低溫凍融循環對陶粒混凝土動態力學性能的影響

薛 文，王 騰，程文杰，沈鴻儒，李 乙，陳江瑛，朱瑤宏

(1.寧波大學，沖擊與安全工程教育部重點實驗室，寧波 315211；2.寧波市軌道交通集團有限公司，寧波 315101)

0 引 言

隨著混凝土材料大規模的使用和對節能、環保要求的提高，具有輕質、高強、保溫、隔音、抗震等特點的陶?；炷猎诠こ讨械玫搅藦V泛的應用。與相同強度的普通混凝土相比，陶粒混凝土的質量減輕了25%～30%，這意味著使用相同強度等級的陶粒混凝土還減輕了結構和基礎的承載壓力[1-3]。

近年來國內外學者對陶?；炷亮W性能以及混凝土凍融循環開展了大量研究。李平江等[4]研究了高強陶粒混凝土的基本力學性能，測量了不同配合比陶?；炷恋膹椥阅Ａ?、抗拉和抗壓強度，結果表明，以高級配陶粒為粗骨料的陶?；炷劣休^好的力學性能，在結構設計時符合相關輕集料混凝土的規范。鄭秀華等[5-6]對陶粒混凝土強度和內部結構影響的研究表明，隨著陶粒預濕程度的提高，陶粒與基體界面的致密性降低，陶?；炷猎缙趶姸冉档?。Wang等[7-8]進行了商用陶?；炷粮黝悘姸仍囼灪桶宀拈_裂試驗，結果表明，相同體積分數的陶?；炷?，頁巖陶?；炷恋目箟簭姸群团牙鞆姸染哂谡惩撂樟：头勖夯姨樟；炷?，且在混凝土中加入陶?？梢越档突炷恋拈_裂敏感率。Hanjari等[9]研究了凍融循環對混凝土力學性能的影響，結果表明，凍融循環對混凝土彈性模量和峰值應力的減小影響較大，同時也降低了混凝土的抗拉強度。Yan等[10]的研究表明，應變率從10 s-1增大到100 s-1和陶瓷骨料顆粒粒徑變小均使陶瓷骨料混凝土的強度提高。Li等[11]對歷經不同凍融循環條件后的混凝土試件進行沖擊壓縮試驗，分析了沖擊破碎過程及損傷演化機理。現行混凝土耐久性試驗方法標準中凍融循環試驗的最低溫度為-20 ℃[12]，但隨著高寒地區對于建筑保溫隔熱抗凍性要求的提高，該規范的一些指標已不能滿足極寒環境應用的需求，而較低溫度凍融循環后陶粒混凝土的動態力學性能研究又少有報道。

本文主要采用TR-TSDR-70酒精凍融循環試驗機對陶粒體積含量為40%的混凝土試樣進行凍融，凍融循環最低溫度分別為-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃。通過分離式Hopkinson束桿試驗裝置對凍融循環后的試樣進行沖擊壓縮試驗，研究不同凍融循環條件對混凝土動態力學性能的影響，為實際工程應用提供基礎實驗數據和理論指導。

1 實 驗

1.1 試樣制備

陶?；炷猎嚇映叽鐬?50 mm×150 mm×100 mm，陶粒體積含量為40%，設計強度為C40，水灰比為0.4。

水泥選用P·Ⅱ 42.5普通硅酸鹽水泥。細骨料河砂選用鄱陽砂，細度模數為2.7，粒徑級配為Ⅱ區中砂，表觀密度為2 600 kg/m3，堆積密度1 620～1 660 kg/m3，吸水率為1.4%。粗骨料選用強度為800級的碎石型頁巖陶粒，直徑為5～20 mm，堆積密度為744 kg/m3，表觀密度為1 368 kg/m3，吸水率如表1所示，無其他外加劑。

表1 頁巖陶粒吸水率Table 1 Water absorption of shale ceramsite

1.2 凍融循環試驗

凍融循環試驗在TR-TSDR-70酒精凍融循環機中進行，凍融循環機及內部結構如圖1所示。

圖1 酒精凍融循環機Fig.1 FTC machine with alcohol

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)的規定進行試樣的快速凍融試驗。試驗前，對試樣先進行質量、高度和超聲波波速測量，再于常溫水中浸泡96 h，然后進行凍融。表2為試樣的凍融循環方案。

表2 凍融循環方案Table 2 FTC scheme

1.3 動態壓縮試驗

試樣的動態壓縮試驗在Hopkinson束桿試驗裝置上進行。裝置如圖2所示，該裝置主要由發射加載裝置、轉換桿、轉換塊、入射束桿、透射束桿、吸收裝置等組成。入射束桿、透射束桿均由25根橫截面為30 mm×30 mm的方桿組成，入射束桿長2 m，透射束桿長1.5 m，材質均為彈簧鋼，密度為7 710 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.26。

圖2 SHPB束桿裝置圖Fig.2 SHPB installation diagram

圖3(a)表示各桿上應變片的位置，應變片均貼在細桿的對稱位置，通過橋盒以半橋的形式連接到瞬態信號采集儀上。根據試樣受力的對稱性，沒有采集全部桿上的信號，僅采集了部分桿上的信號，圖3(b)標記了信號采集桿的位置。

圖3 數據采集點位置Fig.3 Location of data collection point

假設Hopkinson束桿上每對單桿均滿足Hopkinson的兩個基本假定，則混凝土應變率s(t)、應力σs(t)和應變εs(t)計算公式可分別由式(1)、(2)和(3)表示：

s(t)=2C0L0[εI(t)-εT(t)]

(1)

σs(t)=EAA0[εI(t)+εR(t)]

(2)

εs(t)=∫t0s(t)dt

(3)

式中：εI(t)、εR(t)、εT(t)分別表示入射波、反射波、透射波信號；C0為桿中的彈性波波速；A0表示壓桿和試樣端面接觸面積；L0為試件的長度；C0=E/ρ0，E為壓桿的彈性模量，ρ0為壓桿的密度。

2 結果與討論

2.1 凍融循環試驗結果

2.1.1 凍融循環對試樣表面破壞的影響

對試樣進行凍融循環，各個溫度下凍融循環速率分別如表3所示。

表3 凍融循環速率Table 3 FTC rate

凍融循環后試樣表面如圖4所示，其中T代表循環溫度，N代表循環周次，控制凍融循環溫度為+10～-20 ℃，隨著凍融循環周次的增加，試樣表面剝落加劇，當循環周次達到30次時，試樣剝落嚴重，外形也有些許變形。

圖4 凍融循環周次和溫度對陶粒混凝土表面破壞的影響Fig.4 Effects of times and temperatures of FTC on surface damage of ceramsite concrete

對相同循環周次(10次)，循環最低溫度不同時，隨著最低溫度的降低，試樣骨料外露量越來越多，但外形還維持原狀基本不變。凍融循環試驗時，混凝土凍脹過程中，內部產生的靜水壓力可近似為各向均勻的拉或壓應力，而對于混凝土等脆性材料而言，抗拉強度遠低于抗壓強度，總是更容易產生拉應力破壞，所以，凍融循環過程中的損傷總是由局部的拉伸破壞引起。

2.1.2 凍融循環對試樣彈性模量的影響

通過對凍融循環試驗前后試樣超聲波波速的測量，計算試樣的彈性模量(Em)，計算公式如下：

Em=(1+v)(1-2v)1-vρc2

(4)

式中:c為測得的超聲波波速;ρ為試樣的密度;v為試樣的泊松比。

試樣內部空隙和裂紋越多，超聲波波速就會越小，試樣的彈性模量也會越小。測量選取3個采集點，每個點采集波速3次，共9次，以平均值作為該試樣的超聲波波速。

計算出每組試樣凍融前后彈性模量并取平均值，再計算出凍融循環后試樣的彈性模量(Em)與凍融前彈性模量(E0)的百分比，繪出折線如圖5所示，從圖中變化趨勢可以看出，凍融循環周次的增加和凍融循環最低溫度的降低均會使混凝土彈性模量降低。當循環周次達到30次時，混凝土的彈性模量僅為未凍融時的60%左右。

圖5 陶粒混凝土凍融循環后彈性模量改變量Fig.5 Changes in elastic modulus of ceramsite concrete after FTC

彈性模量改變主要原因是水結冰產生體積膨脹，引起內壓增加，當局部壓力超過混凝土承壓(或拉)強度時，內部孔隙與裂紋增大，導致整體強度降低，彈性模量減少。

2.2 動態壓縮試驗結果

既要動態壓縮試驗后的試樣產生破壞，又要有較高應變率且氣壓可控，因此在進行了幾組試驗后確定控制試驗的應變率在100～110 s-1之間。對未凍融的試樣和凍融循環后的試樣在該應變率下開展動態壓縮試驗，圖6(a)為未經凍融循環試樣采集到的1組應力-應變信號曲線，圖6(b)是經凍融循環后試樣的1組應力-應變曲線，將后者得到的最大應力、最大應力對應的應變統計到表4中。觀察發現各通道應力-應變曲線的試驗數據相差較大，造成該種現象的原因可能是：(1)混凝土特有的材料不均勻性使不同位置壓桿采集到的信號有分散性;(2)凍融循環過程內部損傷加劇，使不同部位處的裂紋發展程度出現差異。一般情況下，試樣邊緣處的損傷大于試樣內部區域。為得到整個試樣的應力-應變規律，將8個通道采集的數據進行平均，得到應力-應變曲線，主要影響因素是最大應力和最大應變。實際發現總是通道2-2的結果最接近平均值，因此也可以采用通道2-2的應力-應變曲線來表示試樣的應力-應變曲線。

圖6 測試通道的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of test channels

表4 測試通道采集的信息Table 4 Collection information of test channels

2.2.1 循環周次對試樣應力-應變的影響

圖7 凍融循環周次對應力-應變曲線的影響Fig.7 Effects of FTC times on stress-strain curves

測得在凍融溫度區間為+10～-20 ℃，循環周次為0次、10次、20次、30次凍融后試樣的動態應力-應變曲線如圖7所示。觀察表明，相同凍融循環溫度區間，隨著凍融循環周次的增加，試樣抗沖擊能力明顯降低，循環周次為30次時，最大應力約為未凍融試樣的26.4%，最大應力所對應的應變隨著循環周次的增加而增大。

2.2.2 循環溫度對試樣應力-應變的影響

為考察凍融循環溫度對材料力學性能的影響，控制所有試樣的循環周次為10次，循環溫度區間分別為+10～-20 ℃、+10～-30 ℃、+10～-40 ℃、+10～-50 ℃、+10～-60 ℃和未凍融的試樣，則可測得試樣動態應力-應變曲線如圖8所示。可以觀察到，在相同凍融循環周次的前提下，隨著循環最低溫度的降低，試樣抗沖擊能力降低，最大應力所對應的應變隨著循環最低溫度的降低而增大。出現該結果的原因是隨著循環溫度的降低，損傷累積出現裂紋或裂紋進一步擴展，試樣內部結構變得酥松，從而使混凝土最大應力降低。

2.2.3 凍融循環周次對試樣最大應力的影響

對凍融循環溫度區間為+10～-20 ℃，循環周次分別為0次、10次、20次和30次的陶?；炷吝M行沖擊壓縮試驗，得到的最大應力隨凍融循環周次變化的關系如圖9所示。

圖8 凍融循環最低溫度對應力-應變曲線的影響Fig.8 Effect of the lowest temperature of FTC on stress-strain curves

圖9 最大應力與凍融循環周次關系Fig.9 Relationship between the maximum stress and the cycles of FTC

從圖9可以看出，陶?；炷恋膭討B抗壓強度隨著凍融循環周次的遞增而減少，經10次凍融循環后，陶粒混凝土動態抗壓強度下降至原來的84%左右，在此期間凍融循環對混凝土試樣已造成了不可回復的損傷，繼續進行凍融，內部微裂紋擴展加劇，導致強度下降速度加快，當循環周次達到20次時，這一階段強度下降的最快，強度下降至原來強度的50%左右，當循環周次達30次時，損傷累計達到某一閾值，強度下降速率減緩，損傷已經非常嚴重，此時陶粒混凝土動態抗壓強度下降至原來的26%左右。

2.2.4 各影響量之間的關系

綜合上述測量結果，可得到陶?；炷恋膹椥阅Ａ?、動態抗壓強度隨凍融循環周次和循環最低溫度改變的變化規律，如圖10所示。從圖10看出，彈性模量、動態抗壓強度均隨凍融循環周次增加和循環最低溫度降低而變小，其中動態抗壓強度受凍融循環條件影響更明顯。

圖10 彈性模量、動態抗壓強度與凍融循環條件的關系Fig.10 Relationship between elastic modulus, dynamic compressive strength and FTC conditions

3 結 論

(1) 在凍融循環作用下，試樣表面出現剝落現象，隨著凍融循環周次增加與最低溫度降低，混凝土試樣剝落加劇，骨料外露量增多，彈性模量降低。改變凍融循環周次對試樣的彈性模量影響較大，當循環周次達到30次時，混凝土的彈性模量僅為未凍融時的60%左右?；炷翉椥阅Ａ侩S凍融循環最低溫度的降低基本呈線性遞減趨勢。

(2) 沖擊壓縮試驗表明，不論是增加凍融循環周次還是降低凍融循環最低溫度，陶粒混凝土動態抗壓強度均會降低，當控制循環溫度區間為+10～-20 ℃，循環周次為10～20次時強度下降最快，當控制循環同次為10次時，改變最低循環溫度，此時動態抗壓強度逐漸降低，且最大應力所對應的應變隨著抗壓強度的降低而增大。在降低值相同條件下，增加凍融循環周次對抗壓強度影響更明顯。