沖擊荷載下的新澆混凝土損傷特性及強度試驗研究

劉 彬，陽生權(quán)，姚悟聞

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

沖擊荷載下的新澆混凝土損傷特性及強度試驗研究

劉 彬，陽生權(quán)，姚悟聞

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

以新澆混凝土養(yǎng)護過程會受到各類工程振動的作用與影響為工程背景，結(jié)合靜載試驗與沖擊動載試驗，得出沖擊荷載影響下新澆混凝土的強度隨齡期的變化規(guī)律。通過基于Weibull分布的統(tǒng)計損傷模型得出混凝土關(guān)于齡期的動態(tài)損傷本構(gòu)模型。采用SHPB壓桿裝置進(jìn)行混凝土試件破壞試驗，得出在混凝土不同齡期的沖擊動載下，混凝土抗壓強度與靜載下抗壓強度的比值均為2:1左右；隨著齡期的增長，混凝土試件受沖擊破壞的破碎程度越來越小。采用SHPB壓桿裝置對不同齡期的混凝土做加載損傷試驗，得出了沖擊荷載下混凝土最薄弱齡期區(qū)段及其強度降低率達(dá)到峰值的齡期。

沖擊荷載；齡期；抗壓強度；損傷模型；SHPB壓桿

對于新澆混凝土受沖擊影響的試驗，目前已有學(xué)者從不同的角度建立了不同的物理模型和理論模型進(jìn)行研究[1-3]。單仁亮等[4]利用預(yù)埋件對不同齡期的混凝土進(jìn)行拉拔試驗，并得出12～24 h為混凝土受爆破荷載影響最大的齡期區(qū)段。盧文波等[5-6]從安全震動速度的角度，結(jié)合各個齡期下的允許極限拉應(yīng)變進(jìn)行理論推導(dǎo)，開創(chuàng)性地奠定了關(guān)于新澆混凝土安全震速的理論基礎(chǔ)，使新澆大體積混凝土的安全震動速度不再局限于僅以工程經(jīng)驗的總結(jié)來確定。胡振峰等[7]從損傷學(xué)的角度針對隧道初支的噴射混凝土建立了有限元模型，確定了混凝土容許損傷值以內(nèi)最大炸藥用量。

1 新澆混凝土動載下影響機理分析

工程振動引起的彈性波在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律不同，對同一批新澆混凝土成型過程中，不同時期所產(chǎn)生的影響也必然不同。混凝土是由膠凝材料、氣孔、粗細(xì)骨料以及游離水分等成份經(jīng)拌合而成的不均質(zhì)體，隨著混凝土的凝結(jié)硬化，混凝土的強度越來越高，各成份的占有率也會發(fā)生改變：晶體、膠體占有率增大，游離水分以及氣孔占有率減小。由于短齡期階段的混凝土中游離水分、氣孔等成份占有率較大，集料間膠結(jié)能力較差，混凝土處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

混凝土的凝結(jié)硬化過程中，不可避免地伴隨有原生微孔洞和原生微裂紋。從損傷力學(xué)的角度來看，混凝土的破壞可以被看做是一個從原生微裂縫、體積元的破壞、宏觀裂紋的產(chǎn)生、裂紋的發(fā)展與失穩(wěn)直至破壞的演化過程。

在新澆混凝土成型過程中，受動載作用時易產(chǎn)生不同程度的微裂縫，隨著膠結(jié)力的增大，這些微裂縫使骨料不能正常凝結(jié)，從而影響不斷致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致成型后的混凝土強度達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，通過混凝土沖擊破壞試驗以及損傷試驗，找出混凝土受沖擊動載最薄弱的齡期區(qū)段，對提高混凝土的工程質(zhì)量具有重要意義。

2 新澆混凝土基于齡期的動態(tài)損傷本構(gòu)模型

由于混凝土材料在工程中的運用非常廣泛，針對不同的工程特性與力學(xué)特性要求，應(yīng)采用不同的數(shù)學(xué)物理方法，以及不同的角度來建立混凝土的本構(gòu)模型。對于混凝土動態(tài)本構(gòu)模型的研究大體分為兩類，一是從微觀的角度出發(fā)，以能量守恒與轉(zhuǎn)換建立模型；二是進(jìn)行大量試驗，通過擬合試驗數(shù)據(jù)得到動態(tài)本構(gòu)模型的經(jīng)驗公式。但這兩種研究方法都具有一定的局限性，前者參數(shù)較多，難以確定；后者存在人為因素，不具有代表性。

若將混凝土試塊劃分為若干個微元體，從宏觀角度看，微元體可視為質(zhì)點；從細(xì)觀角度看，微元體又足夠大，是包含各種微孔洞、微裂紋的損傷體。分析時，假設(shè)微元破壞前服從胡克定律，即應(yīng)力-應(yīng)變呈線彈性，破壞后不再具備承載能力；并假設(shè)各微元體沖擊強度服從概率統(tǒng)計分布，由于Weibull概率分布的取值范圍和均值特點滿足混凝土沖擊破壞統(tǒng)計特征，所以可假設(shè)其概率密度函數(shù)p(F)服從以m和F0為參數(shù)的二參數(shù)Weibull分布，即

式中：p(F)是混凝土強度為F時微元體的破壞概率；

m為混凝土巖石脆性參數(shù)；

F為混凝土微元強度隨機分布變量；

F0為混凝土的宏觀平均強度。

定義損傷變量D為混凝土中已破壞微元數(shù)Nf與總微元數(shù)N之比，即

因此在區(qū)間[F,F+dF]內(nèi)已被破壞的混凝土微元數(shù)為Np(F)dF。當(dāng)加載到F時，已破壞的微元數(shù)

將式（1）和（3）代入式（2），得到損傷變量

由于混凝土損傷體服從統(tǒng)計學(xué)概率分布的統(tǒng)計損傷模型，結(jié)合黏彈性模型，故可簡化為損傷體與黏性體并聯(lián)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 混凝土微元體黏彈性損傷模型Fig. 1 A viscoelastic damage model of concrete in fi nitesimal elements

由并聯(lián)體的特性可知，組合體總應(yīng)變等于各分應(yīng)變，組合體總應(yīng)力等于二者應(yīng)力疊加，即可得出混凝土損傷本構(gòu)模型

式中：σ為沖擊強度；

E為彈性模量；

ε為應(yīng)變；

η為黏性系數(shù)；

t為時間。

對于不同齡期的混凝土，微元體之間的黏結(jié)程度不同，其黏性系數(shù)η也不同。王世鳴等[8]提出混凝土不同齡期的黏性系數(shù)η可以通過超聲波無損檢測技術(shù)來獲取，并通過試驗得出超聲波在不同頻率下的縱波波速與齡期的關(guān)系，其黏性系數(shù)η與齡期的關(guān)系為η=0.045exp(0.01t)（其中t為時間，d）。將黏性系數(shù)η代入式（5）可得出混凝土基于齡期的動態(tài)損傷模型，即

式中εm為峰值應(yīng)變。

3 不同齡期混凝土的沖擊強度試驗

3.1 試驗準(zhǔn)備

本文參照一般工程背景下的實際狀況，對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行如下基本簡化與假設(shè)：

1）將工程振動簡化為一次性沖擊振動；

2）假設(shè)混凝土試塊受載面為均勻、連續(xù)且各向同性；

3）忽略混凝土結(jié)構(gòu)形式的影響，僅研究其力學(xué)效應(yīng)的相似性，僅考慮特定尺寸下混凝土的動力響應(yīng)。

材料選用C20混凝土，模具選用直徑為50 mm、高50 mm的圓柱形波紋管，混凝土配合比如表1所示，最大骨料直徑小于12 mm。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程稱量、拌合、攪拌、振搗、拆模、養(yǎng)護。為消除試驗時應(yīng)力集中的情形，澆筑4 h后采用M7.5水泥砂漿進(jìn)行兩端抹面，以控制試件平整度。混凝土試件樣品如圖2所示。

表1 混凝土砂漿配合比Table 1 Mortar mixture ratios of concrete

圖2 混凝土試件Fig. 2 Concrete specimens

3.2 試驗過程

SHPB沖擊試驗主要過程如下：

1）按照配合比制備好混凝土試塊，端部平整，正常養(yǎng)護、拆模，分組標(biāo)號，測得基本物理特征參數(shù)；

2）檢查示波器、應(yīng)變儀、高速攝像機、PC端是否正常，確保能正常進(jìn)行試驗；

3）在兩桿相應(yīng)位置用砂紙打磨、酒精擦拭后粘貼應(yīng)變片，并使用電阻表檢查應(yīng)變片粘貼質(zhì)量；

4）開啟氣瓶閥門，調(diào)節(jié)工作氣壓；

5）將錐形沖頭回推至相應(yīng)位置；

6）將試塊放置在透射桿與入射桿之間，試塊與桿端盡量對齊以避免偏壓現(xiàn)象，必要時需涂抹潤滑劑確保試塊與桿端緊密接觸；

7）將示波器調(diào)試至待觸發(fā)狀態(tài)，確保采集系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒；

8）分別打開組合閥，將氣壓輸入缸內(nèi)后關(guān)閉組合閥；

9）啟動發(fā)射閥門，保存電波數(shù)據(jù)，收集破壞試樣。

試驗采用分離式SHPB壓桿裝置，如圖3所示。采用高壓氮氣為動力發(fā)射沖頭、入射桿和透射桿直徑均為50 mm，兩桿分別貼兩個應(yīng)變片，連接示波器采集入射波、反射波以及透射波。

圖3 SHPB壓桿裝置Fig. 3 SHPB strut devices

在SHPB壓桿試驗中，如果氣壓調(diào)至過大、沖頭調(diào)至過遠(yuǎn)、沖擊速度過大則會導(dǎo)致試塊粉碎性破壞，得出的數(shù)據(jù)及結(jié)論不準(zhǔn)確；若氣壓過小、沖頭離入射桿過近、沖擊速度過緩則難以觸發(fā)應(yīng)變產(chǎn)生電波信號。由于早期混凝土強度較低，骨料與水泥漿之間連接不緊密，故在進(jìn)行沖擊試驗時難以控制臨界入射能的大小。并且，在進(jìn)行SHPB沖擊試驗時，混凝土試塊在沖擊前后是否能達(dá)到應(yīng)力平衡是試驗進(jìn)行的關(guān)鍵。對1～3 d的混凝土進(jìn)行了氣壓平衡測試，并得出最小氣壓下應(yīng)力平衡曲線，如圖4所示。

圖4 早齡期混凝土最小氣壓下應(yīng)力平衡曲線對比Fig. 4 Comparison between stress equilibrium curves of early age concrete under small pressures

由圖4可以看出，隨著齡期的增長平衡曲線越來越穩(wěn)定，入射應(yīng)力與反射應(yīng)力偏移越來越小。1 d齡期與2 d齡期的混凝土試塊在小氣壓（保證紡錘形沖頭能正常沖出的最小氣壓）沖擊下，入射應(yīng)力與反射應(yīng)力存在較大偏差，平衡性較差，從而得出的應(yīng)力-應(yīng)變等曲線誤差較大。而3 d齡期的混凝土試塊在小氣壓下的平衡曲線無偏移現(xiàn)象，透射應(yīng)力平穩(wěn)持續(xù)，效果較好。所以，可選擇在第3 d對混凝土試塊進(jìn)行最小沖擊齡期的SHPB沖擊破壞動載試驗。

本試驗同時制作兩批試塊共69個，第一批次6組試塊，每組8個。每組試件在齡期為1, 2, 3, 7, 14,28 d時采用霍普金森桿進(jìn)行沖擊試驗和靜載抗壓試驗。每個齡期選2個試件調(diào)試氣壓，用于確定臨界入射能。每個齡期選取3個試件，施加100%的臨界入射能，使其處于臨界破壞狀態(tài)，采集入射波、反射波以及透射波，動載下典型的波形如圖5所示。每個齡期選取3個試塊用剪切流變儀進(jìn)行靜載抗壓試驗，控制加載速度為5 N/s，測得其靜載抗壓強度。

圖5 一維應(yīng)力波示意圖Fig. 5 A sketch map of one dimensional stress waves

第二批次7組試塊，每組3個。其中6組試塊分別在齡期為0.5, 1, 2, 3, 7, 14 d時采用霍普金森桿施加50%～70%臨界入射能進(jìn)行沖擊加載，使其產(chǎn)生一定損傷，然后繼續(xù)養(yǎng)護至28 d。第7組試塊無沖擊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，留作對比組。28 d時，每組試塊用剪切流變儀進(jìn)行靜載抗壓試驗，控制加載速度為5 N/s，記錄其靜載抗壓強度。SHPB壓桿損傷后的試件具有端部效應(yīng)，即端部破壞嚴(yán)重，見圖6a；28 d齡期靜載破壞的試件從中部開裂，開裂方向由內(nèi)而外，裂片呈錐形，見圖6b。

圖6 沖擊損傷試件與靜載破壞后的試件Fig. 6 Impact damage test specimen and those undergoing static load failures

4 試驗結(jié)果分析

4.1 早齡期混凝土靜載、動載破壞試驗分析

對不同齡期混凝土進(jìn)行靜載、動載破壞試驗，測量其力學(xué)參數(shù)，試驗結(jié)果如表2所示。

通過對比表2中混凝土不同齡期的靜載試驗數(shù)據(jù)可以得出，0～3 d內(nèi)，混凝土抗壓強度從0 MPa增長至6.9 MPa；而到第7 d，混凝土強度為9.0 MPa；至第14 d，混凝土強度為14.3 MPa；終凝強度為18.6 MPa。由此可知，0～3 d為混凝土強度增長最快速的時期，此時的混凝土水灰比減少，水化反應(yīng)強烈，微結(jié)構(gòu)中界面過渡區(qū)的孔隙體積與尺寸快速減小，從而導(dǎo)致其強度快速提升。而在3～7 d齡期，水化反應(yīng)減弱，結(jié)晶不良的C-S-H和固態(tài)氫氧化鈣、次生鈣礬石開始填充于大鈣礬石與各類晶體構(gòu)架的孔隙之間，骨料與水泥漿之間的過渡區(qū)開始逐漸密實。7 d以后，水化反應(yīng)進(jìn)入后期，強度增長緩慢，隨著混凝土齡期的增長，界面過渡區(qū)的強度開始超越砂漿本體強度。而混凝土彈性模量的增長速率相對穩(wěn)定，即使混凝土齡期達(dá)到14 d，水化反應(yīng)進(jìn)入后期，彈性模量仍保持穩(wěn)定增長，14～28 d齡期內(nèi)彈性模量從4.96 GPa增長到8.11 GPa。

表2 不同齡期混凝土靜載、動載破壞試驗結(jié)果Table 2 Impact compressive strength of concrete under static load and dynamic load during different curing periods

眾所周知，混凝土為準(zhǔn)脆性材料，在靜載作用下其破壞特性與齡期的關(guān)系為：早齡期混凝土具有一定的黏性，隨著混凝土齡期的增大，這種黏性逐漸減小，峰值應(yīng)變無明顯變化，極限應(yīng)變逐漸變小，直至28 d時試塊呈準(zhǔn)脆性破壞。

而在沖擊動載下，混凝土的變形特征不僅取決于混凝土本身的物理特性，沖擊入射能、沖擊應(yīng)變率等都是決定性的因素。基于目前的研究，三波法是SHPB最優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方法。通過對第一批試塊進(jìn)行沖擊破壞試驗，分析入射波、反射波、透射波信號，可得動載下不同齡期時，混凝土試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖7）以及沖擊抗壓強度（圖8）。

由圖7可知，沖擊荷載下混凝土各齡期的峰值應(yīng)變較穩(wěn)定，沖擊破壞下的峰值應(yīng)變約為靜載下峰值應(yīng)變的1/2。混凝土前期由黏彈性向準(zhǔn)脆性轉(zhuǎn)變這一特性，在沖擊動載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中并無明顯體現(xiàn)。

由圖8可知，7～14 d齡期區(qū)段內(nèi)混凝土沖擊抗壓強度提升幅度較大，14～28 d齡期區(qū)段沖擊抗壓強度提升較緩。對比靜載、動載破壞試驗的數(shù)據(jù)得出：3 d齡期的混凝土沖擊動載下抗壓強度提升100%，7 d齡期混凝土沖擊動載下抗壓強度提升112%，14 d齡期的混凝土沖擊動載下抗壓強度提升121%，28 d齡期混凝土沖擊動載下抗壓強度提升95%。由此圖可知，各個同齡期的沖擊抗壓強度為其靜載抗壓強度的2倍左右，14 d齡期的混凝土沖擊抗壓強度相對靜載抗壓強度提升最大。

圖7 不同齡期混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Stress-strain curves of concrete at different ages

圖8 不同齡期的混凝土抗壓強度Fig. 8 Compressive strength of concrete during different curing periods

在SHPB壓桿破壞試驗中，通過觀察來判斷不同齡期混凝土的破壞模式，如圖9所示。

圖9 不同齡期混凝土沖擊破壞模式Fig. 9 Impact damage mode of concrete at different ages

由圖9可知，0～7 d的混凝土在受100%臨界入射能的情況下呈粉碎狀，其中0～3 d的混凝土破碎程度相對較高；7 d后的混凝土碎裂成大塊，并伴隨貫穿裂紋；28 d齡期混凝土碎裂成2～3塊，并伴隨裂紋。這表明，隨著混凝土凝結(jié)硬化過程中強度的提高，混凝土的整體性加強，受沖擊動載的臨界破壞狀態(tài)隨齡期呈現(xiàn)出不同的破壞模式。總體上，隨齡期的增長，混凝土受沖擊破壞的破碎程度越來越低。

4.2 早齡期混凝土動載損傷試驗分析

通過SHPB裝置對不同齡期的6組混凝土施加50%～75%的沖擊荷載，繼續(xù)養(yǎng)護至28 d ，測得其終凝抗壓強度與強度降低率，如表3和圖10所示，并得出受載齡期與終凝強度的關(guān)系曲線，如圖11所示。

表3 不同齡期受沖擊混凝土試塊終凝后抗壓強度與強度降低率Table 3 Compressive strength and strength reduction of concrete block with impact concrete during different curing periods

由表3和圖10～11可知，在1 d齡期以內(nèi)施加沖擊荷載，混凝土終凝抗壓強度反而高于無沖擊振動的抗壓強度，即強度降低率為負(fù)值；在1～4 d齡期內(nèi)施加沖擊荷載，其終凝強度均低于無沖擊振動時的80%，即抗壓強度降低率為20%以上，其中，1 d齡期時影響最大，強度降低率達(dá)到56.03%；14 d以后，強度降低率基本控制在5.00%以內(nèi)。這表明，1～4 d齡期為最薄弱齡期區(qū)段，在此區(qū)段若受到?jīng)_擊荷載作用，必將較大程度上影響混凝土終凝強度；4～7 d為次薄弱齡期區(qū)段。

圖10 不同齡期混凝土沖擊抗壓強度降低率Fig. 10 Impact compressive strength of concrete at different ages

圖11 受載齡期與終凝強度的關(guān)系曲線Fig. 11 Duration of loading and the fi nal setting strength

究其原因是：在0～1 d內(nèi)，混凝土試件內(nèi)水泥漿未固結(jié)，骨料與水泥漿處于游離狀態(tài)，氫氧化鈣、細(xì)沙骨料等小顆粒未完全填充在粗骨料與水泥漿之間的界面過渡區(qū)內(nèi)，在受到一定入射能的沖擊動載作用下，反而起到“搗實”的效果，使混凝土強度提高，出現(xiàn)了強度降低率為負(fù)值的情況。隨著齡期的增長，界面過渡區(qū)的介質(zhì)強度逐漸超越水泥漿基體區(qū)的強度；然而，過渡區(qū)是一個微裂紋發(fā)育區(qū)域，微裂紋的大量存在是不可避免的，也就是說，在混凝土受到外部荷載以前，其內(nèi)部過渡區(qū)就已存在微裂紋。在齡期1～4 d內(nèi)，固相體之間黏附力較弱，受到?jīng)_擊時微裂紋易發(fā)展、增多、相互貫通形成內(nèi)部裂縫，從而會對混凝土強度的發(fā)展產(chǎn)生不可避免的影響；在養(yǎng)護成型后再受到靜載壓縮作用時，內(nèi)部裂縫空隙較大、承載力較弱，在較小的外力作用下就可能產(chǎn)生宏觀裂紋，繼而導(dǎo)致試塊整體失穩(wěn)破壞。

通過不同齡期混凝土的沖擊損傷試驗，定量得出了不同齡期的混凝土受沖擊損傷對終凝強度的影響。在大型混凝土建筑物、構(gòu)筑物工程中，為了保證混凝土的強度與質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)對齡期為1～4 d的混凝土采取高級預(yù)警機制，防止其受到外力沖擊；對4～7 d的混凝土采取次級預(yù)警機制。

5 結(jié)論

通過上述研究可得如下結(jié)論：

1）不同齡期混凝土試塊在靜載與沖擊動載下的破壞試驗結(jié)果表明，在沖擊動載下不同齡期混凝土抗壓強度均為靜載下抗壓強度的2倍左右，且隨齡期的增長，在各齡期的臨界入射能下，混凝土受沖擊破壞的破碎程度越來越低。

2）新澆混凝土試塊在不同齡期施加50%～75%臨界入射能的沖擊損傷試驗結(jié)果表明，1～4 d齡期損傷的混凝土終凝強度均低于無沖擊振動時的80%，故1～4 d為沖擊荷載下最薄弱齡期區(qū)段，其中1 d齡期時強度降低率達(dá)到峰值。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

An Experimental Study on the Damage Features and Strength of Newly-Laid Concrete Under Impact Loads

LIU Bin，YANG Shengquan，YAO Wuwen
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

Taking as its background the fact that the process of the concrete curing will be under the action and in fl uence of various kinds of engineering vibrations, combined with static tests as well as dynamic tests, the change rules will be worked out of the strength of the newly-laid concrete with curing age under impact loads. The dynamic damage constitutive model of concrete can be established on the statistical damage model, which is based on Weibull distribution. It is thus concluded that the ratio between the compressive strength of concrete and the compressive strength under static loads will be 2:1, based on a comparative analysis of uniaxial compressive strength of concrete specimens under the action of impact dynamic load and static load which was carried out by the destructive test of the SHPB strut devices. With the increase of the curing age of concrete specimen impact, the degree of fragmentation of concrete specimens, which are under impact failure, is decreasing. Meanwhile, the loading test of concrete under different ages can be carried out by using SHPB devices, thus successfully obtaining the age range of the weakest age and the peak age of strength reduction of the concrete under impact loads.

impact load；curing period；compressive strength；damage model；SHPB strut

TU502

：A

：1673-9833(2017)03-0019-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.03.004

2016-12-15

湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（CX2015B492）

劉 彬（1992–），男，湖南岳陽人，湖南科技大學(xué)碩士生，主要研究方向為巖石力學(xué)，E-mail：15200359732@126.com

陽生權(quán)（1968-），男，湖南耒陽人，湖南科技大學(xué)教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)與爆破工程方面的研究，E-mail：984336908@qq.com