高持續(xù)荷載下的混凝土徐變破壞試驗

謝 競 吳韶斌

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙市 410131）

處于復(fù)雜環(huán)境中的水工混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間承受自重、水壓力和溫度應(yīng)力等持續(xù)荷載，其作用時間長達(dá)數(shù)十年。眾多理論與試驗研究表明這類混凝土在其設(shè)計壽命周期內(nèi)強(qiáng)度產(chǎn)生劣化甚至破壞。忽視這種長期持續(xù)荷載下的強(qiáng)度劣化影響，對混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計，安全耐久性評價是不利的。受試驗設(shè)備和試驗難度的制約,對混凝土在高持續(xù)作用下產(chǎn)生徐變破壞的試驗成果還不能很好地解釋其破壞機(jī)理。

研究荷載水平與持荷時間對混凝土長期強(qiáng)度的影響可以為評價混凝土抗裂設(shè)計、提高其設(shè)計壽命提供依據(jù),為混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性提供參考。

1 混凝土徐變破壞試驗研究

1.1 原材料與配合比

試驗采用重慶金井源建材廠生產(chǎn)的32.5級的普通硅酸鹽水泥，中砂、（5～20）m粒徑的碎石，混凝土的配合比0.48∶1∶1.47∶2.74（水∶水泥∶河沙∶碎石）。

1.2 試件與加荷裝置

彎曲受拉試件采用尺寸為100mm×100mm× 100mm試件，目前徐變試驗的加荷載主要有彈簧式液壓儀、杠桿式拉伸徐變儀等，但都并不能很好地適用混凝土試件彎曲下的徐變變形測量。本文自行設(shè)計了一個簡單、較可靠的加載裝置。如圖1所示。

圖1 徐變試驗加載裝置及控制系統(tǒng)

1.3 持荷水平

混凝土在較低的持續(xù)應(yīng)力水平以下需要持荷數(shù)月甚至數(shù)年才發(fā)生破壞，而目前加荷的液壓試驗機(jī)不能進(jìn)行長時間的持荷，本次徐變破壞采用應(yīng)力強(qiáng)度因子（σc/fc）0.8以上的持荷水平，σc為持荷應(yīng)力，fc為短期荷載下的混凝土強(qiáng)度，應(yīng)力水平σc/fc分別為0.8，0.0.85，0.90，0.95進(jìn)行試驗。

1.4 試驗設(shè)計

在通過短期強(qiáng)度試驗得到本次試驗混凝土試件的抗壓強(qiáng)度fc后，采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗試驗機(jī)，最大荷載為1000kN。RMT-150C試驗系統(tǒng)，分別對4組試件進(jìn)行混凝土分別在 80%，85%，90%，95%強(qiáng)度下的持續(xù)荷載抗壓試驗。在荷載達(dá)各應(yīng)力水平后維持穩(wěn)定不變，觀察混凝土在持續(xù)荷載下的破壞形式和記錄破壞時間；如若試件經(jīng)歷2h的持續(xù)相應(yīng)荷載仍未破壞，再以1kN/s的恒力控制加載直至試件破壞，記錄破壞時間與經(jīng)過持荷后破壞的極限強(qiáng)度。

2 抗壓徐變破壞試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞時間

本試驗的結(jié)果表明，在持續(xù)荷載作用下，試件的徐變破壞時間普遍存在明顯的離散性，為此，采用每組試件的平均破壞時間作為試驗結(jié)果。如附表。

附表 各持荷水平下徐變破壞時間 min

從附表可以看出高持續(xù)荷載下的混凝土在低于其抗壓強(qiáng)度時就會發(fā)生破壞。在95%單軸抗壓強(qiáng)度的荷載下混凝土在大約經(jīng)過6min左右就發(fā)生破壞。而在90%抗壓強(qiáng)度下混凝土的破壞時間在64 min左右。由于本文單軸抗壓徐變試驗中的加載采用液壓機(jī)，不能進(jìn)行長時間的加載，只設(shè)計了為期2 h的持荷時間。試驗還觀察到，在2h相應(yīng)的恒定的荷載下如果試件未發(fā)生破壞，以1kN/s的恒力控制加載后，試件破壞的時間低于短期強(qiáng)度試件組的破壞時間，破壞的極限強(qiáng)度也低于混凝土的抗壓強(qiáng)度。應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，破壞時間越短，強(qiáng)度也越低。這表明在持荷過程中混凝土的變形在增加，損傷在發(fā)展，導(dǎo)致在低于其短期抗壓強(qiáng)度試件就發(fā)生破壞。

2.2 受壓徐變變形

采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗機(jī)控制系統(tǒng)得到以位移表示的變形與持荷時間的關(guān)系，如圖2。

從圖2看出混凝土的徐變變形大致分為三個階段，在前期變形增長較快，隨著時間的增加變形的增長速率放慢。經(jīng)過較長時段的持荷后，變形開始急劇增加。增長速率也成不收斂性。混凝土徐變變形在高持續(xù)荷載下表現(xiàn)為非線性。同時通過比較90%荷載水平以上與以下的徐變變形曲線，可以認(rèn)為上文的徐變破壞在低于90%荷載水平的破壞發(fā)展趨勢是合理的。即在80%、85%荷載水平下的混凝土也會發(fā)生徐變破壞。其荷載越高，破壞時間越短。

圖2 不同持續(xù)荷載下的抗壓徐變變形曲線

眾多試驗與理論均表明，高持續(xù)荷載的混凝土徐變歷經(jīng)三個階段（圖3）：穩(wěn)定的徐變階段、徐變減速階段、徐變加速階段。在徐變加速階段，高應(yīng)力下混凝土的微裂縫不斷地擴(kuò)展，微裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生損傷，形成宏觀的裂縫，這一階段的徐變變形隨時間增加繼續(xù)增加，且徐變的增加速率迅速變大，不再收斂，混凝土結(jié)構(gòu)也發(fā)生破壞。此時混凝土徐變變形表現(xiàn)為非線性。

圖3 較高荷載下混凝土的徐變破壞

根據(jù)徐變變形的三個階段，可將混凝土在高持續(xù)荷載下的應(yīng)變表示為：

式中 εcl（t，σ）——加載初期可恢復(fù)的遲后彈性變形和由荷載作用下混凝土凝膠空隙中水的流動產(chǎn)生的不可恢復(fù)流動變形，為線性徐變；

εcn（t，σ）——混凝土徐變減速階段非線性徐變，它主要與微裂紋的擴(kuò)展有關(guān)。

εd——混凝土第三階段的變形，它主要為損傷變形。

根據(jù)鮑爾次曼(LBolztmna)迭加原理，線性徐變εcl（t，σ）可以采用以下公式計算。

式中 φ（t，τ）——徐變系數(shù)。

σ（τ）——t時刻作用于混凝土單軸常應(yīng)力。

E（τ）——彈性模量。

目前亦認(rèn)為疊加原理也適用于非線性徐變的計算，通過一些改進(jìn)與調(diào)整（如隨齡期調(diào)整有效模量法）將非線性問題轉(zhuǎn)為線性問題來計算混凝土的非線性徐變。

混凝土的徐變破壞過程是大量微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和相互作用，直至形成宏觀裂紋并發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致的。當(dāng)混凝土承受荷載時，材料內(nèi)會累積應(yīng)變能；荷載越高，應(yīng)變能越大。當(dāng)應(yīng)變能超過一定限度后，導(dǎo)致混凝土的損傷破壞。損傷變量D定義為材料中發(fā)生破壞的微單元數(shù)量 NF與總單元N的比值，根據(jù)Lemaitre的損傷力學(xué)理論，混凝土等脆性材料的本構(gòu)關(guān)系可以表示為：

可假設(shè)混凝土單元強(qiáng)度P服從 Weibull分布，可將（3）中的D表示為：

式中F為材料微單元強(qiáng)度。

根據(jù)（4）可以得到單軸持續(xù)荷載下混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

3 結(jié)論與展望

混凝土在持續(xù)高荷載下會發(fā)生徐變破壞，荷載越高，破壞時間越短，破壞時間具有離散性；在較高的持續(xù)荷載下混凝土的徐變具有依時性，應(yīng)力水平超過0.80fc，徐變急劇增加。即使荷載不增加，變形仍然繼續(xù)增加，荷載水平越高，變形增加得越快越高。經(jīng)過一段穩(wěn)定荷載的持續(xù)時間后混凝土破壞，徐變變形表現(xiàn)為非線性。

由于只進(jìn)行了強(qiáng)度因子在0.8以上的混凝土受壓徐變試驗，對于在多大荷載水平下混凝土將發(fā)生破壞，其變形呈非線性，文中試驗并不能確定，而這是工程設(shè)計中關(guān)心的問題。高持續(xù)荷載下混凝土徐變破壞試驗僅對初步混凝土徐變變形及破壞進(jìn)行試驗研究，今后還需要進(jìn)一步的試驗與理論研究，分析高持續(xù)荷載下混凝土破壞的機(jī)理。

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