面板混凝土冻融劣化后动力性能的研究

李 岩， 王瑞骏， 秦 睿， 赖 韩， 李晓彤

(西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

在面板混凝土实际的服役环境中，经常受到动荷载的作用。而在我国的东北、华北寒冷地区，混凝土结构在环境因素的影响下，其耐久性受到严重损害。因此对于冻融劣化后面板混凝土动力性能的研究意义重大。

目前，对冻融循环后混凝土基本力学性能方面开展了较多的研究。操佩等[1]、徐童淋等[2]研究了冻融后混凝土动力性能的变化，给出混凝土动态损伤本构模型。田威等[3]、王海涛等[4]研究得出经冻融循环作用后的混凝土在不同加载速率下的单轴压缩破坏规律。朱孔峰等[5]提出了冻融后有关混凝土强度和变形关系式。Ma Qinyong等[6]通过对经冻融循环作用后的泥岩和沙质泥岩进行试验，测其动态抗压强度和能量分布的规律。Li Jielin等[7]研究发现冻融劣化后，砂岩的微孔隙尺寸明显增大，孔隙结构的变化会引起其力学性能的改变。李龙等[8]运用abaqus有限元软件对再生混凝土力学性能的应变率敏感性进行模拟研究，通过对混凝土峰值应力和弹性模量的动态增长因子随应变率的变化趋势来探讨骨料、砂浆的率敏感性，以此研究其对混凝土整体率敏感性的影响。杨益等[9]对掺钢和玄武岩的纤维材质混凝土进行抗冻试验，并拟合出可以用于预测其耐久性衰减的二次函数模型，精度较高。孙中明等[10]在不同应变速率下对岩石进行了单轴压缩试验，研究得出岩石的峰值应力和应变与应变率成正比，试件的长径比影响着临界应变率。

从目前的研究成果看来，有关冻融循环作用后混凝土的动态力学特性方面的成果很少，尤其在三轴试验下的动力特性研究更少[11-15]。基于此，本文对冻融劣化后的面板混凝土试件进行了单轴压缩和常规三轴试验，比较不同冻融循环次数、不同应变速率下的混凝土动态性能；在同时考虑冻融循环作用和应变速率影响下，探索混凝土的破坏准则。

2 试验概况

2.1 试验原材料

本次试验采用铜川水泥厂生产的P·O 42.2级普通硅酸盐水泥；掺和料为Ⅱ级粉煤灰；细骨料为渭河中砂，细度模数为2.35；粗骨料为粒径5～30 mm的卵石，其中粒径为5～20 mm和20～30 mm(图1)用量分别为粗骨料总用量的一半；拌合水为自来水；高效三萜皂甙引气剂；聚羟基酸减水剂。

图1 二级配粗骨料示意图

2.2 配合比的设计

本试验依照面板堆石坝相应的规范及已建工程[16]的规定，具体配合比数值见表1。

2.3 试验主要设备和方法

冻融试验设备如图2所示。经24 d养护，将试件浸泡在20℃±2℃的水中4 d后擦干其表面，开始测定起始质量和自振频率，再进行冻融循环试验。

动静三轴试验仪用于动力试验，如图3所示。其中，单轴压缩试验采用1×10-5、1×10-4、2×10-4、5×10-4和1×10-3s-15种应变速率，常规三轴试验采用的应变速率为单轴压缩试验的后4种应变速率。

表1 面板混凝土试验配合比

图2快速冻融试验机图3 DTD-2000kN微机伺服粗粒土动静三轴仪

3 试验结果与分析

3.1 质量特性

混凝土抗冻性的一个重要评价指标是质量损失。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)的要求，对经100次冻融循环后的15个棱柱体试件进行试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。对其质量损失率和冻融循环次数的关系进行分析，表达式如下：

M(N)=a+bN+cN2

(1)

式中：M(N)为冻融N次后的质量损失率，%；N为冻融次数；a,b,c为回归系数。由试验数据求得a=0.0226,b=-0.0069,c=0.0001及相关系数R2=0.9781。拟合后效果如图4所示，效果较好。

图4 质量损失率与冻融循环次数的关系

由图4看出，冻融循环后的混凝土试件质量损失率先下降后上升。经0、25、50、75、100次冻融循环后，试件质量损失大小为0、-0.03%、0.01%、0.16%、0.63%。经过25次冻融循环后混凝土试件的质量损失率为-0.03%，是因为冻融循环作用使混凝土的空隙增大，在试件内部形成微裂隙，混凝土早期由于吸水作用增加的质量大于其由于砂浆脱落减少的质量，导致其整体质量增加；冻融循环75次后试件的质量损失率速度明显加快，这是由于随着冻融劣化程度的增大，早期的微裂缝演变为较宽的裂缝，混凝土表面掉渣现象严重。

本试验拟合后的二次曲线具有极值点，而王海涛等[4]研究发现混凝土的质量损失率与冻融循环次数呈单调递增的抛物线关系。这是由于本试验采用的是二级配混凝土试件，王海涛等[4]试验中采用连续级配的石灰石，混凝土结构更加密实，孔隙率较小，冻融循环初期进入试件的水相对于本试验较少，试件由于砂浆掉落导致其质量减小的效应占主导地位。所以随着冻融次数的增加，试件的质量损失率表现为单调增加的抛物线关系。

3.2 单轴极限抗压强度

不同冻融循环次数和不同应变速率下测得混凝土的单轴动态极限抗压强度，如表2所示，极限抗压强度与应变速率和冻融次数的关系曲线分别如图5和6所示。

表2 轴向动态极限抗压强度 MPa

图5轴向抗压强度随应变速率变化关系图6轴向抗压强度随冻融次数变化关系

由图5、6可以看出，在冻融循环次数相同的情况下，随着应变速率的增大，混凝土单轴极限抗压强度随之提高；相同应变速率下的混凝土单轴极限抗压强度与冻融次数呈反比例关系。冻融循环100次后，试件的极限抗压强度损失较为严重。分析原因是冻融循环加大了混凝土的劣化程度，试件内部初始微裂缝吸水量增大，同时在冰压力的作用下裂缝有所延伸和扩展，密实度降低。在相对较高的1×10-3s-1应变速率下，导致200次冻融循环后混凝土的单轴极限抗压强度急剧下降，且直线的斜率高于1×10-5和1×10-4s-1应变速率所对应的斜率，极限抗压强度降低至未冻融混凝土极限抗压强度的50%左右。

3.3 混凝土损坏准则

混凝土在实际的服役工作环境中，其基本性能不仅需考虑冻融劣化的影响，同时应变速率也是重要因素之一，故同时考虑两者的混凝土破坏准则更贴合实际情况。

闫东明等[11]研究结果表明，可用公式(2)对抗压强度增长与应变速率的关系进行拟合：

(2)

采用公式(3)对混凝土极限抗压强度增加幅度与冻融循环次数的关系进行拟合：

fc/fcs=aN2+bN+c

(3)

式中：fc/fcs为极限抗压强度的增加因子；fc为某一应变速率下对应的极限抗压强度，MPa；fcs为准静态应变速率下对应的极限抗压强度，MPa；a,b,c为拟合参数。拟合效果如图8所示，参数见表4。

特别地，由于冻融循环作用前后以及高低应变速率条件下对混凝土试件性能产生的差异，故对未冻融(0次)以及相对低的应变速率(2×10-4s-1)的试件组采用高次拟合的方法。

图7不同冻融循环次数下单轴动态抗压强度随应变速率变化关系图8不同应变速率下单轴动态抗压强度随冻融循环次数变化关系

表3 峰值应力增加因子与相对应变速率的拟合参数

表4 峰值应力增加因子与冻融循环次数的拟合参数

由图7可以看出，混凝土单轴极限抗压强度增加因子与应变速率的对数近似呈线性函数关系，且相关性较好。对比冻融循环50和100次的拟合公式，可以发现随着混凝土冻融劣化程度的增大，曲线的斜率减小，表现为混凝土的率敏感性下降。这是由于冻融循环作用初期，混凝土内部逐渐形成微裂纹，其周围的自由水不断被吸入。随后，混凝土内部损伤加重，增大了微裂纹的初期宽度，增多了孔隙，此时由于挤压作用水的楔入作用进一步提高，导致100次冻融循环的拟合曲线增长变慢。

由图8可以看出，混凝土单轴极限抗压强度增加因子与冻融循环次数经拟合后大致呈二次或三次函数关系。而朱孔峰等[5]研究发现随着冻融劣化程度加大，不同应变率加载下的相对抗压强度降低。可能一方面由于试验采用的材料级配有差异，本试验粗骨料采用的是粒径为5～20mm、20～30mm的天然卵石，朱孔峰等[5]采用的是最大粒径20 mm的连续级配碎石；另一方面， 混凝土材料的冻融劣化程度不同，此试验为200次冻融循环，而朱孔峰等[5]试验冻融循环次数最大为75次。

建立冻融循环和应变速率耦合作用下的面板混凝土的损坏准则，可用公式(4)进行表示：

(4)

式中：fcD为冻融循环后某一应变速率下对应的单轴极限抗压强度，MPa；fcsD为冻融循环后准静态应变速率下对应的单轴极限抗压强度，MPa；a,b,c,α和β为求得的拟合参数。

3.4 单轴峰值应变

混凝土试件的峰值应变随应变速率和冻融循环次数的关系分别如图9和10所示。

图9峰值应变随应变速率变化关系图10峰值应变随冻融次数变化关系

由图9看出，混凝土的峰值应变在相同的冻融循环次数下与应变速率成反比关系。分析原因是在较小的应变速率下，混凝土中存在较少的微裂纹，此时裂缝的扩展方式主要是沿砂浆表面处进行，直至完全贯通，破坏时微裂纹分布较为集中；试件内的微裂纹在较高的应变率下来不及充分压缩就完全破坏。由能量最少定律[17]，破坏总以能量在单位时间里减耗最少的形式发生。在高应变速率情况下，裂缝以直穿骨料的方式破坏，并且大多数的裂纹改变了破坏路径，减少了路径长度，故峰值应变减小。由图10可以看出，相同的应变速率下，混凝土的峰值应变随冻融循环次数的增加呈现增大的趋势。原因可能是冻融循环过程中，由于水的冻胀作用加快了孔隙的扩张，降低了混凝土的密实度。因此，在进行单轴压缩试验时，由于前期水的结冰膨胀形成的大孔隙首先会被压实，从而表现出峰值应变增大的现象。

峰值应变减小因子与应变速率对数间的关系如图11，为近似呈线性减小关系，以公式(5)拟合。

图11 不同冻融循环次数下峰值应变减小因子随应变速率变化关系

(5)

式中：εpk/εc为峰值应变减小因子;εpk为某一应变率下峰值应变;εc为静态下峰值应变；α、β为材料参数，见表5。

表5 峰值应变减小因子与相对应变速率的拟合参数

根据表5可知，混凝土峰值应变减小因子与应变速率对数间的线性关系较好，具有较强的相关性。

3.5 常规三轴试验下极限抗压强度和峰值应变

对面板混凝土试件经100次冻融循环后在不同围压(0、5、10 MPa)下进行动态力学性能研究，混凝土极限抗压强度和峰值应变在不同围压下与应变速率和应变速率对数间的关系如图12和13所示。

图12 极限抗压强度增长率随应变速率变化关系

由图12可以看出，同一应变速率下，随着围压的增加，混凝土轴向抗压强度值增大，混凝土极限抗压强度的增幅却逐渐减小。同时，应变速率对混凝土极限抗压强度的影响作用随着围压的增加逐渐减弱，说明由于围压的存在使得混凝土的率敏感性有所降低。即当围压超过某个值时，不再考虑应变速率这一因素对于混凝土的极限抗压强度的影响。而闫东明等[11]研究发现该值即为混凝土的单轴抗压强度，分析原因可能是冻融循环后试件内部微裂缝的扩展以及混凝土自身材料等原因造成的。

图13 峰值应变随应变速率变化关系

由图13可以看出，应变速率相同时，混凝土试件峰值应变与围压值成正比。说明围压的存在限制了试件的侧向变形和裂缝发展，混凝土的延性增强。同时，峰值应变随应变速率的增大变化不大，总体较为平稳。与单轴峰值应变结果有所差异，分析原因可能是由于围压的作用限制了混凝土内部微裂缝的延伸发展，使其难以直接穿过骨料发生破坏。

4 结 论

本文对经冻融循环作用下面板混凝土在不同应变速率下单轴压缩和常规三轴试验为基础，研究混凝土的动力性能，主要结论如下：

(1) 随着冻融循环次数的增加，面板混凝土的质量损失率先下降后上升，拟合后曲线的形态为具有极值点的二次曲线。

(2)对于单轴压缩试验，混凝土极限抗压强度增加因子和峰值应变减小因子在相同冻融次数下与应变速率的对数近似呈线性函数关系；同一应变速率下，混凝土极限抗压强度增加因子与冻融循环次数经拟合后大致呈二次或三次函数关系；通过对比50和100次冻融循环下混凝土单轴极限抗压强度增加因子与应变速率对数的拟合关系式，可以看出混凝土的率敏感性随着混凝土冻融劣化程度的增大而减小。

(3)对于常规三轴试验，在100次冻融循环和相同应变速率下，随着围压的增大，试件极限抗压强度提高；峰值应变在相同的围压下随应变速率的增大变化较为平稳。

(4)根据试验结果，同时考虑冻融和应变速率作用建立面板混凝土损坏准则，对严寒地区水工建筑物具有工程实践意义。