干燥和飽和混凝土動態力學特性及其機理*

張永亮，朱大勇，李永池，姚華彥，黃瑞源，李煦陽

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027； 3.合肥工業大學安徽土木工程結構與材料省級實驗室，安徽 合肥 230009)

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干燥和飽和混凝土動態力學特性及其機理*

張永亮1,2,3，朱大勇1,3，李永池2，姚華彥1,2,3，黃瑞源2，李煦陽2

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027； 3.合肥工業大學安徽土木工程結構與材料省級實驗室，安徽 合肥 230009)

采用分離式Hopkinson桿裝置，對混凝土進行干燥和飽和狀態下的SHPB實驗，并與準靜態實驗進行對比。結果表明：干燥和飽和混凝土均具有明顯的應變率效應，中等應變率條件下的應力應變曲線上升段比準靜態的曲線陡；飽和混凝土動態強度提高的幅度接近干燥混凝土的2倍，具有更強的應變率敏感性；存在一個應變率臨界值，僅當應變率大于臨界值時，飽和混凝土的動態強度才大于干燥混凝土的的動態強度；基于實驗結果，給出了不同飽和度混凝土強度與應變率的關系。

固體力學；臨界應變率；SHPB試驗；混凝土材料；Stefan效應

隨著混凝土含水率的增加，混凝土的力學性能發生改變，研究表明，飽和狀態下的混凝土結構在復雜受力狀態下的力學性能與干燥狀態下的差別較大[1-2]。探討飽水混凝土的力學性能對于水下爆破開挖、水中建筑物拆除、大型水下建筑物抗震安全評價等有著重要的意義。

在水環境下混凝土類材料的力學性能研究方面，目前已有一些學者開展了相關的研究，但主要局限于準靜態情況，其動態力學性能的研究方面還存在不足：P.Rossi等[3-4]討論了動態拉伸應力下混凝土中的自由水對混凝土的作用，從機制上對濕態混凝土力學性能的變化進行解釋，但對濕態混凝土的抗壓強度沒有研究；P.K.Mehta等[5]和X.H.Vu等[6]研究了多種含水率和干燥混凝土的強度特性，但僅描述了這一實驗現象，沒有深入探討水的作用機理；王海龍等[7]對比了不同加載速率條件下的干燥和飽和混凝土抗壓強度變化，但其加載速率均小于10-4s-1，仍屬于準靜態加載范疇。

材料的力學性能在應變率比較高時通常會發生較大的變化，此時建立材料的本構關系就需要考慮慣性力和應變率對材料性能的影響。目前應用于應變率在10-6～104s-1的材料試驗裝置及其測量技術已趨成熟，大口徑分離式Hopkinson裝置是實現對混凝土材料中等應變率加載的有效途徑之一，而飽和混凝土在中等應變率100～102s-1條件下壓縮加載的動態力學特性研究極少。本文中，開展干燥和飽和混凝土的沖擊壓縮動態力學特性實驗，對2種狀態混凝土在中等應變率條件下力學性能進行研究，并進行理論上的分析探討。

1 實 驗

1.1 實驗設備

靜載單軸壓縮實驗在MTS810型材料試驗機上完成。動態實驗是在?75 mm的大口徑分離式Hopkinson裝置上進行的，如圖1所示。該裝置的入射桿長5 461 mm，透射桿長3 485 mm，子彈長50 mm。輸入桿和傳送桿上貼有應變片用以記錄波形。

SHPB方法建立在2個基本假定基礎上：(1) 桿中一維應力波假定，即不考慮非軸向應力； (2) 試件均勻假定，即應力應變沿試件長度均勻分布。根據假設，有：

(1)

式中：εi(t)、εr(t)和εt(t)分別為入射波、反射波和透射波產生的應變。基于式(1)可得到如下關系：

(2)

(3)

(4)

由實驗得到輸入桿和輸出桿中的應變波形，通過式(3)～(4)可求得材料在某一應變率下的應力應變曲線，相應的應變率可由式(2)得到。

圖1 大口徑分離式Hopkinson壓桿示意圖Fig.1 Schematic diagram of large diameter split Hopkinson pressure bar

1.2 實驗材料和方法

圖2 C40混凝土試樣Fig.2 C40 concrete test specimens

MTS實驗所用試樣為?50 mm×100 mm的圓柱體，兩端表面平行度在0.05 mm以內，表面平整度在0.02 mm以內，試樣如圖2(a)所示。SHPB實驗所用試樣為?75 mm×37 mm的圓柱體，其表面平行度和平整度與靜態實驗試樣相同，試樣如圖2(b)所示。2個實驗中的試樣均分為2種狀態：(1) 干燥狀態，試樣制備好自然風干，然后開展實驗；(2) 飽和狀態，試樣在水中自由吸水至飽和后開展實驗。共開展干燥和飽和狀態的準靜態單軸壓縮實驗各5個，以及不同速率的SHPB實驗各12個。

準靜態實驗中加載速率為4×10-4s-1。SHPB實驗中，將干燥和飽和混凝土分別以4個為一組進行分批，通過調整氣壓控制加載速率，依次進行加載速率從低到高的動態沖擊壓縮實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 靜態力學特性

在準靜態加載條件下，對實驗結果取平均值，得到干燥和飽和混凝土的強度和峰值應變。實驗結果見表1，其中：σ0為平均強度，ε0為平均峰值應變。表1的結果表明：飽和混凝土的靜態強度比干燥狀態的靜態強度低約37.8%，而其峰值應變(峰值應力處的應變)小23.6%。

表1 準靜態條件下的實驗結果

2.2 動態變形特性

圖3 干燥混凝土應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of dry concrete

圖4 飽和混凝土應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of saturated concrete

為進一步對比分析相近應變率下水對混凝土動態力學特性的影響，結合實驗的加載應變率范圍，選取應變率相近的試樣數據進行分析，得到的應力應變曲線如圖5所示。從圖5可以看出，干燥和飽和混凝土的動態應力應變曲線的形狀是基本相同的，但在峰值應力之后，飽和混凝土的曲線下降較緩，這說明飽和混凝土具有一定的延性。

對有效SHPB實驗試樣的峰值應變εp進行統計，得到它們的關系趨勢線，如圖6所示。在中等應變率條件下，干燥和飽水混凝土的峰值應變均隨著應變率的增大而增大，并且飽和混凝土的峰值應變比干燥混凝土的峰值應變大，而隨著應變率的增加兩者之間的差值逐漸減小。

圖5 干燥和飽和混凝土的應力應變曲線Fig.5 Comparison of stress-strain curves of dry and saturated concretes

圖6 干燥與飽和混凝土峰值應變與應變率關系曲線Fig.6 Comparison of peak strain-strain rate curves of dry and saturated concretes

2.3 動態強度特性

(5)

(6)

圖7 干燥與飽和混凝土強度與應變率關系曲線Fig.7 Strength-strain rate curves of dry and saturated concrete

圖8 干燥與飽和混凝土動態強度與應變率擬合Fig.8 Strength-strain rate fitting curves of dry and saturated concrete

根據圖7～8可知，隨著應變率的增大，干燥和飽和混凝土強度均有提高的趨勢，其中，干燥混凝土動態強度提高了32.2%，飽和混凝土動態強度提高了72.4%，增加幅度為干燥混凝土的近2倍。這表明：不論干燥或是飽水情況，混凝土均具有明顯的應變率效應，并且飽和混凝土比干燥混凝土具有更強的應變率敏感性。

3 水對混凝土強度影響機理探討

(7)

式中：μ為液體的黏度；h為兩圓形平板的間距。動態荷載作用下的應變率就是該模型分離速度的具體表征量。該黏聚力在飽和混凝土內部裂紋表面處產生的應力為：

(8)

D.Zheng等[13]認為在低加載速率下考慮自由水的作用時，動態增強因子會大于1.0(不考慮水的作用時動態增強因子為1.0)。

圖7的實驗結果和其他實驗研究表明[6-7,14]：對混凝土類脆性材料而言,在準靜態或低加載速率下,材料在含水狀態下的強度低于干燥狀態下的強度。這與文獻[11-13]中的觀點矛盾，主要原因是文獻[11-13]中在考慮Stefan效應時沒有考慮材料的應變率臨界值，只有當應變率足夠大時，Stefan效應才能表現出來。

實際上，水對混凝土的影響可以分為2部分(如圖9所示)。

(1) 對混凝土基體的影響。

經充分浸泡后，基體由于水的作用被弱化，飽和基體的弱化效應主要是受與基體結合水的影響，若將弱化因子定義為D，D與混凝土的含水量有關，物理意義上與抗壓強度存在一定關系：

(9)

(2) 混凝土空隙或裂隙中的自由水對混凝土基體的力學作用。

飽和混凝土中的Stefan效應、楔入效應及自由水毛細作用均是由裂隙中的自由水作用產生的，各效應產生的作用力如圖10所示。楔入效應主要是由在孔隙裂隙壓密時所形成的孔隙水壓力p產生的，并且與裂紋的擴展速度有關[14-15]。在準靜態或應變率較低(見圖10(a))時，自由水能沿新形成的微裂隙繼續擴散，孔隙水壓力p不斷減小，直至消失，其影響作用包含在弱化因子中。在較高應變率條件下(見圖10(b))，楔入效應的過程極其短暫，由于裂紋的迅速擴展，因表面張力和毛細作用pc對裂隙表面的吸附，自由水不容易達到縫尖，反而以相對速率v向裂隙內運動，產生顯著的Stefan效應。自由水因黏性產生的Stefan效應阻礙裂紋的擴展。

圖9 干燥和飽和混凝土模型示意圖Fig.9 Schematic model of dry and saturated concrete

圖10 不同應變率條件下飽和混凝土裂隙中水的作用力示意圖Fig.10 Schematic force of water in saturated concrete cracks at different strain rates

水的毛細作用pc的計算公式[15]為：

(10)

式中：σ*為界面張力；ρ為裂紋寬度(毛細管的直徑)；θ為接觸角。

由圖10(b)可知，毛細作用pc作用方向平行于劈裂面，對裂紋的擴展基本沒有影響，其作用可以忽略。因此不同飽和度下混凝土的強度與應變率的關系為：

(11)

(12)

式中：a為實驗參數。在中等應變率條件下，干燥和飽和混凝土的動態強度相等時：

(13)

4 結 論

(1) 在中等應變率條件下，干燥和飽和混凝土的應力應變曲線的形狀是基本相同的，動態加載條件下的彈性模量大于靜態加載條件下的彈性模量；飽和混凝土的峰值應變比干燥混凝土的峰值應變大，隨著應變率的增加兩者之間的差值逐漸減小。

(2) 干燥和飽和混凝土均具有明顯的應變率效應，隨著應變率的提高，飽和混凝土動態強度提高的幅度為干燥混凝土的近兩倍，前者具有更強的應變率敏感性。

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(責任編輯 王小飛)

Dynamic mechanical properties of dry and saturated concretes and their mechanism

Zhang Yong-liang1,2,3, Zhu Da-yong1,3, Li Yong-chi2, Yao Hua-yan1,2,3, Huang Rui-yuan2, Li Xu-yang2

(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,Anhui,China; 2.DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China; 3.AnhuiProvincialCivilStructuralandMaterialLaboratory,SchoolofcivilEngineering,Hefei230009,Anhui,China)

We carried out SHPB tests on dry and saturated concretes using split Hopkinson and they were compared with quasi-static mechanical tests. The results show that the dry and saturated concretes produce an obvious strain rate effect: the ascending part of the stress-strain curve at moderate strain rate is steeper than that of the quasi-static curve; the increasing amplitude of dynamic strength of the saturated concrete, which has a stronger sensitivity to the strain rate, is nearly twice as that of the dry concrete; and there is a threshold of the strain rate, i.e., it is only when the strain rate exceeds this threshold that the dynamic strength of the saturated concrete becomes stronger than that of the dry concrete. Based on the experimental results, the equation showing the relationship between the concrete strength and the strain rate at different saturations is established and given.

mechanics of explosion; threshold of strain rate; SHPB experiments; concrete; Stefan effect

10.11883/1001-1455(2015)06-0864-07

2013-12-04；

2014-04-02

國家自然科學基金青年基金項目(11102205,11202206)；中國博士后科學基金項目(20100480685)

張永亮(1987- )，男，博士研究生； 通訊作者： 姚華彥，yaohuayan@163.com。

O347.3 國標學科代碼： 1301520

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