陳 波,袁志穎,陳家林,徐 波
(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)
蒸汽養(yǎng)護(hù)是混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)常用的養(yǎng)護(hù)方式,它能顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度,加快模具周轉(zhuǎn)速率,從而提高施工效率[1-2].但是,蒸汽養(yǎng)護(hù)下的高溫、高濕條件會(huì)造成混凝土內(nèi)部孔隙粗化、膨脹變形及脆性增大等熱損傷效應(yīng),對(duì)混凝土的抗凍耐久性不利[3-5].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土抗凍性進(jìn)行了大量的研究,也取得了不少成果[6-10].然而,目前混凝土抗凍性研究主要是針對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)的混凝土,蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的抗凍性并未受到相應(yīng)重視,尤其是對(duì)凍融循環(huán)下蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變行為及凍融循環(huán)作用造成的材料耐久性損傷認(rèn)識(shí)不足.
混凝土材料受外荷載作用發(fā)生變形破壞時(shí),常伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象,其聲發(fā)射信號(hào)蘊(yùn)含著混凝土內(nèi)部破裂過(guò)程的豐富信息.依據(jù)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)可對(duì)凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部損傷動(dòng)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[11].
本文通過(guò)開(kāi)展不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn),探究了蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的物理力學(xué)性能變化規(guī)律,并通過(guò)單軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn),分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)下蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土聲發(fā)射參數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征.同時(shí),依據(jù)聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù),并結(jié)合損傷力學(xué)基本理論,建立了凍融循環(huán)下蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土受壓損傷本構(gòu)模型,定量評(píng)價(jià)了不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的抗凍性能,以期為蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土凍融環(huán)境健康服役提供技術(shù)支撐.
P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥(C);Ⅱ級(jí)粉煤灰(FA);S95 型礦渣粉(GGBS);粗骨料采用直徑為5~25 mm 連續(xù)顆粒級(jí)配碎石(CA);細(xì)骨料采用天然河砂(S),級(jí)配符合Ⅱ區(qū)要求,細(xì)度模數(shù)為2.5;減水劑為高效聚羧酸型減水劑(WR),減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù),本文涉及的摻量、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)達(dá)30%以上.
試件的水灰比為0.3,配合比mC∶mFA∶mGGBS∶mWR∶mCA∶mS=241.50∶144.90∶96.60∶3.42∶957.00∶815.00.對(duì)澆筑成型后的試件分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù).蒸汽養(yǎng)護(hù)制度為:試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室靜停3 h 后,放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中,設(shè)置蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度t為40、60、80 ℃,升溫、降溫速率均為15~20 ℃/h,恒溫時(shí)間為12 h,養(yǎng)護(hù)結(jié)束后脫模.將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期,從養(yǎng)護(hù)箱中取出,放置在室內(nèi)自然條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至180 d.根據(jù)蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度,將蒸汽養(yǎng)護(hù)試件命名為ZF-40、ZF-60、ZF-80;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件命名為BF.
1.3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)
采用CABR-HDK 型快速凍融試驗(yàn)機(jī),根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn).試驗(yàn)設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)n=0、40、80、120、160 次,每40 次循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行質(zhì)量、彈性模量、抗壓強(qiáng)度測(cè)試.質(zhì)量和彈性模量測(cè)試試件均為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體,抗壓強(qiáng)度測(cè)試試件為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體.
1.3.2 單軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)
蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土單軸抗壓試驗(yàn)采用WAW-1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),加載方式為荷載控制.綜合考慮電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的性質(zhì)和SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的要求,設(shè)置常規(guī)加載速率為3 kN/s.
聲發(fā)射采集系統(tǒng)采用美國(guó)生產(chǎn)的Sensor Highway Ⅲ型聲發(fā)射儀,前置放大器增益選為40 dB.為提高數(shù)據(jù)的可靠性和定位的準(zhǔn)確性,在混凝土試件側(cè)面對(duì)稱(chēng)布置4 個(gè)傳感器(見(jiàn)圖1).
圖1 傳感器布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor layout(size:mm)
不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率見(jiàn)圖2.由圖2(a)可見(jiàn):當(dāng)n<40 次時(shí),混凝土的質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,這主要是由于凍融循環(huán)初期混凝土內(nèi)部孔隙吸收水分的質(zhì)量大于凍融損失的質(zhì)量,因而在宏觀上表現(xiàn)為混凝土質(zhì)量增加;當(dāng)n>40 次時(shí),混凝土的質(zhì)量逐漸開(kāi)始減小,這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土表面逐漸開(kāi)始剝落,凍融質(zhì)量損失增大,超過(guò)了孔隙吸收水分的質(zhì)量,導(dǎo)致混凝土質(zhì)量開(kāi)始降低;隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度的升高,凍融循環(huán)后期混凝土的質(zhì)量損失率增大,這主要是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)溫度越高,與初始靜置溫度(20 ℃)的溫差越大,混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)越粗化,產(chǎn)生的裂縫就越多,在凍融循環(huán)后期損失的質(zhì)量就越大.由圖2(b)可見(jiàn):蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度為60、80 ℃時(shí),蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后,其強(qiáng)度損失率遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土,如n=80次時(shí),60、80 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的強(qiáng)度損失率分別比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土高7.89%、10.20%;40 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的強(qiáng)度損失率與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土相差不大.這主要是因?yàn)檫^(guò)高的蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度使混凝土內(nèi)部有害孔增多,對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的破壞增加,結(jié)晶度降低,導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)性能變差,混凝土抗凍性能下降.
圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率Fig.2 Mass loss rate and strength loss rate of concretes under different freeze-thaw cycles
不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 的聲發(fā)射特征參數(shù)見(jiàn)圖3(圖中:NR為振鈴計(jì)數(shù);N為聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù);L為荷載).由圖3 可見(jiàn):不同凍融循環(huán)次數(shù)下,混凝土振鈴計(jì)數(shù)隨著荷載的增加而發(fā)生變化,呈現(xiàn)出試驗(yàn)初期振鈴計(jì)數(shù)增加較快、隨后增加速率減緩、接近破壞時(shí)振鈴計(jì)數(shù)突增的三階段規(guī)律;混凝土聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)峰值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小,n=80 次時(shí)其達(dá)到最大值,這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土內(nèi)部微裂隙的數(shù)量不斷增加,微裂隙受壓破壞時(shí)不斷釋放出彈性波,從而使產(chǎn)生的事件數(shù)增多,而到凍融循環(huán)后期,微裂隙不斷匯聚、貫通,混凝土強(qiáng)度迅速降低,累積的能量不斷提前釋放,因而在受壓過(guò)程中傳感器捕捉到的聲發(fā)射事件數(shù)變少.
圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 的聲發(fā)射特征參數(shù)Fig.3 Acoustic emission characteristic parameters of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles
將混凝土凍融循環(huán)后的受壓破壞過(guò)程分為接觸期(Ⅰ)、平靜期(Ⅱ)、陡增期(Ⅲ)三階段.不同階段試件ZF-60 振鈴計(jì)數(shù)的平均值見(jiàn)表1.由表1 可見(jiàn):凍融循環(huán)作用下,不同階段混凝土的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)平均值有較大差異.
表1 不同階段試件ZF-60 振鈴計(jì)數(shù)的平均值Table 1 Average value of ringing counts of specimen ZF-60 at different stages
(1)接觸期 接觸期主要發(fā)生在受壓初始階段,此時(shí)振鈴計(jì)數(shù)增加較快,持續(xù)時(shí)間較短,混凝土表面基本沒(méi)有變化.這主要是由于壓縮試驗(yàn)機(jī)加載板和試件剛接觸時(shí),二者之間存在少量空隙,在慣性作用下導(dǎo)致瞬時(shí)應(yīng)力過(guò)大,且在加載階段初期,混凝土內(nèi)部已有部分孔隙被壓密,因而產(chǎn)生了振鈴計(jì)數(shù)增加較快的現(xiàn)象.
(2)平靜期 隨著荷載的逐漸增大,凍融損傷產(chǎn)生的微裂隙在混凝土局部迅速擴(kuò)展,在主應(yīng)力和次生應(yīng)力作用下不斷聚合、貫通,礦物顆粒間的連接破壞,累積的能量不斷釋放,混凝土內(nèi)部損傷程度加劇.同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中可觀察到混凝土表面出現(xiàn)掉屑情況,且凍融循環(huán)次數(shù)越多,其掉屑情況越嚴(yán)重.
(3)陡增期 隨著受壓過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行,試件內(nèi)部裂隙迅速發(fā)展,聲發(fā)射活動(dòng)異?;钴S,振鈴計(jì)數(shù)陡增,同時(shí)可觀察到試件表面掉屑非常嚴(yán)重,表明混凝土內(nèi)部損傷已接近極限.在荷載接近峰值荷載時(shí),試件內(nèi)部裂縫迅速擴(kuò)展至表面,形成可見(jiàn)的宏觀裂縫,同時(shí)可聽(tīng)見(jiàn)混凝土發(fā)出劇烈的破裂聲,并伴有大量碎片飛出,試件發(fā)生破壞.陡增期內(nèi)振鈴計(jì)數(shù)發(fā)生突變,是損傷傳導(dǎo)和加劇的重要參照.陡增期是凍融循環(huán)下蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度破壞時(shí)間域的前兆信息,此階段需密切關(guān)注監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài).
相對(duì)聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)Nr為聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)與總聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)的比值;相對(duì)峰值應(yīng)力σr為應(yīng)力σ與峰值應(yīng)力的比值.不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 平靜期-陡增期分界點(diǎn)的特征參數(shù)見(jiàn)表2.由表2 可見(jiàn),當(dāng)n=0~160 次時(shí),分界點(diǎn)處相對(duì)聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)從30.37%增加到71.39%,相對(duì)峰值應(yīng)力從0.83 增加到0.91,二者均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,這表明平靜期-陡增期分界點(diǎn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加在時(shí)間上發(fā)生后移.
表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 平靜期-陡增期分界點(diǎn)的特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of the boundary point between calm stage and the stage of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles
聲發(fā)射幅值可以表征混凝土局部損傷的劇烈程度,當(dāng)某處損傷越劇烈時(shí),所產(chǎn)生的幅值越高,幅值信號(hào)越密集.不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 的聲發(fā)射幅值信號(hào)圖見(jiàn)圖4.由圖4 可見(jiàn):加載過(guò)程中試件ZF-60 的聲發(fā)射幅值信號(hào)存在明顯的階段性,這些現(xiàn)象與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律一致;在接觸期內(nèi),由于瞬時(shí)應(yīng)力的作用以及孔隙的閉合與基質(zhì)之間的接觸磨擦,此階段聲發(fā)射幅值信號(hào)較為密集;在平靜期內(nèi),混凝土內(nèi)部主要表現(xiàn)為微裂隙的連通和擴(kuò)展,損傷程度增加但并未發(fā)生明顯破壞,此階段聲發(fā)射幅值信號(hào)較為稀疏;在陡增期內(nèi),裂隙迅速發(fā)展形成可見(jiàn)的宏觀裂縫,并伴隨劇烈的結(jié)構(gòu)性損傷,此階段聲發(fā)射幅值信號(hào)迅速增強(qiáng),達(dá)到峰值.
圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 的聲發(fā)射幅值信號(hào)圖Fig.4 Acoustic emission amplitude signal diagrams of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles
2.3.1 聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)與受壓損傷模型的建立
Ohtsu[12]通過(guò)對(duì)混凝土聲發(fā)射機(jī)理的分析,認(rèn)為混凝土聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)N與應(yīng)力σ之間存在如下關(guān)系:
式中:c為積分常量;a、b為與混凝土材料損傷特性相關(guān)的參數(shù).
紀(jì)洪廣等[13]研究發(fā)現(xiàn),在受壓過(guò)程中,混凝土由荷載引起的損傷變量Dc與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)N成正比:
式中:k為比例系數(shù).
龍廣成等[14]指出,在凍融條件下,混凝土總損傷變量D包括凍融損傷變量Di和荷載引起的損傷變量Dc:
同時(shí),根據(jù)宏觀唯象損傷力學(xué),混凝土宏觀物理力學(xué)性能能夠代表內(nèi)部劣化程度,將材料的總損傷變量D定義為[15]:
式中:E(σ)為受壓過(guò)程中不同應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的動(dòng)彈性模量;E0為混凝土受壓前的初始動(dòng)彈性模量.
由Lemaitre 應(yīng)變等價(jià)性假說(shuō)可知,應(yīng)力σ作用在損傷材料上產(chǎn)生的應(yīng)變與有效應(yīng)力作用在無(wú)損材料上引起的應(yīng)變等價(jià),聯(lián)立式(1)、(3)、(4),得到凍融循環(huán)后蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的受壓損傷本構(gòu)模型:
式中:ε為應(yīng)變.
2.3.2 凍融循環(huán)下蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土受壓損傷本構(gòu)模型的驗(yàn)證
以試件ZF-60 為例,根據(jù)試驗(yàn)所得蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)和應(yīng)力參數(shù),通過(guò)式(1)對(duì)不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析.n=0 次時(shí),試件ZF-60 的初始凍融損傷變量Di0=0,將擬合所得參數(shù)a、b、c值代入式(5),再與實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到E0=4.2×104MPa,k=1.23×10-6,相關(guān)系數(shù)R2=0.978.將E0值代入式(5),即可得不同凍融循環(huán)次數(shù)下蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的受壓損傷本構(gòu)模型.分別將n=40、80、120、160 次時(shí)的混凝土試件應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)與式(5)進(jìn)行擬合分析,求出不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土受壓損傷本構(gòu)模型的Di和參數(shù)k,并聯(lián)立式(3)建立蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土受壓損傷演化方程.不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 的受壓損傷演化過(guò)程見(jiàn)圖5.由圖5 可見(jiàn):受壓前期,蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土損傷演化較為緩慢;當(dāng)相對(duì)峰值應(yīng)力達(dá)到0.8 以后,蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土損傷發(fā)展較為迅速;峰值應(yīng)力處總損傷變量D達(dá)到最大值.
圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件ZF-60 的受壓損傷演化過(guò)程Fig.5 Evolution process of specimen ZF-60 compression damage under different freeze-thaw cycles
同樣,通過(guò)上述方法分別建立了試件BF、ZF-40、ZF-80 在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的受壓損傷本構(gòu)模型,且其模型擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.919~0.992.由此可見(jiàn),通過(guò)聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)所建立的蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土受壓損傷本構(gòu)模型與實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性,可較好地描述凍融循環(huán)作用后混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.
2.3.3 不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的凍融損傷評(píng)價(jià)
為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的凍融損傷,通過(guò)前文建立的受壓損傷本構(gòu)模型,求出相對(duì)峰值應(yīng)力為0 時(shí)受壓損傷本構(gòu)模型的初始凍融損傷變量Di0,根據(jù)其值可以定量評(píng)價(jià)混凝土的凍融損傷狀態(tài).不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的初始凍融損傷變量見(jiàn)圖6.由圖6 可見(jiàn):隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下試件的初始凍融損傷變量值增大;與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土相比,60、80 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的初始凍融損傷變量值均更高,且差異較為明顯,這表明在該溫度下進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)不利于混凝土抗凍性能發(fā)展;40 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下初始凍融損傷變量值與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土相近,二者抗凍性能無(wú)明顯差異.
圖6 不同蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的初始凍融損傷變量Fig.6 Di0 of concretes under different steamcuring systerms
(1)根據(jù)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化,可將凍融循環(huán)后蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土受壓破壞過(guò)程分為接觸期、平靜期、陡增期三階段,聲發(fā)射幅值變化規(guī)律與振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律相同.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,平靜期-陡增期分界點(diǎn)在時(shí)間上發(fā)生后移,混凝土聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)峰值先增大后減小.
(2)通過(guò)聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)建立的受壓損傷本構(gòu)模型可較好地表征蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土在初始凍融損傷后,其單軸抗壓應(yīng)力與損傷程度之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土損傷定量分析.在受壓過(guò)程前期,蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土損傷發(fā)展較為緩慢;當(dāng)相對(duì)峰值應(yīng)力達(dá)到0.8 以后,蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土損傷發(fā)展較為迅速,直至受壓破壞.
(3)基于聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)建立的初始凍融損傷變量Di0變化規(guī)律表明,60、80 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度不利于混凝土抗凍性能發(fā)展;40 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土抗凍性能無(wú)明顯差異.