地震對新澆混凝土細觀結構及強度的影響

韓海玲，李固華，魏建東，何廣杰，王 科

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都610031;2.成都市工程質量監督站，四川成都610000)

混凝土的使用已有約200 a的歷史，由于混凝土的強度高、耐久性好、施工性能好、工藝簡單、原材料來源廣、成本較低、適用于各種自然環境，因此發展很快，已成為世界上的主要建筑材料。1976年7.28唐山大地震，及2008年的5.12汶川大地震，不僅對人民的生命財產造成了巨大的損失，而且對災區土木工程結構物造成了嚴重的損傷甚至破壞［1－3］。研究受震后混凝土強度性能變化情況具有重大的現實意義。

對于達到正常養護齡期的即有結構物混凝土，可以根據受震后的變形、裂縫、強度等常用宏觀指標進行檢測鑒定。筆者主要研究新澆注、養護齡期較短的混凝土在遭遇地震后其強度變化情況。通過模擬地震震動試驗，觀察震后新澆注混凝土內部缺陷，采用非破損檢測方法測試其受壓破壞情況，與未震動混凝土進行對比，研究震后混凝土的受壓破壞性能與未震動的區別，以作為進一步研究分析影響混凝土強度諸因素以及制訂震后混凝土處理方案的依據。

1 試驗

原材料:水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥;拌和水采用自來水;細骨料為河砂，滿足II區級配的要求，細度模數為2.3;粗骨料采用粒徑為5～20 mm的卵石;外加劑選用羧酸類減水劑，減水率為21%。經測試得到的混凝土初凝時間為10h 10 min，終凝時間為12h 30 min。將制作好的混凝土試塊放在所屬中國核動力研究設計院的6m×6m大型高性能地震模擬試驗臺進行震動試驗。地震烈度與對應地震波加速度值為6度0.05g，7度0.10g，8度 0.25g，9度0.50g共4個地震烈度;震動時齡期分別為 6，12，24，48，72h，7 d;混凝土設計強度等級為C30，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。養護方法盡量模擬地震震動后的實際情況，進行了間斷性養護，即震動后第8 d才開始進行正常養護。此外，為了與未震動混凝土對比，震動與未震動混凝土出自同一盤混凝土，裝試模數量相同，且在同一震動烈度下，不同齡期的混凝土同時震動。

2 地震對新澆注混凝土細觀結構和強度的影響

2.1 地震對混凝土早期強度的影響

分別抽查測試了7度震動后混凝土12，24，72h齡期時的強度，混凝土試塊在震動臺上震動后，經輕輕地脫模、運送，之后盡快地測試其強度(一般在震后2～3h)，將震動與未震動的混凝土試塊同時進行測試。其抗壓強度測試結果見表1。

表1 混凝土早期抗壓強度Tab.1 Compressive strength of concrete at early stage

從表1可以看出，混凝土在澆注早期經地震震動后，其強度有所損失。C30混凝土在齡期為12h時經7度模擬地震震動過后，其強度損失可達17.1%，但齡期為72h的混凝土由于已經有了一定的強度，地震對其影響只有4%。

將受到6～9度4個不同地震烈度震動的，且澆注齡期不同的C30混凝土試件，養護至28 d時，混凝土的強度基本能夠恢復到未震混凝土的水平［4］。筆者著重分析地震對混凝土細觀結構的影響。

2.2 混凝土試件表觀及內部缺陷的觀測結果

為了研究受震新澆注混凝土的細觀結構，筆者曾采用掃描電子顯微鏡SEM、高倍顯微鏡、體視顯微鏡等多種精密儀器進行觀測。掃描電子顯微鏡分辨率極高，放大倍數達到萬倍以上，但研究的區域很小，另外，細觀研究的樣品在制備過程中易產生微裂縫，對細觀觀測結果有影響;而高倍顯微鏡立體效果差，分辨率低。經對比，在觀測混凝土內部損傷及界面形貌時，體視顯微鏡放大倍數適宜，清晰度高，立體感強，效果最佳。

體視顯微鏡又可稱為實體顯微鏡或稱操作和解剖顯微鏡。其光學結構原理是由一個共用的初級物鏡，對物體成像后的2個光束被2組中間物鏡亦稱變焦鏡分開，并組成一定的角度稱為體視角，一般為12°～15°，再經各自的目鏡成像，它的倍率變化是由改變中間鏡組之間的距離而獲得，利用雙通道光路，雙目鏡筒中的左右2光束不是平行，而是具有一定的夾角，為左右兩眼提供一個具有立體感的圖像。其特點為視場直徑大、焦深大，這樣便于觀察被檢測物體的全部層面，此外還可以與圖像分析軟件組成數碼成像系統接入計算機進行分析處理，從而能夠得到清晰的觀測結果。

2.2.1 混凝土試件表觀觀察結果

對于新澆注混凝土試件，通過肉眼仔細的觀察，并沒有發現混凝土表面有異常現象，經震動后混凝土表面未發現裂縫或缺陷。選取部分9度震動的C30新澆注混凝土試件，用鋼絲刷、砂紙等打磨試件表面至露出骨料，用體視顯微鏡觀察骨料界面，沒有發現明顯的裂紋。認為混凝土表面及表層的骨料周邊沒有明顯的缺陷或明顯的裂紋。圖1、圖2為體視顯微鏡觀測裝置和觀測試件。

圖1 體視顯微鏡Fig.1 Stereomicroscope

圖2 鋼絲刷刷過后的早齡期震觀測試件Fig.2 Early-age shaken concrete brushed by the steel wire brush

2.2.2 混凝土試件內部骨料界面觀測結果

當混凝土試件的齡期達到28 d，用切割機切割這些混凝土試件，使得截面中帶有骨料。由于混凝土內部缺陷主要發生在骨料的界面上，用體視顯微鏡仔細觀察混凝土斷面，尤其是骨料的界面。由于地震對12，24h齡期影響較大(表1)，因此選用的試件重點在這2種齡期。

對6～9度震后混凝土試件的觀測顯示，絕大多數混凝土試件骨料界面上沒有明顯的裂紋或缺陷，骨料與砂漿間的界面連接密實、連續。28 d齡期后混凝土內部的缺陷很少，這種情況與未震動同齡期的混凝土相當。本文僅列出部分震動后的C30混凝土斷面中骨料界面形貌，如圖3～圖7。

圖3 9度震動無裂縫混凝土(48h齡期)Fig.3 Non-crack concrete shaken by 9 magnitude quake(48 hours age)

圖4 9度震動有裂縫混凝土(24h齡期)Fig.4 Concrete with cracks shaken by 9 magnitude quake(24 hours age)

圖5 9度震動混凝土斷面(12h齡期)Fig.5 Concrete section shaken by 9 magnitude quake(12 hours age)

圖6 8度震動混凝土斷面(24h齡期)Fig.6 Concrete section shaken by 8 magnitude quake(24 hours age)

圖7 未震C30動混凝土斷面Fig.7 Unshaken concrete section of C30 strength grade

2.3 受壓破壞過程檢測結果

由觀測結果可知，模擬震動后的試塊表觀上并沒有發現缺陷。為了進一步研究新澆注受震混凝土的細觀結構，對受震后的混凝土進行受壓破壞過程檢測試驗。即在進行抗壓強度試驗和試驗力－變形關系曲線試驗時，采取用超聲儀器進行同步測試的方式。在施加壓力值達到50 kN及其倍數值的數據時，分別進行超聲波形采集，直到臨近破壞時超聲波無法采集到數據為止，得到了一系列反映聲波變化情況的波形圖。其中在9度震動下，震動與未震動混凝土的線性、非線性波形圖如圖8和圖9。

圖8 9度未震動C30混凝土超聲波形Fig.8 Ultrasonic waveform graphs of C30 unshaken concrete

圖9 9度震動后C30混凝土超聲波形Fig.9 Ultrasonic waveform graphs of C30 concrete shaken by 9 magnitude quake

在超聲測試過程中，其波形遵循以下變化規律:線性階段時基本光滑，聲時波動很小，波幅上下跳動;之后進入非線性階段，尤其是在70% ～90%的臨界破壞值區域時，由于砂漿裂縫的出現，聲時明顯變長，波幅迅速衰減。但震動與未震動混凝土超聲波聲速基本無差異。與之相應的棱柱體受壓破壞［5］同樣未見有明顯的不同。圖10和圖11為采用瑞士剛性壓力試驗機測試的一組典型的試驗力－變形關系全曲線試驗結果。

圖10 9度未震動混凝土28 d試驗力－變形曲線Fig.10 Comparison between 28-day load-deformation curve of concrete without vibration damage and that of the concrete shaken by 9 magnitude quake

圖11 9度震動后28 d混凝土試驗力－變形曲線(受震齡期12h)Fig.11 28-day load －deformation curve of the concrete shaken by 9 magnitude quake(12 hours age when shaken)

2.4 混凝土受壓破壞性能細觀分析

混凝土從宏觀角度而言，可以視為由骨料和水泥漿體組成的2相材料，然而從細觀角度是由3相材料組成，充分體現了混凝土結構的復雜性。有關研究表明，在貼近大顆粒骨料表面的硬化水泥漿體的結構與系統中水泥石或砂漿的結構非常不同，即存在第3相，稱之為過渡區相。而混凝土的受壓破壞性能與這個過渡區是息息相關的。過渡區結構中存在的孔體積和微裂縫對混凝土的強度及彈性模量有很大影響，通常是混凝土中最薄弱的環節。正是因為這個過渡區的存在使得混凝土在較低的應力下破壞。當混凝土受到較大震動影響時，過渡區中的原始裂縫處很容易應力集中，導致裂縫迅速擴展，進而在受壓破壞時，基體中形成的裂縫與過渡區中的裂縫在并不高的能量下得到貫通，從而造成最終材料的破壞［6］。

文獻［4］、［7］中指出，模擬地震對混凝土早期強度影響比較明顯，有一定程度的強度損失，但經過28 d同條件養護后，其強度能夠較好的恢復，基本上和未震動的強度相同，震動齡期為12h的混凝土強度甚至有所提高。本文中的試驗結果同樣表明，震后持續養護了28 d的混凝土受壓破壞性能與未震動混凝土無顯著區別。其原因可能在于混凝土剛澆注后，在粗骨料的周邊的過渡區內出現泌水，形成了日后可能發展成為原始缺陷的“水隙”，而降低了混凝土的早期強度。如果在混凝土終凝前受到再次震動，“水隙”可以由周圍未硬化的水泥水化物或沒有水化的水泥漿體填充，改善了過渡區情況，后期經養護強度逐漸發展起來。

地震對新澆注混凝土的震動影響主要在于混凝土內部組成材料的密度不同［7－8］，從而引起了在地震加速度作用時產生的慣性力有所不同。最易受影響產生微裂縫的部位還是混凝土中骨料與水泥或粗骨料與砂漿間的界面處。震動使得原本就有著初始微裂縫的混凝土過渡區內裂縫數量及大小有所增加和擴大，破壞了2相之間起著搭接作用的薄弱區域，從而不能有效傳遞應力，產生了應力集中。

若震動時混凝土正處于初凝前，則對混凝土性能基本沒有負面的影響。終凝前，雖然震動可能破壞部分初始結構，但因終凝前混凝土尚未完全失去塑性，使初始結構有愈合能力，故能提高混凝土強度［7－8］。

6～9度震動后的混凝土，在后期養護過程中，隨著混凝土水泥漿體中的未水化熟料顆粒不斷地進行水化反應，凝結硬化，部分孔隙被水化物所填充，當達到28 d混凝土強度得到一定程度的恢復。圖4為30余個試件中唯一有明顯裂縫的情況。對其他震動烈度的24h齡期的混凝土仔細觀察也沒有發現這種情況。但這一裂紋也不排除是由于后來對混凝土切割所造成的。

6～9度模擬地震對新澆注混凝土還沒有產生足夠大損傷，混凝土內部只是產生微裂縫，在混凝土達到28 d齡期時能夠表現出基本與未受震混凝土相當的受壓破壞過程的性能。解釋和驗證了文獻［4］、［7］、［8］中 9 度內受震混凝土試件在 28 d 性能試驗的結論。

3 結論

1)震后各齡期混凝土養護至28d后的觀測結果表明，混凝土內部的缺陷很少，與同一震動齡期未震動的混凝土相當。

2)超聲波測試的震動與未震動混凝土波形變化規律是一致的，即線性階段時基本光滑，波幅上下跳動;非線性階段，尤其是在70% ～90%的臨界破壞值區域時，波幅迅速衰減。

3)地震對新澆注混凝土界面的影響只是在粗骨料與水泥漿體的界面處容易產生微裂縫，經后期養護、水化過程的進行，使得混凝土在28 d時的界面狀況能夠得到有效地恢復。

［1］李喬，趙世春，李力，等.汶川大地震工程震災分析［M］.成都:西南交通大學出版社，2008.

［2］陳肇元，錢稼茹.汶川地震建筑震害調查與災后重建分析報告［R］.北京:中國建筑工業出版社，2008:601－604.

［3］Liang Wenhao，Li Qiao，Gao Bo.The First Anniversary of Wenchuan Earthquake Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，2009.

［4］Li Guhua，Wei Jiandong，He Guangjie，et al.Investigation on the compressive strength of fresh concrete after simulated earthquake［C］//The 4th International Symposium on Lifetime Engineering of Civil Infrastructure.Beijing:Science Press，2009:23 －25.

［5］GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［6］［美］P.KUMAR MEHTA.混凝土的結構、性能與材料［M］.祝永年，沈威，陳志源，譯.上海:同濟大學出版社，1991:12－14，25－27.

［7］魏建東，李固華，何廣杰，等.地震對新澆混凝土強度、鋼筋握裹力的影響［R］.成都:成都市質監站，西南交通大學，2009.

［8］高健章，蔡益超，張阿本，等.地震對已澆置混凝土影響之探討［R］.臺北:交通部臺灣區國道新建工程局，2001.