水灰比對凍融后混凝土動態力學性能的影響★

黃子辰，薛剛宏，吳開俠，朱大亮，梁帥鋒

(1.深圳市坪山區建筑工務署,廣東 深圳 518000； 2.中建科工集團有限公司，廣東 深圳 518000)

我國西北、西南、四川西部、東北以及內蒙古東北部等地區分布著大面積的寒區。在這些寒區內，氣溫變化劇烈，平均溫度約在-10 ℃～0 ℃，因此建筑結構不可避免的要長期受到凍融循環的影響。長期的凍融過程將加劇建筑結構的劣化，削弱建筑結構的力學性能和耐久性能。此外，近年來，地震、滑坡、泥石流等自然因素以及化學品爆炸、交通事故、恐怖襲擊等人為因素導致的建筑結構承受極端外部沖擊荷載的事件頻發，處于寒區內的建筑也不可避免。因此，研究寒區混凝土建筑結構在沖擊荷載作用下受力性能、破壞特征及損傷機理就顯得非常迫切且重要。

許多學者也對凍融環境下混凝土的動態力學性能開展了大量研究。薛文等[1]的研究結果表明陶粒混凝土的強度與凍融循環次數呈正相關關系。LI等[2]分析了混凝土在凍融和沖擊荷載作用下的破損機制，并基于篩分統計方法和分形理論，研究了破碎塊的尺度質量分布規律和分形維數特征。REN等[3]的研究結果表明，在沖擊載荷下，混凝土沖擊破碎分形維數隨應變速率的增加而增加。CHEN和施冠銀等[4-5]的結果表明，反復凍融會加劇陶粒混凝土在沖擊荷載下損傷程度。周濤等[6]的研究結果表明，凍融循環會加速劣化鋼纖維混凝土內部結構，導致其力學性能降低。范夢婷等[7]的研究結果表明，盡管凍融循環加速了橡膠混凝土動強度的退化進程，但其在沖擊荷載下的韌性和能耗都有所提高。牛建剛等[8]的研究表明，在凍融循環作用下，6 kg/m3塑鋼纖維的摻入可以顯著提高輕骨料混凝土的動態力學性能。龔升等[9]采用落錘沖擊試驗對凍融后碾壓混凝土的抗沖擊性能進行了研究，并同時考慮了橡膠摻量和鋼纖維摻量的影響，他們指出橡膠對混凝土在凍融環境中的質量損失影響不大，但鋼纖維可以有效控制質量損失率的增長，并能提高試樣的抗沖擊性能。

盡管目前對凍融后混凝土動態力學性能的研究較多，但關于不同水灰比對凍融后混凝土的動態力學性能影響的研究相對較少。水灰比會對混凝土的性能產生顯著影響[10-12]。BISCHOFF等[13]指出水灰比是影響混凝土力學性能的核心原因之一。董玉文等[14]也指出水灰比會對凍融后混凝土的質量損失率和彈性模量產生顯著影響，水灰比越大，凍融后混凝土試樣的質量損失率越高，彈性模量越低。

基于此，本文設置了3種不同水灰比，利用快速凍融機和分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB)對混凝土試樣進行了凍融和沖擊試驗，討論了水灰比對凍融后混凝土動態力學性能及沖擊破碎分形特征的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗中水泥標號為P.O42.5。粗骨料為碎石，細骨料為中粗河砂。碎石粒度約為5 mm～10 mm，河砂細度模數為2.87。試驗水源為常規自來水。外加劑為聚羧酸高效減水劑。根據試驗目的，配制了3種不同水灰比的混凝土試樣。表1為各組試樣的具體配比。

表1 混凝土試樣配合比 kg/m3

1.2 試驗儀器

沖擊試驗試樣的直徑為50 cm，高度為35 cm。模具使用的是聚氯乙烯(PVC)圓管。待混凝土拌合物入模振動密實后靜置24 h后脫模入水養護28 d。待試樣完成養護后進行凍融循環試驗。

凍融循環試驗儀器為快速凍融機(如圖1所示)。試樣依據GB/T 50082—2009[15]開展，一次凍融循環所需時間為4 h，其中凍結溫度為(-18±2) ℃，耗時3 h，溶解溫度為(5±2)℃，耗時1 h。最高凍融循環次數設置為50次，每隔25次測試一次試樣的動態力學性能。

動態力學性能試驗所用SHPB儀器如圖2所示。在試驗前，先給試樣的兩個端面涂抹了凡士林，降低試樣與SHPB桿件之間的摩擦力，然后將試樣放置在兩桿之間，調節試樣軸心與接觸桿軸心一致。為減小試驗過程中波形產生彌散效應，經過多次嘗試和比較，最終采用對折兩次的A4紙對波形進行調整。

試驗時，將沖擊氣壓分別調整為0.40 MPa，0.50 MPa，0.60 MPa對混凝土試樣進行了沖擊壓縮。為了保證試驗數據的可靠性，相同工況下的試樣開展了5次沖擊試驗。沖擊試驗后，收集破碎試樣在標準振篩機上進行了篩分試驗，篩分結果用以研究凍融后混凝土試樣的沖擊破碎分形特征。

1.3 試驗原理

SHPB試驗時，在桿件上布置了應變片。試驗后根據測得的應變通過式(1)計算了凍融后混凝土試樣的動態力學性能[16]：

(1)

其中，σ(t)為試樣的應力；ε(t)為試樣的應變；&(t)為試樣的應變率；A0為桿件橫截面積；C0為桿件中應力波速；E為桿件楊氏模量；As為試樣橫截面積；L為試樣的長度；t為應力波持續時間。

2 試驗結果與討論

2.1 應力-應變曲線分析

SHPB沖擊試驗后試樣的動態應力-應變曲線圖如圖3所示。由圖3可知凍融后混凝土試樣在沖擊荷載作用下的應力-應變曲線的變化可分為彈性、屈服和破壞三個階段。在第一階段，應力與應變都呈增大趨勢，曲線斜率基本恒定；在第二階段，應力快速增長，應變略微增長，曲線斜率不斷降低；在第三階段，應力隨應變的增大快速減小。

圖3還表明當循環次數增大時，混凝土的峰值應力不斷下降，試樣的應力-應變曲線整體向右下方移動，說明試樣的脆性增加。但當提高沖擊氣壓時，混凝土的峰值應力又隨之增大，說明試樣的動態力學得到顯著提升。

不同水灰比混凝土凍融后DIF變化規律見表2。

表2 不同水灰比混凝土凍融后DIF變化規律

2.2 動態抗壓強度

圖4為根據應力-應變曲線統計的動態抗壓強度變化趨勢。由圖4可知，混凝土試樣的動態抗壓強度與沖擊氣壓呈正相關關系，而與凍融循環次數則呈負相關關系。

考慮水灰比對凍融后混凝土試樣的動態抗壓強度的影響發現，當試樣經受的凍融循環和沖擊氣壓不變時，水灰比低的混凝土試樣的動態抗壓強度高于水灰比高的混凝土試樣。

分析原因：反復的凍融過程在混凝土試樣孔隙內部產生膨脹力和滲透力會導致孔隙不斷的劣化，加速了試樣內部裂隙的擴展程度，使得混凝土試樣的動態抗壓強度的降低。由于沖擊荷載作用時間短，試樣內部微裂紋會按照能量釋放最快路徑直接貫穿骨料[17]，從而使得試樣的動態抗壓強度有所提高。但是，水灰比較低的混凝土試樣相比于水灰比較高的試樣而言，其內部孔隙水較少，因而在凍融過程中產生膨脹力和滲透力也相對較小。因此試樣的凍融損傷程度相對較弱，故而抗沖擊性能較好，動態抗壓強度較高。

為進一步探究不同水灰比混凝土凍融循環后動態抗壓強度的變化機理，本文統計了混凝土試樣動態強度增長因子(DIF，動態抗壓強度與其靜態抗壓強度比值)，計算結果如表2所示。

由表2可知，反復凍融會導致混凝土在動態荷載作用下的受力性能不斷退化。分析原因：凍融循環過程中試樣內部孔隙水的反復凍結和融化會加速試樣內部微裂紋的擴展，降低試樣內部各相界面的黏結性和密實度，導致其抗沖擊能力降低。以A組混凝土試樣為例，在0.4 MPa的沖擊氣壓下，當試樣經歷了50次凍融循環后，試樣的DIF值為1.12，與25次循環相比降低了8.9%；在0.6 MPa的沖擊氣壓下，當經歷了50次循環后，試樣的DIF值為1.38，與25次循環相比降低了15.85%。

此外，當凍融作用恒定不變時，試樣的力學性能隨著外部沖擊荷載的增大而顯著提高，表現出明顯的應變率強化效應。以C組混凝土試樣為例，凍融前，當沖擊氣壓為0.6 MPa時，試樣的DIF值為1.85，與在0.4 MPa和0.5 MPa的沖擊氣壓下相比分別增長了20.92%和9.47%。在50次凍融循環后，C組試樣的DIF值在0.6 MPa的沖擊氣壓下為1.52，與在0.4 MPa和0.5 MPa的沖擊氣壓下相比分別增長了28.8%和13.43%。應變率對試樣動態抗壓強度提高的原因在于沖擊荷載下，初始裂紋沒有足夠的時間尋找試樣內最為薄弱的界面進行發展，而是選擇直接穿透阻礙其發展的骨料，導致試樣發生粉碎性破壞(如圖5所示)。相比于裂紋沿著界面緩慢擴展所消耗的能量而言，骨料破壞消耗的能量更多，這是造成混凝土試樣在沖擊荷載下動態抗壓強度上升的主要原因。

同時，對比不同水灰比試樣的DIF發現，水灰比較低的試樣在相同凍融和沖擊氣壓下的DIF值較高，這是因為凍融損傷主要是膨脹力和滲透力所致，水灰比較小的混凝土內部孔隙水較少，孔隙在凍結過程中承受的膨脹力及在溶解過程中承受的滲透力都相對較小，導致其凍融損傷程度較低，因此抗沖擊能力較高。比如，較低水灰比的C組混凝土試樣經歷50次凍融后，在0.4 MPa沖擊荷載作用下的DIF值為1.18，比水灰比較大的A組混凝土試樣高5.36%；在0.6 MPa的沖擊荷載下，試樣的DIF值為1.52，比同等工況下的A組混凝土試樣提高了10.14%。

2.3 沖擊破碎分形特征

為了進一步研究水灰比對凍融后混凝土動態力學性能的影響，本文對沖擊試驗后混凝土試樣的破碎塊進行了篩分、統計和分形計算(如圖6所示)，并根據分形維數的變化探討了凍融循環作用后不同水灰比混凝土的沖擊破碎損傷機理。

沖擊荷載作用下混凝土碎片的分布滿足式(2)要求[18]：

(2)

其中，r為粒徑；rm為最大粒徑；D為分形維數；Mr為小于r的破碎塊質量；M為破碎試樣質量。

因此，篩分后通過統計破碎塊lnr-ln(Mr/M)曲線的斜率K(K=3-D)，便可得凍融后混凝土試樣的動態沖擊破碎分形維數D(D=3-K)。結果如圖7所示。

由圖7可知，隨著凍融次數和沖擊速率的增大，混凝土試樣的沖擊破碎分形維數不斷增大。但在同等的外部荷載作用下(凍融次數與沖擊速率不變)，低水灰比試樣的分形維數比高水灰比試樣的分形維數小。

混凝土微觀結構的變化是其宏觀力學性能變化的內因，而破碎形貌則是其宏觀力學性能變化的。低水灰比試樣內部各組分之間的黏結性能比高水灰比試樣的黏結性能好(如圖8所示)，因此其對外部凍融侵蝕的抵抗力強，凍融后在沖擊荷載作用下的破碎程度小，分形維數小，說明低水灰比的混凝土試樣具有更好的抗沖擊能力，這與動態力學性能的計算結果一致。

3 結論

1)在沖擊載荷下，凍融后混凝土試樣的動態抗壓強度、DIF值和分形維數隨著沖擊氣壓的增大而增大，這是因為在沖擊荷載下，試樣的破壞形態為裂隙貫穿骨料而導致的材料失效破壞，外部荷載越大，試樣破碎程度越高，強度也就越高。

2)在凍融循環作用下，混凝土的動態抗壓強度、DIF值和分形維數隨著凍融循環次數的提高而降低，這是因為凍融循環會加速混凝土內部裂紋的擴展及界面的劣化，導致混凝土試樣的抗沖擊性能降低。

3)試樣所處的凍融環境和外部沖擊載荷相同時，水灰比較低的混凝土試樣的動態抗壓強度和DIF值較大，而分形維數則較小，這是因為水灰比較低的試樣相對于高水灰比試樣，在凍融過程中分別產生的裂隙膨脹張力和滲透力都較小，造成的內部損傷也較小，因此其抗沖擊能力較高。