變幅循環(huán)加卸載下硫酸鹽侵蝕混凝土力學(xué)與變形性能

薛維培，徐 威，劉曉媛，3，張瀚文

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 3.國網(wǎng)山東省電力公司 聊城市茌平區(qū)供電公司，山東 聊城 252100)

1 研究背景

近年來，鹽漬土地區(qū)公路橋梁以及海水中跨海隧道等混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中受到鹽害離子侵蝕影響日益突出[1]?；炷磷鳛橹饕ㄖ牧?，由于澆筑振搗等原因存在初始微裂紋以及微孔隙，鹽害離子則通過上述初始缺陷進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水泥膠體反應(yīng)后生成物膨脹極易造成混凝土開裂等現(xiàn)象發(fā)生，從而使得結(jié)構(gòu)承載能力降低；加上服役期間來往車輛以及海浪反復(fù)拍打等外部變幅循環(huán)荷載作用使得混凝土內(nèi)部缺陷得到進(jìn)一步發(fā)展，加速混凝土力學(xué)性能劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)服役壽命縮短[2]。因此研究在鹽害離子侵蝕環(huán)境下的長期服役混凝土變幅循環(huán)加卸載性能更符合實(shí)際工況，有助于提高對上述工況下混凝土工程結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)以及穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。

國內(nèi)外學(xué)者對于混凝土在鹽害離子侵蝕環(huán)境下的研究大多數(shù)集中于宏觀強(qiáng)度指標(biāo)、侵蝕演變過程以及微觀機(jī)理等方面，而針對變幅循環(huán)加卸載下力學(xué)性能，特別是變形性能研究偏少。Nie等[3]研究了硫酸鹽濃度和侵蝕時(shí)間對混凝土壓縮強(qiáng)度的影響，給出了基于波速變化率的強(qiáng)度損傷程度分級(jí)方法；Sun等[4]研究了硫酸根離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律，建立了一種新的硫酸根離子擴(kuò)散模型。Liang等[5]明確了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土力學(xué)行為變化規(guī)律，得到了侵蝕之后混凝土力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系。李濤等[6]探討了混凝土內(nèi)部各組分濃度的變化與硫酸根離子濃度之間的關(guān)系，明確了硫酸鹽在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理。段德峰等[7]研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽侵蝕后混凝土孔隙率先減小后增大，裂縫分形維數(shù)逐步增大。張萌[8]通過掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)試驗(yàn)從微觀結(jié)構(gòu)上揭示了硫酸鹽侵蝕后混凝土力學(xué)性能劣化機(jī)理。循環(huán)加卸載試驗(yàn)中，石星等[9]研究了初始荷載、循環(huán)頻率、循環(huán)增幅對混凝土力學(xué)行為的影響，在循環(huán)頻率與增幅不變的情況下，隨著初始荷載增加，混凝土強(qiáng)度趨于減?。煌跣⒄萚10]通過單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值的比值隨著應(yīng)變速率增加而增大；胡海蛟等[11]開展了不同應(yīng)變速率下混凝土動(dòng)態(tài)循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究表明峰值應(yīng)力和彈性模量隨著加載速率提高而增大；Zheng等[12]研究了循環(huán)荷載作用下混凝土不同部位力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)試件應(yīng)變演化和能量耗散存在不均勻現(xiàn)象。但是，當(dāng)前循環(huán)加卸載試驗(yàn)均沒有考慮鹽害離子侵蝕對混凝土造成的前期化學(xué)損傷影響，并且大多數(shù)開展的是等幅循環(huán)加卸載，實(shí)際工程中則以變幅為主。綜上所述，由于混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程是在力學(xué)因素和環(huán)境因素雙重耦合作用下進(jìn)行的，因此開展變幅循環(huán)加卸載作用下鹽害離子侵蝕混凝土力學(xué)及變形性能研究非常有必要，這對弄清該過程中混凝土物理力學(xué)性能以及能量演化問題十分關(guān)鍵。

本文通過試驗(yàn)?zāi)M混凝土在硫酸鹽溶液侵蝕以及變幅循環(huán)加卸載作用下的工作環(huán)境，研究了不同濃度不同侵蝕時(shí)間下混凝土受變幅循環(huán)加卸載作用時(shí)物理力學(xué)性能變化規(guī)律，并對加卸載過程中混凝土形變、動(dòng)彈性模量以及耗散能變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期在工程應(yīng)用分析中提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 試驗(yàn)材料

采用海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑5～15 mm的玄武巖碎石、細(xì)度模數(shù)2.37的天然河砂以及NF-F復(fù)合外加劑[13]。按照水∶水泥∶粗骨料∶細(xì)骨料：NF-F=1∶2.20∶7.49∶4.21∶0.45的配合比澆筑150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，24 h拆模后將其放入烘干箱內(nèi)，設(shè)置溫度60～120 ℃，3 d后取出試件并放入溫度(20±2)℃、相對濕度95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)持續(xù)養(yǎng)護(hù)至齡期28 d。最后采用取芯機(jī)、切割機(jī)、打磨機(jī)進(jìn)行一系列精加工獲得Φ50 mm×100 mm圓柱體試件，試件兩端面不平行度≤0.02 mm，再采用聲波測試儀挑選出波速相近的試件放入硫酸鈉溶液中，溶液濃度分別為10%、15%、20%，浸泡時(shí)間依次是5個(gè)月、7個(gè)月。

2.2 試驗(yàn)方案

為了掌握硫酸鈉溶液侵蝕后混凝土在變幅循環(huán)加卸載作用下的性能變化，采用TAW-2000伺服壓力機(jī)開展試驗(yàn)，變幅循環(huán)加卸載方式如圖1所示，當(dāng)應(yīng)力加載至10 MPa時(shí)，開始進(jìn)行第一次卸載，卸載時(shí)應(yīng)力均降至1 MPa，此后每次加載時(shí)應(yīng)力均在上一級(jí)的基礎(chǔ)上增加6 MPa[9]。通過軸向變形控制加載，速率為0.05 mm/min；卸載則通過應(yīng)力控制，速率為0.2 MPa/s。為了對比分析，同時(shí)開展了單軸壓縮試驗(yàn)，加載過程采用軸向變形控制，速率為0.05 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 物理力學(xué)性能分析

圖2是硫酸鈉溶液侵蝕5個(gè)月及7個(gè)月后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)。同濃度下隨著硫酸鈉浸泡時(shí)間的增加，試件加載直至破壞時(shí)所完成的變幅循環(huán)次數(shù)不斷地減少，峰值強(qiáng)度不斷降低；相同浸泡時(shí)間下隨著溶液濃度提高，峰值強(qiáng)度同樣表現(xiàn)出降低趨勢，但溶液濃度提高對峰值強(qiáng)度影響比浸泡時(shí)間對峰值強(qiáng)度影響更大，破壞時(shí)試件更加松散，例如濃度20%硫酸鈉溶液侵蝕7個(gè)月下的試件。

當(dāng)應(yīng)力加載至預(yù)定值后開始卸載，發(fā)現(xiàn)卸載后曲線軌跡并未沿著加載曲線軌跡原路返回，而是略低于加載曲線，說明加載過程產(chǎn)生了一定量的不可恢復(fù)塑性變形。繼續(xù)下一級(jí)加載時(shí)，加載曲線和卸載曲線相交，形成“柳葉狀”滯回環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)不斷向前移動(dòng)，塑性變形增大、損傷逐級(jí)累加[10]。由于卸載過程中原先被壓密的微裂紋大部分變形得到恢復(fù)，再次加載時(shí)微裂紋重新被壓密并且新一輪加載應(yīng)力提高將促使新裂紋產(chǎn)生，由此造成滯回環(huán)出現(xiàn)卸載上凹、加載上凸的現(xiàn)象[11]。

由圖2試驗(yàn)曲線提取出變幅循環(huán)加卸載與單軸壓縮兩種不同加載方式下混凝土應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，整理后如表1所示，組別命名方式為Xm-Y%，Xm表示混凝土受硫酸鈉侵蝕月數(shù)，Y%表示硫酸鈉溶液濃度。

表1 兩種加載方式下混凝土性能指標(biāo)

由表1可知，變幅循環(huán)加卸載和單軸壓縮兩種加載方式下混凝土峰值強(qiáng)度隨硫酸鈉溶液濃度提高呈下降趨勢，峰值應(yīng)變隨溶液濃度提高逐步增大。相同溶液濃度下變幅循環(huán)加卸載試件峰值強(qiáng)度均低于單軸壓縮試件峰值強(qiáng)度，而變幅循環(huán)加卸載下試件峰值應(yīng)變均高于單軸壓縮下試件峰值應(yīng)變。硫酸鈉溶液侵蝕5個(gè)月時(shí)，隨著溶液濃度增加，變幅循環(huán)加卸載下試件峰值應(yīng)力相對單軸壓縮峰值應(yīng)力依次降低5.60%、7.68%、17.59%，說明隨著硫酸鈉溶液濃度提高，通過初始缺陷(微裂紋、微孔隙)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子數(shù)量增多，對水泥膠體造成的化學(xué)侵蝕影響劇烈，再加上變幅循環(huán)加卸載對混凝土造成疲勞損傷，易使得內(nèi)部微裂紋和微孔隙不斷擴(kuò)展與貫通，從而導(dǎo)致了試件強(qiáng)度明顯降低[14-15]。隨著侵蝕時(shí)間增加，混凝土受硫酸鈉溶液侵蝕劣化程度加重，故本試驗(yàn)中不同溶液濃度不同侵蝕時(shí)間下試件破壞時(shí)所完成的循環(huán)次數(shù)各異。

3.2 變形性能及耗散能分析

為了從變形和能量的角度對變幅循環(huán)加卸載作用下硫酸鹽溶液侵蝕混凝土開展分析，如圖3所示，定義加載應(yīng)變?chǔ)臕i為從初始載荷原點(diǎn)到第i個(gè)最大載荷時(shí)所引起的應(yīng)變；加載應(yīng)變差ΔεAi為第i次和第(i+1)次循環(huán)時(shí)最大載荷之間的載荷應(yīng)變差；累積殘余應(yīng)變?chǔ)臖i為從初始加載原點(diǎn)到第i次卸載至最小卸載時(shí)所引起的應(yīng)變；累積殘余應(yīng)變差ΔεBi為第i次和第(i+1)次循環(huán)時(shí)最小卸載之間的卸載應(yīng)變差；塑性變形率ζ為累積殘余應(yīng)變與峰值應(yīng)變之比；動(dòng)彈性模量Edi為滯回環(huán)中最大應(yīng)力差值與最大應(yīng)變差值之比；耗散能Wi為滯回環(huán)面積[16]。

3.2.1 加載應(yīng)變與累積殘余應(yīng)變關(guān)系

由圖4可知，變幅循環(huán)加卸載下硫酸鈉侵蝕混凝土累積殘余應(yīng)變隨著加載應(yīng)變增大呈上升趨勢，并且上升速率逐步加快。這是因?yàn)槔鄯e殘余應(yīng)變越大，試件發(fā)生的塑性變形越多，所處的損傷劣化程度越高，越接近試件破壞時(shí)的臨界狀態(tài)。因此，隨著變幅循環(huán)加卸載的持續(xù)，每級(jí)加載水平不斷提高，裂紋開始萌生、擴(kuò)展、貫通，從而使得塑性變形占總變形的比例不斷增加，累積殘余應(yīng)變增大[16]。通過對加載應(yīng)變和累積殘余應(yīng)變的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)一元二次方程可以用于預(yù)測兩者的發(fā)展趨勢，擬合度達(dá)0.997。此外，由于7m-20%組試件在硫酸鈉溶液中浸泡時(shí)間最長且溶液濃度最高，受鹽害離子侵蝕影響十分嚴(yán)重，具體表現(xiàn)在試件外表面有明顯裂紋、局部有碎塊掉落、存在明顯孔洞分布，因此在變幅循環(huán)加載時(shí)應(yīng)力曲線時(shí)升時(shí)降，不好控制卸載點(diǎn)，故只進(jìn)行3次變幅循環(huán)加卸載。

3.2.2 加載應(yīng)變差、累積殘余應(yīng)變差與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖5可知循環(huán)加卸載下加載應(yīng)變差始終大于累積殘余應(yīng)變差，并且隨著循環(huán)次數(shù)增加，兩者差距逐步縮小。由于試件前期受硫酸鹽侵蝕影響，與普通試件相比內(nèi)部微裂紋、微孔洞分布更多，骨架結(jié)構(gòu)較為松散。故在變幅加載前期應(yīng)力水平較低時(shí)主要以微裂紋、微孔洞被壓密實(shí)而發(fā)生的這部分塑性變形為主；當(dāng)變幅加載應(yīng)力水平增大直至試件發(fā)生屈服進(jìn)入塑性階段，此時(shí)則以骨架發(fā)生的塑性變形為主[16]，加載應(yīng)變不斷接近峰值應(yīng)變，又由于彈性應(yīng)變已全部發(fā)生，故可供試件發(fā)生的剩余塑性變形不斷減少，因而出現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)增加加載應(yīng)變差與累積殘余應(yīng)變差逐漸接近的現(xiàn)象[17]。

3.2.3 動(dòng)彈性模量、塑性變形率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

如圖6所示，動(dòng)彈性模量用以表征試件在變幅循環(huán)載荷下的力學(xué)特性與損傷演化關(guān)系[17]，塑性變形率則用于衡量試件在每一次循環(huán)加卸載下產(chǎn)生的塑性變形。試件在變幅循環(huán)加卸載下動(dòng)彈性模量、塑性變形率具有大致相同的變化趨勢，即隨著循環(huán)次數(shù)增加整體呈上升趨勢，原因在于混凝土是一種非均質(zhì)材料，當(dāng)較小荷載等級(jí)多次循環(huán)加卸載下，試件內(nèi)部裂隙與微裂隙受力逐漸閉合，并在裂隙面之間產(chǎn)生“呲合”作用[18]。在隨后的卸載過程中，由于裂隙面之間“呲合”作用的存在，部分裂隙在卸載完成后并不能完全張開，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加致密，并未對混凝土骨架造成明顯的破壞，反而塑性壓密作用提高了試件的剛度，使得動(dòng)彈性模量增大[19]。但是，當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，例如7m-20%組試件，第3次循環(huán)時(shí)加載應(yīng)力已達(dá)到試件峰值強(qiáng)度的80%以上，且由于試件極為松散，塑性壓密作用幾乎喪失，對試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯損傷，故加載后期動(dòng)彈性模量降低。在整個(gè)變幅循環(huán)加卸載過程中，塑性變形處于不斷積累狀態(tài)，對試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷量隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大，當(dāng)達(dá)到混凝土峰值強(qiáng)度時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展貫通，導(dǎo)致試件徹底破壞。

3.2.4 耗散能與變幅循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

硫酸鈉侵蝕混凝土在變幅循環(huán)加卸載下經(jīng)歷了初始微裂紋閉合、線性變形、新裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通直至試件破壞的過程。從能量角度來看，壓力機(jī)加載時(shí)做功即為混凝土吸收的能量，可通過加載曲線與應(yīng)變軸圍成的面積計(jì)算求得；而卸載過程可恢復(fù)變形產(chǎn)生的能量為混凝土釋放的彈性勢能，彈性勢能以彈性能的形式存儲(chǔ)在混凝土內(nèi)，可通過卸載曲線與應(yīng)變軸圍成的面積計(jì)算求得。除此之外的能量統(tǒng)稱為耗散能Wi，通過每次循環(huán)加卸載中滯回環(huán)面積求得[20]，耗散能表示由混凝土內(nèi)部裂紋發(fā)展以及其他塑性變形所消耗的能量，也包括新生裂紋對應(yīng)的表面能。耗散能越高表明試件受到的損傷影響越嚴(yán)重。因此，為了掌握變幅循環(huán)加卸載作用下混凝土能量演化規(guī)律，計(jì)算出不同硫酸鈉濃度下每次循環(huán)所產(chǎn)生的耗散能，如表2所示，并繪制出耗散能Wi與循環(huán)次數(shù)n關(guān)系曲線，如圖7所示。

表2 變幅循環(huán)加卸載下混凝土耗散能

由表2可知，不同溶液濃度不同侵蝕時(shí)間下混凝土變幅循環(huán)加卸載耗散能變化規(guī)律基本一致，即隨著循環(huán)次數(shù)增加，耗散能整體呈上升趨勢。耗散能變化過程大致可以分為兩個(gè)階段：在第3次循環(huán)加卸載開始之前，耗散能表現(xiàn)出較為平緩的增加趨勢，此時(shí)混凝土尚處于穩(wěn)定發(fā)展階段，受前期硫酸鈉溶液侵蝕影響，混凝土內(nèi)存在大量微孔隙以及微裂紋，循環(huán)加卸載開始后微孔隙和微裂紋被擠壓、摩擦，由此產(chǎn)生塑性變形從而消耗能量[21]；在第3次至第7次循環(huán)加卸載完成過程中耗散能呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，此階段試件已被壓密且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較為均勻，從而更多的耗散能用于已有塑性變形的二次發(fā)展，以及內(nèi)部新生裂紋的發(fā)育、擴(kuò)展、貫通等不可逆塑性變形的急劇增長，耗散能隨之突增[21]。從數(shù)值上看，以5m-15%試件為例，第一次循環(huán)加卸載耗散能為370.66 J/m3，隨著循環(huán)次數(shù)增加耗散能逐級(jí)增長，最終耗散能達(dá)到初始值的12.1倍。此外，通過非線性擬合發(fā)現(xiàn)，一元二次函數(shù)能夠較好地反映耗散能與循環(huán)次數(shù)之間的變化關(guān)系，決定系數(shù)R2>0.98，能夠用于預(yù)測耗散能隨變幅循環(huán)次數(shù)的發(fā)展軌跡。

4 結(jié) 論

(1)硫酸鹽侵蝕后的混凝土內(nèi)部微裂紋微孔洞增多，骨架結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低，溶液濃度越高，侵蝕影響越嚴(yán)重，變幅循環(huán)荷載等級(jí)與循環(huán)次數(shù)增加將加快混凝土物理力學(xué)性能劣化進(jìn)度。

(2)變幅循環(huán)加卸載下混凝土加載應(yīng)變、加載應(yīng)變差、累積殘余應(yīng)變、累積殘余應(yīng)變差、動(dòng)彈性模量、塑性變形率具有大致相同的變化趨勢，隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，塑性損傷程度不斷提高，且隨循環(huán)荷載等級(jí)增大，塑性損傷更加明顯。

(3)滯回環(huán)變化規(guī)律能夠很好地反映出試件內(nèi)部應(yīng)力與裂紋的動(dòng)態(tài)演化情況，其面積代表單軸循環(huán)加卸載條件下混凝土耗散能。耗散能隨著循環(huán)次數(shù)增加起初保持相對穩(wěn)定的增大狀態(tài)，當(dāng)試件接近破壞時(shí)耗散能快速上升。