雙軸受壓狀態下混凝土動態抗壓特性試驗研究

夏偉　許金余　冷冰林　孟博旭　王騰蛟　劉高杰

摘 要：由于多軸試驗裝置的高技術性，混凝土在復雜應力狀態下的動力研究相對偏少。為研究雙軸受壓狀態下混凝土的動態抗壓特性，采用真三軸靜動綜合加載試驗系統，進行了5種雙軸受壓狀態下混凝土立方體試件的沖擊壓縮試驗，分別從應力應變曲線特征、強度特性和變形特性等方面分析雙軸受壓狀態對混凝土動力響應的影響規律。結果表明：雙軸受壓狀態下，混凝土承受沖擊荷載時呈現典型的脆性破壞，應力應變曲線初期無明顯壓實擠密階段;主軸壓比一定時，隨單側壓比的增大，混凝土的動態抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢，峰值應變和平均應變率皆呈現出先減小后增大的趨勢;雙軸受壓對混凝土有加固約束作用，因而提高了其動態抗壓強度和抗變形能力，主軸壓比∶單側壓比為0.4∶0.4時作用效果最佳。

關鍵詞：混凝土;雙軸受壓;應力應變曲線;動態抗壓強度;沖擊壓縮變形

中圖分類號：TU502? ?文獻標志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0130-08

Abstract： Due to the high technicality of the multi-axial test equipment， the dynamic research of concrete under complex stress condition is relatively less. In order to study the dynamic compressive properties of concrete under biaxial compression， the impact compression tests of concrete cube specimens under five types of biaxial compression conditions were carried out by using the true triaxial static and dynamic comprehensive loading test system. The effects of biaxial compression on the dynamic response of concrete are analyzed from the aspects of stress-strain curve characteristics， strength characteristics and deformation characteristics. The results show that： under biaxial compression， the concrete exhibits typical brittle failure when subjected to impact load， and there is no obvious compaction stage in the initial stage of the stress-strain curve; when the spindle pressure ratio is fixed， with the increase of the unilateral pressure ratio， the dynamic compressive strength of concrete shows a trend of first increasing and then decreasing， and the peak strain and average strain rate show a trend of first decreasing and then increasing; biaxial compression has the effect of reinforcement and restraint on concrete， which improves its dynamic compressive strength and deformation resistance. When the ratio of spindle pressure ratio to unilateral pressure ratio is 0.4∶0.4， the effect is the best.

Keywords： concrete; biaxial compression; stress-strain curve; dynamic compressive strength; impact compression deformation

無論民用建筑工程還是軍事防護工程，多為鋼筋混凝土結構，此類結構不僅要滿足自身設計荷載（即結構自重、人、物等外界荷載產生的靜載）的要求，往往還要經受碰撞、爆炸沖擊等動力作用。近年來，地震、強風等大型自然災害以及恐怖主義爆炸事件時有發生，導致民用混凝土結構遭受動態荷載破壞的可能性大大增加[1];軍事混凝土防護結構也越來越受到航彈爆炸、武器侵徹等強烈沖擊荷載的威脅[2]。為減少人員傷亡和經濟損失，更好地保護物資裝備，相關學者針對混凝土的動態力學性能，展開大量試驗研究和理論分析，取得了許多有價值的成果。Tai [3]研究了不同加載速率下混凝土的單軸動態力學性能，發現混凝土具有明顯的速率依賴性力學行為;王懷亮等[4]研究拉伸和壓縮動荷載下混凝土的單軸力學性能，測得完整的混凝土單軸動態拉伸和壓縮應力應變曲線;Sun等[5]通過對混凝土進行單軸動態壓縮試驗，發現抗壓強度和彈性模量隨應變率表現出正相關性;吳彬等[6]對混凝土分別開展應變速率為10-5、10-4、10-3s-1的雙向動態壓縮試驗，發現雙向受壓下其抗壓強度較單軸應力狀態時得到增強;劉鵬[7]進行了混凝土的單軸動態加載、定側壓雙軸加載和雙軸比例加載試驗，提出不同應變率下混凝土動態抗壓強度的表達式;程卓群等[8]進行了不同側壓力下混凝土的動態抗壓試驗，并利用K-G準則建立了混凝土動態雙軸受壓破壞準則。相關學者針對混凝土單軸動態力學性能的研究已經比較成熟，而由于多軸試驗裝置的高技術性、難操作性，目前，有關混凝土在多軸受力狀態下的力學性能研究仍存在一些不足，大多以靜力研究為主[9-12]，動力研究相對偏少且加載速率較低。在工程實踐中，鋼筋混凝土結構中的梁、柱、板等基本構件相互連接、相互約束，使得混凝土在大多數工況下處于復雜受力狀態[13-15]，如簡支梁的截面受彎矩和剪力作用，處于雙軸應力狀態;另一方面，軍事混凝土防護工程多為地下建筑結構，如飛機洞庫、地下指揮所、地下油庫等，此類結構因承受圍巖壓力作用，常處于多軸受力狀態。此時，混凝土的各項動態力學性能指標較單軸受力狀態下有明顯差別，應用單軸強度理論進行結構安全性設計存在不足，甚至偏于危險。因此，為了更加接近實際工況，有必要針對多軸受力狀態下混凝土的動態力學性能進行深入研究。

筆者利用真三軸靜動綜合加載試驗系統，對邊長為70.7 mm的混凝土立方體試件進行5種雙軸受壓狀態下的沖擊壓縮試驗，研究了動態荷載一定時雙軸受壓對混凝土動態抗壓強度和沖擊壓縮變形的影響規律，為混凝土材料在民用建筑工程和軍事防護工程中能夠得到更加安全合理地應用提供理論依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用混凝土為普通混凝土，各組分具體性能和成分：水泥選用陜西堯柏水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥（P·O），強度等級為42.5，其化學組成及主要性能指標如表1、表2所示。采用灞河天然中砂，經水洗晾干后使用，砂的主要技術指標見表3。石子選用涇陽縣石灰巖碎石（5～12 mm，30%;12～22 mm，70%）。拌合水選用符合檢測標準的自來水。減水劑使用山東輝煌新型建材有限公司生產的JKPCA-02型聚羥基高效減水劑，摻量1%，減水率20%。試驗所用混凝土配合比依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）設計，如表4所示。

1.2 試件制備

采用尺寸為70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm的混凝土立方體試件。先根據表4所示配合比將攪拌完畢的拌合料裝在預先除塵的塑料模具中，插搗均勻后放置于振動臺上振搗密實，期間進行人工插搗抹勻;然后將混凝土試件移置室內靜置24 h后脫模，標準養護28 d，制得的混凝土抗壓試件形貌如圖1所示。為保證試驗結果準確可靠，按照標準試驗方法，進行3次靜態抗壓強度試驗，取平均值后測得試件的實際單軸抗壓強度fc=54.38 MPa。

1.3 試驗設備

試驗采用洛陽騰陽機械科技有限公司與空軍工程大學聯合開發的真三軸靜動綜合加載試驗系統（系統結構如圖2所示）進行，該系統不僅可以測試多軸受壓條件下混凝土材料的靜態力學性能，還可以實現高應變率下混凝土材料的多軸受壓動力試驗，主要由靜力加載系統和動力加載系統兩部分組成。靜力加載系統（真三軸試驗機，如圖3所示）通過電子系統控制，既可以進行3個垂直方向的獨立加載、卸載以及復雜路徑的試驗，還可以任意設置各個方向的加載大小和加載速率，能夠實現混凝土材料的真三軸壓縮試驗。動力加載系統（如圖4所示）以分離式霍普金森壓桿（SHPB）[16-18]試驗裝置為基礎，其主體試驗設備主要由驅動發射裝置、子彈、入射桿、透射桿、吸收桿等部分組成;動力系統是通過壓縮氣體產生的高壓為子彈提供動力，以實現不同高應變率下的動力試驗，主要由空壓機、大氣包（儲氣罐）以及氣體通道組成;數據采集系統包括速度采集系統和應變采集系統。

1.4 試驗方法

試驗采用雙軸靜動組合加載方式[19-20]，加載模型如圖5所示。試驗過程中控制試件主軸（X方向）預靜載P1恒為0.4fc（混凝土應力在彈性極限附近，與實際工況相符合），依次改變單側軸（Y方向）預靜載P2（分別為0、0.2fc、0.4fc、0.6fc、0.8fc）。為便于試驗結果分析，定義主軸向預靜載、單側向預靜載與混凝土實際單軸抗壓強度之比分別為主軸壓比和單側壓比，通過主軸壓比∶單側壓比這一參數來反映混凝土試件所處的雙軸受壓狀態（試驗中主軸壓比∶單側壓比分別為：0.4∶0，0.4∶0.2，0.4∶0.4，0.4∶0.6，0.4∶0.8;后文簡寫為單側壓比）。試驗分4個步驟完成：

1）以靜態壓縮試驗測得的混凝土實際單軸抗壓強度fc為參考標準，確定主軸向預靜載并設計不同的單側向預靜載水平;

2）在試件表面均勻涂抹黃油后，將其安置在真三軸試驗機的加載板間，并在各加載面與加載板之間增設減摩墊層，根據試驗需要分別在試件的主軸向和單側向以3 MPa/min的速率施加預靜載P1、P2;

3）通過SHPB動力加載系統中的空氣壓縮機以0.35 MPa的氣壓推動子彈撞擊入射桿，從而對處于雙軸受壓狀態下的試件施加沖擊荷載Pd（加載速率約為12.5 m/s），使試件在沖擊作用下發生破壞;

4）為保證試驗精度，每種受壓狀態下至少進行3次沖擊試驗，所得試驗數據采用“三波法”處理后如表5所示。

2 試驗結果與分析

2.1 應力應變曲線分析

應力應變曲線記錄的是動載作用下混凝土的性能變化特征，不考慮雙向預靜載施加過程對其產生的影響，測得主軸方向的混凝土力學性能隨雙軸受壓狀態變化的規律如圖6所示，為平均值曲線;圖7為單側壓比為0.2和0.4時混凝土試件雙軸動態抗壓應力應變關系曲線。

從圖6中可以看出，在不同單側壓比條件下，混凝土承受沖擊荷載時的應力應變曲線變化走勢均包括明顯的上升段和下降段，峰值應力附近未出現平臺段，混凝土達到破壞強度后，隨著應變的繼續增大隨即失去承載能力，說明其破壞形式為典型的脆性破壞;曲線初期近似為直線，接近破壞應力時，曲線表現為非線性。這是由于預靜載的存在，使混凝土內部的孔隙和裂縫在一定程度上被壓實擠密，從而在沖擊加載初期，曲線直接進入線彈性變形階段。各曲線斜率差異較大，在單軸受壓狀態（側壓為0）下，曲線斜率低于雙軸受壓狀態下的結果，且曲線峰值點最低，應力峰值點處對應的應變值最大;在雙軸受壓狀態下，單側壓比從0增至0.4，應力應變曲線整體左傾，曲線逐漸細高，脆性材料特征明顯，單側壓比從0.4增至0.8，曲線整體右傾，上升段和下降段斜率皆逐漸減小;單側壓比為0.4時，應力應變曲線初期陡直，峰值點達到最高，單側壓比為0.8時，曲線峰值點較單軸受壓狀態下略高。可認為單側壓比為0.4是應力應變曲線發生顯著變化的臨界點，單側壓比對混凝土的應力應變曲線特征具有雙重作用，既可強化混凝土的脆性材料特征，亦可增加其塑性材料特征，但相對于無側壓條件，作用效果是唯一的。

2.2 強度特性分析

動態抗壓強度是混凝土在沖擊荷載作用下發生破壞時的極限強度，用峰值應力表示。圖8為單側壓比對混凝土動態抗壓強度的影響規律。由圖8可知，在沖擊荷載一定時，混凝土的雙軸動態抗壓強度均大于單軸動態抗壓強度。單側壓比從0增至0.4，混凝土的動態抗壓強度與其成正相關性，隨著單側壓比的增加，其能夠不斷提高混凝土的動態抗壓強度;單側壓比為0.4時，混凝土的動態抗壓強度出現最大值;單側壓比從0.4增至0.8，混凝土的動態抗壓強度與其成負相關性，其開始對混凝土的動態抗壓強度表現為弱化作用。說明單側壓比對混凝土強度的影響不是單一的，強化和弱化相互交織，單側壓比較小時，強化效應占主導地位，單側壓比較大時，弱化作用表現明顯，最佳單側壓比為0.4。

采用動態強度增強因子作為沖擊荷載作用下混凝土的強度增強指標，表示動態抗壓強度與靜態抗壓強度之比。圖9為動態強度增強因子與單側壓比之間的關系。由圖9可見，側壓為0時動態強度增強因子為2.87，此后，隨單側壓比的增大，動態強度增強因子先上升后下降;動態強度增強因子在單側壓比為0.4時達到最大值3.87，在單側壓比為0.2和0.6時，其分別為3.96和3.49，兩者大小相近，而當單側壓比為0.8時，動態強度增強因子為2.92，略高于無側壓狀態下的結果。說明不同單側壓比可產生相同的作用效果，也反映出單側壓比對混凝土強度的作用并不是唯一增加的。

2.3 變形特性分析

峰值應變即混凝土材料達到峰值應力時所對應的應變，是分析雙軸受壓狀態下混凝土經沖擊荷載作用后變形特性的重要參數。平均應變率是指混凝土材料在受力過程中，自身應變隨時間變化的平均速率，與加載速率、材料自身特性等因素密切相關，可反映出混凝土的變形能力。

圖10、圖11分別為X方向沖擊荷載作用下混凝土峰值應變和平均應變率隨單側壓比的變化規律。從圖中可以看出，混凝土的峰值應變為2.6×10-3～4.6×10-3，變化幅度較小;隨單側壓比的增大，混凝土的峰值應變先減小后增大，單側壓比0～0.4為曲線下降段，單側壓比0.4～0.8為曲線上升段;單側壓比為0和0.4時，峰值應變分別達到最小值和最大值。此外，混凝土的平均應變率隨單側壓比增大，同樣表現為先減小后增大的趨勢，單側壓比為0.4和0.8時，平均應變率分別達到最小值40.81 s-1和最大值63.60 s-1，與無側壓時相比，分別減小和增大了29%和10%。說明單側壓比對混凝土沖擊壓縮變形的抑制作用先增加后減小，單側壓比可通過改變混凝土整體結構特征來影響其應變率特性。

3 機理分析

混凝土作為一種多相復合材料，其內部存在大量微裂縫和孔洞等初始缺陷，且各組成成分的力學特性差異較大。在外部壓力作用下，微裂縫和孔洞通過亂向擴散、產生、聚集以及形成宏觀裂縫等形式耗散能量。混凝土還是一種具有應變率相關性和粘性特征的脆性材料，在動態荷載作用下，由于孔隙水的粘性效應和微觀慣性效應，使混凝土的各項力學性能變化更加復雜。

3.1 雙軸受壓對應力應變曲線的影響

在主軸向預靜載作用下，混凝土主軸向已被擠壓密實，單側壓比較小時（0～0.4），隨著單側壓比的增大，混凝土側向逐漸密實，導致其內部各組分間連系更加緊密，結構更加堅硬，脆性特征增強，故隨單側壓比的增加，應力應變曲線整體逐漸向左傾斜。而單側壓比較大時（0.4～0.8），由于混凝土各組分性能不同，在相互擠壓過程中產生破碎、分解現象，導致混凝土內部出現嚴重損傷，可塑性增大，故此時應力應變曲線向右傾斜，但由于雙向應力強化、約束作用的存在，使得混凝土脆性材料特征仍大于無側壓作用時。

3.2 雙軸受壓對強度和變形的影響

混凝土在主軸壓作用下處于彈性受力階段，內部孔隙數量和孔徑皆有一定程度減小，整體性能得到增強。在此基礎上，單側壓比較小時（0～0.4），其一方面可促使混凝土內部與側向有夾角的部分裂縫和孔隙閉合，另一方面可抑制外力作用下裂縫的產生、延伸，進一步提高混凝土密實度的同時約束了側向變形。此外，裂縫和孔隙數量的減少，直接降低了沖擊應力波在混凝土內部反射的次數，加速應力波通過試件，既減少了反射拉伸波造成的損傷，增大了混凝土強度，又減小了變形量，間接減弱了混凝土的變形能力。故單側壓比較小時，隨單側壓比的增大，混凝土動壓強度逐漸增大，峰值應變和平均應變率逐漸減小。

單側壓比較大時（0.4～0.8），混凝土處于塑性受力階段，此時，側壓一方面會使混凝土基體的部分原始缺陷閉合，另一方面會造成其內部結構嚴重損傷，且損傷弱化效應大于閉合增益作用。具體表現為主軸向變形被約束時，較大側壓作用下，雙向擠壓導致骨料間、骨料與水泥漿體間以及水化產物整體框架產生大量裂縫和孔隙，甚至分解破壞，以及混凝土豎向表面發生凸起、破裂現象，致使混凝土內部結構松散，密實度降低，整體性能弱化，但變形能力增加。此外，大量裂縫和孔隙增大了應力波在混凝土內部反射的可能性，波速減緩，導致應力波在試件內部傳遞時間延長，造成相同加載速率下，混凝土內部損傷加重，變形量增大。故單側壓比較大時，隨單側壓比的增大，混凝土的動壓強度逐漸減小，峰值應變和平均應變率逐漸增大。但單側壓最大時，相對于無側壓條件，其對混凝土強度和峰值應變的影響依舊表現為強化和抑制作用。這一方面是由于主軸向應力的存在既增強了混凝土的整體性能，又消耗了部分單側壓加載產生的能量，導致混凝土內部缺陷弱于初始缺陷;另一方面是由于雙向應力的存在，既限制了混凝土的變形，又消耗了動載作用產生的部分能量，間接彌補了預靜載過大給混凝土整體性能帶來的損傷。

4 結論

采用控制變量法，以峰值應力、峰值應變和平均應變率為指標，研究了當動態荷載一定時雙軸受壓狀態對混凝土立方體試件動態抗壓強度和沖擊壓縮變形的影響，主要結論如下：

1）雙軸受壓狀態下，混凝土承受沖擊荷載時呈現典型的脆性破壞，應力應變曲線初期近似為直線段，壓實擠密階段不明顯，接近破壞應力時，曲線表現為非線性。

2）隨著單側壓比的增大，混凝土的動態抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢，單側壓比為0.4時，混凝土的動態抗壓強度出現最大值。

3）隨著單側壓比的增大，混凝土的峰值應變和平均應變率皆呈現出先減小后增大的趨勢，單側壓比為0.4時，混凝土的峰值應變和平均應變率出現最小值。

4）雙軸受壓狀態增強了混凝土的脆性材料特征，提高了其動態抗壓強度和抗變形能力，主軸壓比∶單側壓比為0.4∶0.4時提高程度最大。

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（編輯 胡玲）