不同養護溫度下蒸養混凝土的沖擊性能

謝友均， 王 猛， 馬昆林， 龍廣成

(中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

混凝土作為最大宗基礎性工程材料，在交通基礎設施如公路、機場、高鐵軌道結構以及防護結構等工程中應用廣泛，在其服役過程中不僅承受靜態荷載，也需要承受機械沖擊等動態荷載.因此，掌握混凝土材料在沖擊荷載作用下的力學特性具有重要實踐意義.研究者們已采用了多種模擬試驗方法對混凝土動態力學性能進行研究，其中分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗方法是研究混凝土沖擊性能的常用方法之一.已有不少公開報道的研究成果涉及沖擊荷載作用下混凝土動態受壓性能[1-3]和動態拉伸性能[4-8]等的研究，并建立了相應混凝土的動態力學損傷本構模型[9-20].Li等[21]和王道榮等[22]還總結了影響混凝土動態力學性能的主要因素.

然而，這些研究主要針對普通混凝土，有關蒸養混凝土沖擊性能的研究還非常有限.蒸養混凝土廣泛用于預制構件生產，如中國高速鐵路簡支梁、軌枕、軌道板等.這些預制構件除承受自重荷載和上部荷載等靜態荷載作用外，還承受列車高速運行時的沖擊動態荷載作用.賀智敏[23]采用落錘試驗研究了蒸養混凝土的沖擊韌性，發現相較于普通混凝土，在較高溫度下養護得到的蒸養混凝土沖擊韌性更低，脆性更大.這說明蒸汽養護條件對混凝土力學性能有較大影響.因此，有必要更全面地了解和掌握蒸養混凝土在沖擊等動態荷載作用下的力學特性.

鑒于此，本文采用SHPB試驗方法，以中國高速鐵路預制軌道板用典型C60蒸養混凝土為研究對象，研究蒸養混凝土在沖擊荷載下的力學特性及其應變率效應，分析養護溫度(20～80℃)對其沖擊性能的影響規律，為優化蒸養混凝土的蒸養制度以及掌握蒸養混凝土(預制構件)的服役性能提供支持.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥(C)為中國建筑材料研究總院生產的 P.I 42.5 基準水泥.礦物摻和料采用粉煤灰(FA)和礦渣(GGBS)，粉煤灰為湖南省湘潭電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，比表面積為410m2/kg；礦渣為萍鄉鋼鐵廠新材料有限公司生產的S95級礦渣.水泥、粉煤灰和礦渣的化學組成(1)文中涉及的組成、水膠比等均為質量分數或質量比.如表1所示.粗骨料(CA)為粒徑5～ 20mm 的連續級配石灰石碎石，其中粒徑5～ 10mm 碎石占40%，粒徑10～20mm碎石占60%.細骨料為湘江河砂(S)，級配符合Ⅱ區要求，細度模數為2.88.減水劑采用聚羧酸減水劑(SP)，減水率大于20%.拌和水(W)采用自來水.混凝土設計強度為C60，水膠比mw/mb為0.30，配合比如表2所示.

表1 水泥、粉煤灰及礦渣的化學組成

Table 1 Chemical compositions of cement,FA and GGBS

w/%

表2 C60混凝土配合比Table 2 Mix proportion of C60 concretes kg/m3

1.2 試件成型及養護方案

采用強制式攪拌機來拌和混合料.將粗、細骨料和膠凝材料按順序加入攪拌機中，干拌均勻后緩慢加入水和減水劑，全部加料時間不超過2min.待水全部加入后，繼續攪拌2min.各拌和物坍落度保持在50～80mm.

將拌和物澆筑于直徑和高度均為75mm的鋼質試模和100mm×100mm×100mm的塑料試模中，分別用于制備SHPB測試和抗壓強度測試用試件.澆筑后放在振動臺上振動成型.

對澆筑成型后的試件分別進行標準養護(標養)和蒸汽養護(蒸養).標養溫度為(20±2)℃，相對濕度大于等于95%，試件成型1d后拆模，養護至28d.對于蒸養試件，試件澆筑成型后帶模放入標準養護室中靜停 2h，隨后放入蒸汽養護箱內進行蒸養，升溫速率保持在 15～ 20℃/h，恒溫時間為8h，養護溫度分別取45、60、80℃，降溫速率為15～20℃/h，試件蒸養結束后脫模，放入標準養護室中繼續養護至28d齡期.

1.3 測試方法

1.3.1抗壓強度

混凝土抗壓強度的測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，不同養護溫度下混凝土圓柱體試件28d靜態抗壓強度如表3所示.

表3 不同養護溫度下混凝土圓柱體試件28d靜態抗壓強度Table 3 28d static compressive strength of cylinder concrete specimens under different curing temperatures

1.3.2SHPB測試

采用φ75桿徑的SHPB試驗測試系統，該系統主要由發射腔、沖頭、入射桿、透射桿、能量吸收桿和數據采集系統組成.測試系統為CS-10型超動態應變儀，具有校準和自動平衡功能.按SHPB測試要求將試件加工打磨平整，厚度控制在75mm左右，端面不平整度小于0.02mm.具體測試與計算方法參見文獻[24-26].

2 結果與討論

2.1 試件破壞形態

混凝土是多物相的多孔性復合材料，其中骨料與水泥石界面和水泥石內部均存在較多的初始缺陷，如裂縫、孔隙等，這些初始缺陷是混凝土的薄弱部位，在荷載作用下，這些部位首先擴展，隨著荷載的增大，裂紋逐漸擴展并連通，形成貫通的主裂紋.混凝土的受壓破壞是其內部微裂紋形成、不斷擴展直至連通破壞的過程.圖1給出了不同應變率下 20℃ 標養和60℃蒸養混凝土的受壓破壞形式.

圖1 不同應變率下20℃標養和60℃蒸養混凝土的受壓破壞形式Fig.1 Compressive failure modes of 20℃ standard cured and 60℃ steam cured concretes under different strain rates

由圖1可知：混凝土試件在準靜態加載時的受壓破壞形式為剪切破壞；在低應變率(10-3s-1)下的受壓破壞形式兼具剪切破壞和劈裂破壞特征，試件受壓面上裂紋數量明顯增加，骨料破壞現象更為明顯，且呈現出劈裂破壞的形式，說明在低應變率范圍內，隨著加載速率的提高，裂紋不完全是沿著試件內部的薄弱部位產生、擴展并連通，而是部分裂紋直接穿過骨料形成多條主裂紋貫穿整個試件；值得注意的是，在SHPB試驗的高應變率條件下，標養和蒸養混凝土的破壞形式與準靜態、低應變速率加載條件下有顯著不同，混凝土試件在沖擊荷載作用下瞬間被破碎成小碎塊，且隨著應變率的進一步提高，混凝土試件的破碎程度更為嚴重，如 圖1(c)、(d)所示，這主要是由于當應變率較高時，混凝土內的原始缺陷來不及擴展，此時，混凝土吸收的能量主要以產生更多細小裂紋的方式被消耗，從而導致混凝土破損程度更大[27].

為了定量表征不同應變率下標養和蒸養混凝土試件的破碎程度，采用篩分試驗對各破壞試驗后粒徑9.5～0.15mm的混凝土破碎顆粒進行分析[28]，按式(1)計算各混凝土試件破碎后的顆粒細度模數Mx，并用顆粒細度模數來定量表征破碎程度.

(1)

式中：A1～A7分別為9.5、4.75、2.36、1.18、0.63、0.3、0.15mm的累積篩余.

圖2 混凝土破碎顆粒細度模數隨應變率的變化Fig.2 Variation of fineness module of broken concrete particle with strain rate

由圖2可知：隨著應變率的增加，4種養護溫度下混凝土破碎后的顆粒細度模數均顯著下降，且顆粒細度模數與應變率之間呈現較為明顯的線性關系，表明隨著應變率的增加混凝土試件的破碎程度明顯增加，碎片的平均尺寸明顯降低，從大塊的碎片向細小的碎片甚至粉末狀態轉變；在相同應變率下，混凝土破碎后的顆粒細度模數隨養護溫度升高而明顯增大，說明隨著養護溫度的升高，混凝土試件的破碎程度和破壞時所釋放的能量明顯降低，這是由于隨著養護溫度的升高，其對混凝土產生的熱損傷增大[23]，導致混凝土內部初始缺陷增多從而耗散了一部分能量，因此只需更少的裂紋擴展就可消耗剩余的能量.

2.2 應力-應變特性及其應變率效應

基于SHPB試驗測得28d齡期時4種養護溫度下的混凝土在不同應變率下的壓應力-應變(σ-ε)曲線如圖3所示.由圖3可知，與靜態抗壓強度(見表3)相比，各混凝土在沖擊荷載作用下的峰值應力σd顯著提高，且隨著應變率的增加而增大.這主要是因為：當應變率較低時，混凝土內裂紋有足夠的時間進行擴展，其在外荷載作用下吸收的能量主要用于其內部原生缺陷的擴展與貫通，此時混凝土的破壞程度較小，抗壓強度較低[29]；當應變率較高時，混凝土內的原始缺陷來不及擴展，其吸收的能量主要以產生更多細小裂紋的方式被消耗，又由于荷載作用時間極短，混凝土沒有足夠的時間來進行能量的耗散，只能通過增加應力的方式來抵消外部能量,因此在高應變率下，混凝土的破壞程度較大，抗壓強度較高[30].同時，混凝土試件的側向慣性約束作用和端部摩擦作用也會使其在沖擊荷載作用下的動態強度顯著提高[31].有研究者提出，硬化水泥漿體黏彈性特性和裂紋擴展時變特性也是引起混凝土峰值應變產生應變率效應的重要原因[32-33].

由圖3還可知，各混凝土試件峰值應力對應的應變(峰值應變)隨著應變率的增加而呈降低趨勢，這是由于隨著應變率的增加，混凝土試件在外部沖擊荷載作用下的變形沒有充分的時間響應就被完全破壞，從而表現出更為顯著的脆性破壞特征.

2.2.1峰值應力的應變率效應

對各混凝土試件峰值應力σd與應變率的關系進行作圖，見圖4.從圖4可以看出，各養護溫度下混凝土的峰值應力均隨應變率增加而增大，且兩者之間呈現較好的線性關系.為進一步建立混凝土峰值應力與應變率之間的數學關系，更好地描述沖擊荷載作用下混凝土峰值應力隨應變率和養護溫度的變化規律，引入動態增長因子(DIF)，用于量化混凝土峰值應力的應變率效應[34-35]：

(2)

式中：σs為混凝土的靜態峰值應力，MPa.

圖5給出了各混凝土試件動態增長因子與應變率的關系.由圖5可知，各試件DIF與應變率的對數之間均存在良好的線性關系，隨著應變率對數的增加，試件DIF線性增大.

對圖4、5中各混凝土試件峰值應力、DIF與應變率的關系進行擬合，結果見表4.由表4可知：隨著養護溫度的升高，擬合方程的斜率增大，即混凝土峰值應力和DIF隨應變率(對數)增加的增長速率明顯提高；20、45、60、80℃下DIF隨應變率對數的增長速率分別為1.881、2.002、2.689、3.051，表明隨著養護溫度的升高，混凝土的應變率效應增強；當養護溫度為20、45℃時，混凝土的峰值應力增長速率較為接近；當養護溫度超過60℃時，混凝土峰值應力的增長速率更為明顯，應變率效應顯著提高，說明當養護溫度超過60℃后，混凝土內部的初始缺陷增多，沖擊荷載作用下的部分能量被這些初始缺陷吸收，從而使混凝土的峰值應力表現出較強的應變率效應.

圖3 各混凝土試件的壓應力-應變曲線Fig.3 Compressive stress-strain curves of concrete specimens under SHPB test

圖4 各混凝土試件峰值應力與應變率的關系Fig.4 Relationship between peak stress of concretespecimens and strain rate

圖5 各混凝土試件動態增長因子與應變率的關系Fig.5 Relationship between DIF of concretespecimens and strain rate

2.2.2峰值應變的應變率效應

對于混凝土峰值應變與應變率關系的研究，不同學者得到的結論并不一致[2,29,36-38]，這可能是由試驗條件差異所致.在本文所測沖擊荷載作用下，各混凝土試件峰值應變εp與應變率的關系如圖6所示.由圖6可見，總體上，各養護溫度下混凝土的峰值應變隨應變率增加而呈降低趨勢，且兩者呈現較好的線性關系.通常，在荷載作用下，混凝土峰值應變由2部分組成，即彈性應變和塑性應變，當應變率增加時，塑性應變減弱，導致混凝土峰值應變隨應變率增加而顯著降低[24,39].同時，在高應變率下，混凝土中裂紋的擴展速度隨著應變率的增加而增加[38]，但是，裂紋的擴展速度遠遠小于混凝土中應力波的傳播速度[40].因此，應變對于高速的應力波產生延遲響應現象，在給定應力下的應變隨著應變率的增加而降低[41].

表4 各混凝土試件峰值應力、DIF與應變率的擬合方程Table 4 Fitting formulas for the relationship between peak stress，DIF of concrete specimens and strain rate

圖6 各混凝土試件峰值應變與應變率的關系Fig.6 Relationship between peak strain of concrete specimens and strain rate

由圖6還可知：養護溫度對混凝土峰值應變的應變率效應影響較明顯；相比于20℃，45℃和 60℃ 下混凝土在相同應變率下的峰值應變均較小；80℃養護下的混凝土在各應變率下的峰值應變則明顯降低，這可能與較高養護溫度下混凝土內物相與孔隙結構有關.養護溫度提高，水化物相晶態化傾向增加，孔隙粗化更為顯著，導致蒸養混凝土峰值應變降低，脆性增大[23].

3 考慮應變率的本構模型

3.1 本構模型的建立

不少學者基于Lemaitre的應變等價性假說和統計損傷理論，探討了混凝土的動態損傷本構模型[1,18-19,24,26].本文也基于上述理論，建立考慮應變率效應的蒸養混凝土本構模型，將混凝土在變形破壞過程中的裂紋發展視為損傷的發展，并引入損傷變量D，建立帶損傷變量的混凝土本構模型：

σ=E(1-D)ε

(3)

式中：E為混凝土彈性模量.

假定混凝土由無數個微元組成，在宏觀上，微元足夠小，微元破壞前為線彈性體，破壞后不再具有承載能力，各微元的損傷發展服從Weibull分布，損傷變量D的表達式為[26]：

(4)

式中：F0和m為與損傷分布相關的參數[25-26].

將式(4)代入式(3)即可得到考慮應變率效應(主要是參數F0，m)的混凝土損傷本構模型：

(5)

3.2 本構模型的驗證

按式(5)對混凝土沖擊荷載作用下實測的壓應力-應變曲線(圖3)進行擬合，相關系數R2如表5所示.由表5可見：各應變率下混凝土的應力-應變曲線擬合結果與試驗結果吻合良好，相關系數均達0.83以上.說明雙參數Weibull模型中的參數m和F0與混凝土受沖擊荷載過程中的力學性能密切相關.參數m反映了混凝土的脆性(或延性)性質，而參數F0則與混凝土的峰值應變及m值相關，反映其損傷程度[1,26].當F0恒定時，m越大，混凝土脆性越大，而延性越小；當m恒定時，F0越低，表示混凝土損傷程度越大.

表5 各混凝土應力-應變曲線的擬合相關系數Table 5 Fitting correlation coefficient of stress-strain curve of concretes

圖7給出了各混凝土模型參數m、F0與應變率的關系.從圖7可看出：參數m、F0與應變率之間具有良好的線性相關性，這與文獻[25-26]中的結果一致；養護溫度對參數m的影響規律不明顯；養護溫度為80℃時，在各應變率下試件的F0值相對較低，表明80℃下混凝土內部損傷較大.

圖7 各混凝土模型參數m、F0與應變率的關系Fig.7 Relationship between model parameters m,F0 of concretes and strain rate

當養護溫度超過60℃時，混凝土峰值應力的應變率效應顯著提高.當養護溫度超過80℃時，混凝土在各應變率下的峰值應變和模型參數F0明顯降低.這表明超過相應養護溫度時，混凝土內部由于熱損傷造成的初始缺陷明顯增多.因此，為降低蒸汽養護制度造成的熱傷損，建議蒸汽養護恒溫段的溫度不宜超過60℃.

4 結論

(1)采用蒸養混凝土破碎后的顆粒細度模數作為指標，可有效表征沖擊荷載作用后蒸養混凝土的破碎程度.隨著應變率的增加，混凝土破碎后的顆粒細度模數減小，破碎程度增加；隨著養護溫度的升高，蒸養混凝土的破碎程度降低.

(2)在沖擊荷載作用下，隨著應變率的增加，蒸養混凝土28d齡期時的峰值應力增大，峰值應變則降低；蒸養混凝土動態增長因子DIF與應變率的對數具有良好的線性相關性.

(3)隨著養護溫度的升高，蒸養混凝土28d齡期時的峰值應力降低，尤其是當養護溫度超過60℃(如本試驗80℃)后，混凝土峰值應力顯著降低.較高的養護溫度使蒸養混凝土表現出更強的應變率效應.

(4)本文建立的考慮應變率的蒸養混凝土本構模型擬合結果與試驗結果吻合較好，模型參數m和F0隨應變率增加均呈現較明顯的線性下降趨勢.

(5)綜合考慮蒸養過程中的熱損傷及其對蒸養混凝土沖擊性能的影響，建議蒸汽養護最高溫度不高于60℃.