粗骨料最大粒徑對混凝土受早期擾動后力學性能的影響

潘慧敏，左建航，宋嶸杰

(燕山大學,河北省土木工程綠色建造與智能運維重點實驗室，秦皇島 066004)

0 引 言

普通混凝土由硬化水泥漿體、界面過渡區(ITZ)和骨料組成，作為典型的各向異性復合材料，混凝土強度在很大程度上取決于界面過渡區的性能[1]。當前我國基礎設施建設正在加快，為保證工程進度及連續性，混凝土結構在澆筑完畢到完全硬化的這一階段，有可能受到振動擾動的影響，如沖擊打樁振動、爆破開挖振動及列車振動等。這些振動擾動可通過對新澆筑混凝土界面過渡區的微觀結構造成破壞，進而影響混凝土的力學性能[2]。針對混凝土受擾動影響的問題，潘慧敏等[3]通過模擬振動擾動，研究了混凝土力學性能受擾動的影響。研究發現，混凝土受到40 min的持續擾動后，抗折強度較基準混凝土最多降低了30%，擾動對貫入阻力值為10.7～14.8 MPa時的混凝土強度影響最大。Zhang等[4]研究了爆炸引起的振動對新澆筑混凝土的影響，認為爆破時的養護時間決定了振動對混凝土強度的影響程度。蔣正武等[5]的研究表明，車橋耦合振動會導致新澆筑混凝土的密實度和均勻性降低。Kwan等[6]通過試驗研究表明，進行橋面加寬施工時，車輛荷載產生的擾動使未硬化混凝土的裂縫寬度超過了0.2 mm。以上研究表明，早期擾動會對混凝土性能產生不利影響。

綜上，目前對受擾混凝土的研究大多集中在單一骨料級配混凝土，然而實際工程中混凝土的粗骨料尺寸可能存在較大差別，其對混凝土受擾性能的影響目前尚未見報道。因此有必要了解粗骨料尺寸不同的情況下，早期擾動對混凝土性能的影響程度是否一致?；诖?，通過對不同骨料級配的混凝土施加早期振動擾動，研究了粗骨料最大粒徑對混凝土受擾動影響的程度，以期為受擾混凝土的性能評價提供一定的理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

膠凝材料為秦皇島淺野水泥廠生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，粗、細骨料分別采用秦皇島當地連續級配的破碎石灰石和天然河砂，水為飲用水。其中，各組粗骨料粒徑級配嚴格按照JGJ 52—2006《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》進行篩分配制，各組不同粒徑區間百分比組成如表1所示，天然河砂主要物理性能指標如表2所示。

表1 粗骨料粒徑區間百分比組成Table 1 Percentage composition of coarse aggregate size range

表2 天然河砂主要物理性能指標Table 2 Main physical properties of natural river sand

1.2 試驗方法

試驗所取粗骨料均為連續級配，粗骨料最小粒徑5 mm，最大粒徑分別為：10 mm、16 mm、20 mm、25 mm、31.5 mm。根據粗骨料尺寸區間對試件進行編號：Ⅰ(5～10 mm)、Ⅱ(5～16 mm)、Ⅲ(5～20 mm)、Ⅳ(5～25 mm)、Ⅴ(5～31.5 mm)。成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的抗壓試件和100 mm×100 mm×400 mm的抗折試件，每組6個，3個受擾動，3個不受擾動作為基準試件。

借助DC-1000-15蘇試水平電動振動臺對試件進行擾動，擾動頻率15 Hz，振幅4 mm，擾動持續時間40 min，擾動形式為正弦振動。采用電子數顯貫入阻力儀對混凝土強度進行監測，參考文獻[3]，選取擾動影響最大的齡期區間(即貫入阻力值為10.7～14.8 MPa)作為擾動階段。擾動結束后，將試件標準養護至 28 d，對混凝土進行超聲波波速測試和抗壓強度、抗折強度測試。對試件進行破碎取樣后，通過掃描電鏡(SEM)試驗和壓汞試驗對試件進行微觀結構分析。

1.3 混凝土配合比

混凝土強度等級為C40，坍落度控制在90～110 mm。參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行配合比設計，各組混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.4 評價方法

1.4.1 強度降低系數

依據GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對混凝土試件進行抗壓強度和抗折強度測試，根據式(1)計算抗壓強度和抗折強度降低系數，以評價擾動對不同粗骨料最大粒徑的混凝土力學性能的影響。

(1)

式中:Lf為混凝土試件強度降低系數；f0為基準混凝土試件強度；f1為受擾動后的混凝土試件強度。

1.4.2 受擾損傷因子

為評價早期擾動對不同粗骨料最大粒徑的混凝土造成的損傷程度，定義混凝土受擾損傷因子D(%)，根據式(2)計算。

(2)

式中:vt為受擾混凝土超聲波波速；v0為基準混凝土超聲波波速。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度與抗折強度

根據式(1)計算受擾混凝土試件的抗壓強度和抗折強度降低系數，得到粗骨料最大粒徑不同時，早期擾動對混凝土28 d強度的影響程度，如圖1所示。由圖1可以看出，擾動使各組混凝土試件的抗壓強度和抗折強度較基準混凝土下降。這是由于凝結硬化期間，混凝土界面過渡區粘結強度尚未完全形成，擾動影響了水泥的水化反應，進而使膠凝材料和骨料之間產生裂縫和錯位，表現為強度降低。相較抗壓強度，抗折強度的降低尤其顯著，說明早期擾動對混凝土抗折強度的影響更大。

由圖1還可以看出，粗骨料最大粒徑不同，受擾混凝土強度的降低程度也不同。其中，Ⅱ組試件(粗骨料最大粒徑16 mm)受擾動影響最大，擾動使混凝土抗壓強度降低18.5%，抗折強度降低30.0%，說明此組混凝土的界面過渡區受擾動影響最大。而擾動對Ⅲ組試件(粗骨料最大粒徑20 mm)混凝土強度的影響較小，受擾后的抗壓強度僅下降4.9%，抗折強度下降9.2%，均在10.0%以內。說明本試驗條件下，粗骨料最大粒徑為20 mm的混凝土界面過渡區強度最高，對早期擾動的敏感度最低。

圖1 粗骨料最大粒徑對受擾混凝土28 d強度的影響Fig.1 Influence of the maximum size of coarse aggregate on the 28 d strength of disturbed concrete

2.2 損傷因子

研究表明，超聲波振幅的衰減及波形畸變可以反映材料內部缺陷，故超聲波法可測量損傷或破壞的程度。根據式(2)計算不同粗骨料最大粒徑混凝土的受擾損傷因子，得到不同混凝土試件受擾動后的損傷程度，如圖2所示。由圖2可知，擾動使混凝土試件超聲波波速較基準混凝土有不同程度的降低。說明混凝土在受擾后，內部缺陷較基準混凝土增多，密實度下降。

圖2 粗骨料最大粒徑對混凝土受擾損傷因子的影響Fig.2 Influence of the maximum size of coarse aggregate on the disturbed damage factors of concrete

由圖2還可以看出，粗骨料最大粒徑不同，混凝土受擾損傷因子也存在一定差異。粗骨料最大粒徑為16 mm時，混凝土受擾損傷因子最大，達到了11.7%。說明擾動使此組混凝土內部產生了不可彌合的微裂紋，對混凝土性能產生了顯著的不利影響。粗骨料最大粒徑為20 mm時，混凝土受擾損傷因子最小，僅為2.4%，說明此組混凝土的界面過渡區強度基本未受到擾動的影響，這與擾動對混凝土抗壓強度、抗折強度的影響是一致的。

2.3 SEM和壓汞試驗結果分析

混凝土宏觀力學性能是其微觀結構的宏觀表現，為進一步探究擾動對混凝土內部微觀結構和孔隙的影響，試驗選取了受擾動影響最大的Ⅱ組和最小的Ⅲ組試件與基準混凝土進行對比，采用掃描電子顯微鏡對混凝土試件的微觀結構進行了觀察，圖3為各組混凝土典型SEM照片。

觀察圖3可知，基準試件微觀形貌平整均勻，Ⅱ組受擾試件內部出現了很明顯的貫穿裂縫，說明早期擾動影響了水泥的水化反應過程，對已形成的界面過渡區結構造成了不可恢復的破壞。而Ⅲ組受擾試件的內部微觀形貌特征與基準試件差異很小，內部微裂紋數量未見明顯增多，且裂紋非常細小。

圖3 混凝土SEM照片Fig.3 SEM images of concrete

孔結構是混凝土微觀結構的重要構成部分，本試驗利用高性能全自動壓汞儀測定混凝土的孔結構參數，對比分析了Ⅱ組和Ⅲ組試件混凝土的孔結構特征。所測樣品數據參數如表4所示，孔徑和累積侵入汞體積關系如圖4所示。

由表4可知，相對基準試件，早期擾動使混凝土堆積密度減小，平均孔容、平均孔面積和孔隙率變大。由圖4可知，Ⅱ、Ⅲ組受擾試件的累積侵入汞體積均大于基準試件，且第Ⅱ組受擾試件的累積侵入汞體積遠大于第Ⅲ組受擾試件。

圖4 壓力與累積孔體積關系圖Fig.4 Relationship between pressure and cumulative pore volume

表4 Ⅱ、Ⅲ組壓汞實驗數據參數Table 4 Group Ⅱ and group Ⅲ mercury injection experimental data parameters

SEM分析和壓汞測試結果均表明，混凝土受擾后裂縫和孔隙增多，孔隙率增大，結構密實性變差，且第Ⅱ組(粗骨料最大粒徑16 mm)混凝土微觀形貌和孔隙結構受擾動的影響最大，這也佐證了前述擾動對混凝土宏觀力學性能影響的結果。

2.4 討 論

本試驗中混凝土的宏觀力學性能和微觀結構觀測結果均表明，早期擾動對混凝土性能產生了不同程度的影響。其原因是，凝結硬化期的混凝土正處于從塑性體向固體轉化的階段，Ca(OH)2晶體與C-S-H凝膠體逐漸生成，但界面過渡區強度還較低。界面是整個混凝土結構的薄弱區，擾動力會使部分已形成的凝膠結構發生破壞，形成局部裂隙，從而使混凝土的后期力學性能有所降低。

粗骨料最大粒徑不同，擾動對混凝土性能的影響程度也不同。本試驗第Ⅱ組(粗骨料最大粒徑16 mm)試件受擾動影響程度最大，這種現象可以解釋為，界面過渡區圍繞在粗骨料周圍，粗骨料粒徑越小，界面過渡區所占混凝土總體積的百分比就越大[14]，受擾動的影響程度也就越大。而粗骨料粒徑變大時，粗骨料對主裂紋界面的橋接作用增大，混凝土發生斷裂破壞的路徑會變得更為曲折，需要消耗更多擾動能量用于裂縫的擴展[13]，故在本試驗中第Ⅲ組(粗骨料最大粒徑20 mm)混凝土受擾動的影響程度較小。但粗骨料尺寸進一步增大后，具有較大慣性力的粗骨料下沉，混凝土均勻性變差[15]，骨料與水泥漿基體的結合面中會產生更多的缺陷，粘結力降低，界面過渡區變得脆弱，骨料的內鎖和橋接作用下降，斷裂能降低[16]，因此抵抗外界擾動的能力也隨之下降。故在相同擾動試驗條件下，第Ⅳ、Ⅴ組混凝土試件受擾動的影響程度也較大。

3 結 論

(1)擾動使各組混凝土試件的抗壓強度和抗折強度較基準混凝土下降，抗折強度降低尤為顯著。粗骨料最大粒徑不同，受擾混凝土強度的降低程度也不同。

(2)粗骨料最大粒徑為16 mm時，擾動使混凝土抗壓強度降低18.5%，抗折強度降低30.0%，混凝土受擾損傷因子最大,達到了11.7%，對早期擾動的影響最敏感；粗骨料最大粒徑為20 mm時，混凝土強度受擾動影響較小，抗壓強度僅下降4.9%，抗折強度下降9.2%，受擾損傷因子最小,僅為2.4%，對早期擾動的敏感度最低。

(3)SEM分析和壓汞測試結果均顯示混凝土受早期擾動后裂縫和孔隙增多，粗骨料最大粒徑16 mm的混凝土微觀形貌和孔隙結構受擾動的影響最大，佐證了擾動對混凝土宏觀力學性能影響的結果。