798 0.728 15 75.99 24 40.33 35.82 1.142 1.015 5 64.18 60 26.39 30.25 0.748 0.857 10 76.74 60 35.58 36.18 1.008 1.025 15 109.6 60 51.53 51.67 1.460 1.464 5 40.33 100 18.44 19.01 0.522 0.539 10 43.31 100 24.44 20.42 0.692 0.578 15 97.27 100 47.42 45.85 1.343 1.299

經(jīng)擬合得知：b1＝0.25，b2＝0.25，b3＝0.45，b4＝－1.26E-4（R2＝0.926），則可以知道該八面體應力空間統(tǒng)一強度準則表達如下：

圖6為在統(tǒng)一強度準則理論值與試驗值的對比圖，可見該強度模型較好符合實際情況。

圖6 統(tǒng)一強度準則與試驗結(jié)果的對比

4 結(jié)論

對不同溫度和圍壓下混凝土的三軸壓縮力學試驗結(jié)果分析，分析了強度規(guī)律、溫度、圍壓和破壞模式，提出了適用于溫度災變時混凝土的破壞準則，并得出如下主要結(jié)論：

（1）不同圍壓下混凝土呈現(xiàn)不同破壞形態(tài)。當圍壓較小時，混凝土呈劈裂破壞，試樣表面有比較多的豎向和橫向裂紋，形成一個或多個破壞裂縫；當圍壓較大時，試樣發(fā)生剪切破壞，試樣表面呈現(xiàn)一條與垂直面呈一定夾角的斜向裂紋，通過敲碎破壞試樣，可以觀察到試樣表面有明顯的滑痕。

（2）混凝土的峰值強度隨著溫度的升高，呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，在60℃時，峰值強度有所增加，100℃時，混凝土的強度有明顯的降低。如圍壓為5 MPa時，與溫度為60℃的強度試驗結(jié)果比較可以看出，常溫下混凝土峰值強度降低了46.7%；溫度為100℃混凝土峰值強度降低了59.13%。

（3）在不同溫度作用下，混凝土的峰值強度隨著圍壓的升高而逐步增大，而峰值應變逐步增大，變形模量逐步下降。

（4）本文基于不同溫度、圍壓下的三軸壓縮試驗結(jié)果，構(gòu)建表征八面體應力空間的強度準則，并對比試驗結(jié)果值，可見該強度模型較好符合實際情況。該強度準則，綜合考慮了溫度、三軸等不同環(huán)境，這為在不同溫度災變時混凝土的本構(gòu)關(guān)系的建立提供了試驗和理論依據(jù)。