干濕循環(huán)作用下路面水泥混凝土的單軸壓縮試驗研究

伊 濤

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎設施建設的重要性日益提高，交通基礎設施建設更是其中的關鍵。目前，我國公路總里程已經(jīng)躍居世界前列，基本實現(xiàn)中心城市之間的交通網(wǎng)布置。然而，路面破損，隧道滲水，橋梁裂縫等問題隨之而來。本文針對干濕循環(huán)作用下水泥混凝土路面的物理力學性質展開研究，旨在能夠為改善混凝土路面質量提供依據(jù)。

近年來，我國學者在混凝土干濕循環(huán)方面的研究成果頗豐。章偉等[1]對大溫差干濕循環(huán)作用下路面混凝土裂縫的成因進行了分析，并對泡沫混凝土的力學特進行了研究，探討了泡沫混凝土在預防裂紋產生方面的適用性。劉燕等[2]通過不同粉煤灰摻量對凍融-干濕耦合作用下混凝土的力學特性進行了研究，分析了凍融和干濕對混凝土的劣化程度。聞洋等[3]采用NMR(核磁共振)和SEM(掃描電鏡)技術對干濕循環(huán)作用下聚乙烯混凝土抵抗Cl-1離子的滲透性進行了研究。王建輝等[4]對干濕循環(huán)作用下的鐵尾礦砂混凝土耐久性進行了試驗研究，分析了干濕循環(huán)對其質量損傷率、抗壓耐腐蝕系數(shù)和超聲波速等物理性質的影響。鄭全成等[5]分析了鹽凍融和干濕交替作用下瀝青混凝土的高溫與低溫下的力學性質。

綜上分析可知，前人對于干濕循環(huán)、凍融循環(huán)作用下混凝土的力學特性進行了較為充分的研究，但并未考慮不同加載速率與干濕同時作用的情況。本文在考慮干濕循環(huán)作用的同時，又增加了加載速率對混凝土力學特性的影響，分析了干濕循環(huán)作用后混凝土的宏觀力學參數(shù)的加載速率效應，為混凝土路面的耐久性研究提供了可靠的依據(jù)。

1 試驗介紹

1.1 原材料與配合比

本文試驗所采用的材料如表1所示。

表1 試驗用材料

根據(jù)混凝土配合比設計規(guī)程《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55—2011對C30水泥混凝土進行配合比設計，經(jīng)過室內試驗、施工現(xiàn)場及基準3種配合比的相互比較與調整，再依據(jù)相關工程經(jīng)驗最終確定的本文路面混凝土配合比見表2。

表2 路面混凝土配合比

1.2 試件制備

本文所研究的路面水泥混凝土均采用標準模具進行制樣，制備好的試樣尺寸為Φ50 mm×100 mm標準圓柱體，所有試件統(tǒng)一在滿足試驗規(guī)程的條件下進行澆筑，養(yǎng)護齡期為28 d，部分制備完成的試樣見圖1。

圖1 制備好的試件

1.3 試驗方法

本文對不同干濕循環(huán)次數(shù)與不同加載速率作用下的路面混凝土進行單軸壓縮試驗，試驗儀器采用進口的MTS815.02伺服試驗系統(tǒng)。干濕循環(huán)試驗方法：首先將制備好的混凝土試件放入浸泡箱中浸泡16 h，水溫為(20±2) ℃，待達到浸泡時間后，將試樣取出在烘干箱中烘干7 h，烘干溫度為(75±2) ℃，待達到烘干時間后，將試樣取出，室溫下冷卻5 h，到此為止，試樣經(jīng)歷了一個完整的干濕循環(huán)過程。每組干濕循環(huán)試驗結束后，對試樣的質量和縱波波速進行測量。根據(jù)相關研究及工程實際情況，本文設置干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、20、40、60、80次，設置加載速率為0.5、1.0、1.5和2.0 mm/s。

2 試驗結果分析

2.1 混凝土物理性質變化分析

分別對不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的平均密度和縱波波速進行平均化處理，得到二者隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律(圖2)，可以明顯看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土試樣出現(xiàn)劣化，試樣的平均密度與平均縱波波速均呈逐漸遞減趨勢，且干濕循環(huán)次數(shù)越多，二者減幅越大。在0次干濕循環(huán)作用時，混凝土試樣的平均密度為2.415 g/cm3，縱波波速為3.105 km/s；當干濕循環(huán)次數(shù)為20、40、60、80次時，二者減幅逐漸增大，其中平均密度減幅分別為0.83%、0.85%2.41%和9.57%，縱波波速減幅分別為4.85%、7.60%、25.76%和104.23%，可見干濕循環(huán)作用對混凝土的劣化作用顯著。

2.2 應力-應變關系分析

圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)，不同加載速率下路面混凝土試樣的單軸壓縮應力-應變曲線，文中僅給出了干濕循環(huán)次數(shù)0次和80次時的試驗結果。從圖中可以看出，混凝土試樣具有與巖石類材料類似的應力-應變演化過程，應力-應變曲線大體可分為壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和峰后階段。不同試驗條件下混凝土試樣均具有較為明顯的壓密階段，原因可能是制樣時未能充分振搗，使得試樣內部有部分孔隙殘留。從圖中還可以看出，不同試驗條件下試樣的峰前曲線較為光滑，峰后曲線略顯差異，當干濕循環(huán)次數(shù)為0時，不同加載速率下的峰后曲線呈“斷崖”式變化，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，試樣的峰后曲線開始出現(xiàn)波動變化，當干濕循環(huán)次數(shù)為80次時，試樣的峰后曲線呈明顯“臺階式”下降，與干濕循環(huán)次數(shù)為0次時相比，峰后曲線持續(xù)時間延長，試樣的軟化現(xiàn)象逐漸凸顯。從圖中還可以看出，混凝土試樣的峰值強度、峰值應變和彈性模量等宏觀力學參數(shù)均與干濕循環(huán)次數(shù)和加載速率密切相關，后文將對其進行具體分析。

圖2 水泥混凝土物理特性與干濕循環(huán)次數(shù)之間關系

圖3 不同試驗條件下混凝土試樣應力-應變曲線

2.3 宏觀力學參數(shù)分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到不同試驗條件下混凝土試樣的峰值強度、峰值應變和彈性模量的計算結果見表3，限于篇幅，文中僅列出了干濕循環(huán)0次和80次的計算結果。

表3 混凝土試樣的宏觀力學參數(shù)

由表可知，混凝土試樣的宏觀力學參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)、加載速率之間具有密切聯(lián)系。其中，在相同加載速率下(0.5 mm/s)，當干濕循環(huán)為0次時，試樣的峰值強度為75.31 MPa，峰值應變?yōu)?.08%，彈性模量為11.40 GPa；當干濕循環(huán)增加至80次時，試樣的峰值強度降至62.56 MPa，峰值應變增大至1.45%，彈性模量降低至8.21 GPa，變化幅度分別為-16.93%、+34.26%和-27.98%。表明混凝土試樣在干濕循環(huán)作用下劣化程度逐漸加深。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下(干濕循環(huán)次數(shù)為0)，當加載速率為0.5 mm/s時，試樣的峰值強度、峰值應變和彈性模量分別為75.31 MPa、1.08%和11.40 GPa；當加載速率分別為1.0、1.5和2.0 mm/s時，試樣的峰值強度分別為0.5 mm/s時的1.02、1.17和1.26倍，峰值應變分別為0.5 mm/s時的1.07、1.11和1.12倍，彈性模量分別為0.5 mm/s時的0.97、1.09和0.99倍。表明加載速率對混凝土試樣的峰值強度和峰值應變具有顯著的促進作用，二者與加載速率呈正相關關系，而彈性模量隨加載速率無明顯變化規(guī)律。不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣的宏觀力學參數(shù)表現(xiàn)出類似關系，具體情況見圖4。

圖4 不同加載速率下宏觀力學參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間關系

3 干濕循環(huán)作用后混凝土加載速率效應分析

根據(jù)前文分析可知，混凝土試樣的峰值強度和峰值應變具有顯著的加載速率效應，而彈性模量與加載速率之間的相關性不強，因此，對于宏觀力學參數(shù)的加載速率效應僅考慮峰值強度和峰值應變，圖5為干濕循環(huán)0次和80次時混凝土試樣的峰值強度、峰值應變與加載速率之間的關系曲線。

圖5 峰值強度、峰值應變與加載速率之間關系曲線

由圖可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，混凝土試樣的峰值強度、峰值應變均隨加載速率的增大而逐漸增大，采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，峰值強度、峰值應變與加載速率之間均滿足線性函數(shù)關，即:

y=αx+β

(1)

式中：y為峰值強度或峰值應變；x為加載速率；α、β為材料參數(shù)。不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的峰值強度和峰值應變的擬合相關系數(shù)均在0.9以上，說明峰值強度、峰值應變與加載速率之間具有較強線性相關性。表4為不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的材料參數(shù)統(tǒng)計結果，表中峰值強度的擬合參數(shù)用ασ、βσ表示，峰值應變的擬合參數(shù)用表示αε、βε表示。

表4 材料參數(shù)α、 β統(tǒng)計結果

由式(1)可知，參數(shù)α代表加載速率的作用程度，α值越大，加載速率對混凝土試樣的影響越明顯，無量綱；參數(shù)β表征加載速率趨于零，即理想靜水壓力條件下混凝土試樣的峰值強度或峰值應變，量綱與對應變量相同。為直觀觀察參數(shù)α、β隨加載速率的變化規(guī)律，將表中數(shù)據(jù)繪于圖6。

圖6 材料參數(shù)α、 β與干濕循環(huán)次數(shù)之間關系

從表4和圖6中可以看出，峰值強度參數(shù)ασ、βσ均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而逐漸減小，表明在干濕循環(huán)0次時，加載速率效應最明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，加載速率效應逐漸減弱，試樣的損傷程度逐漸加深。峰值應變參數(shù)αε、βε則均隨干濕循環(huán)次數(shù)呈逐漸遞增趨勢，恰好與峰值強度參數(shù)呈相反規(guī)律變化，原因是峰值強度隨干濕循環(huán)的增大而逐漸劣化，試樣的承載能力逐漸減弱，進而導致其變形能力逐漸增強，因此在擬合參數(shù)上表現(xiàn)出隨干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增大的趨勢。

4 結論

本文針對路面水泥混凝土受干濕循環(huán)作用后的物理力學性質展開了研究，分別對干濕循環(huán)0、20、40、60和80次后的混凝土試樣進行了0.5、1.0、1.5和2.0 mm/s 4種加載速率下的單軸壓縮試驗，結論如下：

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，混凝土的物理參數(shù)出現(xiàn)劣化，干濕循環(huán)由0次增加至80次，試樣的平均密度和平均縱波波速分別減小了9.57%和25.17%，且物理參數(shù)的減幅隨干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增大。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，混凝土的峰值強度和彈性模量逐漸減小，峰值應變逐漸增大；隨著加載速率的逐漸增大，試樣的峰值強度、峰值應變逐漸遞增，而彈性模量與加載速率之間無明顯變化規(guī)律。

(3)干濕循環(huán)作用后混凝土的峰值強度和峰值應變具有明顯的加載速率效應，二者與加載速率之間均滿足線性遞增函數(shù)關系，且根據(jù)擬合參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關系可知，干濕循環(huán)促進了混凝土試樣的加載速率效應。