堿骨料混凝土單軸抗壓試驗能量演化研究

柳 皓，王中波

(北京路橋瑞通養護中心有限公司,北京 100176)

0 引言

堿-骨料反應AAR(Alkali Aggregate Reaction)是指硬化混凝土中的堿與骨料中的活性礦物發生化學反應,導致混凝土發生膨脹、開裂甚至破壞的現象[1]。堿骨料化學反應生成的物質在析出后,常常附著于骨料與混凝土膠結劑的接觸界面。這些物質吸水后會出現膨脹,使得混凝土內部更加疏松,同時產生內部膨脹應力,使得混凝土的強度大大降低。堿骨料對混凝土強度的影響很早便被人們認識到[2],學者們也針對堿骨料對混凝土強度的影響進行了研究。趙鵬飛等[3]通過實驗手段與有限元方法研究了堿骨料對抗剪強度的影響,認為局部黏結強度的降低是導致混凝土整體抗剪強度降低的主要原因;哨冠華等[4]利用數字圖像相關方法(DIC)對堿骨料混凝土在堿化學反應過程中微裂紋的發育進行了研究,發現不均勻膨脹總是伴隨著裂紋的生長而發生,且與混凝土強度的降低有密切關系,并認為微裂紋定量分析可用于堿骨料混凝土損傷的表述;宋百姓等[5]借助PFC顆粒流軟件構建了骨料、膠結劑與界面三者間的細觀模型,并進行了劈裂抗拉實驗模擬混凝土裂紋開展的過程,驗證了其數值模擬方法的可靠性并發現隨著混凝土膨脹率的增大,其抗拉強度大大下降。上述研究中都認為,膨脹導致的微裂紋是堿骨料混凝土強度下降的重要原因,并希望通過微裂紋描述損傷以進行數值模擬,從而計算預測堿骨料混凝土強度的下降。

本文首先測量了堿骨料混凝土試件的縱波波速,利用波速與孔隙率間的緊密關系,定義了混凝土損傷度;根據損傷度,采用FDEM方法構建了堿骨料與膠結物及二者界面間損傷模型,通過該模型與室內實驗間單軸抗壓強度的對比驗證了模型的可靠程度,并探討了單軸抗壓狀態下堿骨料混凝土膠結物的能量變化。

1 實驗方法

實驗所用混凝土芯樣取自于病害橋梁,該橋呈明顯的堿骨料混凝土損傷特征,有表面裂隙及滲水、泛堿。對芯樣進行化學成分測試以驗證其堿骨料活性,再測量芯樣的膨脹率與縱波波速測量,最后進行單軸抗壓實驗。取芯現場圖見圖1。

1.1 化學性質檢測

對混凝土的化學性質進行檢測,測定了堿骨料及堿活性物質的含量。堿骨料及堿活性檢測結果見表1。

表1 混凝土堿活性檢測

堿骨料及堿活性檢測表明,全部試樣中骨料均具潛在堿硅活性,堿含量最大9.32 kg/m3;部分可見疑似堿骨料反應產物。

對取樣橋梁的箱梁內部析出粉末進行pH值測試(如圖2所示)和化學成分分析,pH值呈弱堿性,遇鹽酸反應且有大量氣泡產生。推斷其為碳酸鈣,由滲水中析出的氫氧化鈣碳化所得。該現象表明底板混凝土內部可溶性堿含量較高。同時根據堿骨料反應凝膠染色鑒定,表明斷面存在堿骨料反應凝膠,這也表明混凝土析出了大量堿性化學物質。

1.2 物理性質測量

對史村立交橋所取的芯樣進行80 ℃恒溫養護試驗,每隔24 h取出芯樣進行長度和彈性波波速測試,測量結果如圖3所示。

隨著養護天數的增加,混凝土的體積在逐步增加,縱波波速也呈隨時間增加而下降的趨勢。混凝土體積的增長與波速下降的幅度并未呈明顯的相關關系,在第5天,體積大幅增長,而波速并未呈現出大幅度下降,這說明混凝土內部的膨脹體積并不全是完全的空隙,堿骨料化學反應產物會填充于膨脹微裂隙中,使得波速下降并不迅速。

1.3 單軸抗壓強度測試

采用鉆芯法檢測箱梁混凝土強度。現場進行7處頂板混凝土芯樣的鉆取,最終成型3個。混凝土芯為50 mm×100 mm標準試件。對取得的混凝土芯試樣進行了單軸抗壓實驗,實驗結果見表2。

表2 混凝土芯單軸抗壓強度實驗結果

實驗結果表明,混凝土的強度已不滿足設計要求的30 MPa,堿骨料對混凝土的單軸抗壓強度造成了一定的損傷。

2 損傷變量計算

堿骨料混凝土強度的降低是膨脹引起的,而縱波波速與體積膨脹和強度有著密切的關系[6]。可借助超聲波波速得知混凝土的損傷情況,定義損傷變量[7-8]:

其中,Vp為各向同性微裂隙試件的聲波速度,m/s;Vpf為試件母體(無損傷)的聲波波速,m/s,在本次加速反應試驗中將未進行加速反應狀態下的芯樣波速視為母體試件波速;D為巖石的損傷變量。

對三個試件的波速取均值,得到損傷變量D與養護時間的關系見表3。

表3 損傷變量與養護時間關系

隨著反應時間的增加,試件的損傷變量D逐漸增大。損傷變量的變化大致反映出了試件的致密情況變化,并由此改變了其強度。在養護前6天,損傷變量并未出現明顯的變化,且因為養護時間的增加,混凝土的致密性有所提高,在第1天、第3天損傷變量還產生了一定的降低。堿骨料損傷與養護過程中產生的致密作用前5天達到一個相對平衡的狀態,表現在損傷變量的改變上是其數值的相對穩定。直到第7天時,損傷變量達到0.14,說明混凝土養護產生的正常內部致密已經達到峰值,養護已不能減小試樣內部的微裂隙體積,而堿反應還在繼續,骨料與膠結劑之間存在疏松的堿反應產物,降低了波速,并導致損傷變量的忽然增加。

3 數值方法研究

3.1 FDEM方法與裂隙單元本構方程

FDEM方法由MUNJIZA首先提出,該方法不同于傳統的有限元方法與離散元方法,是通過在連續網格單元中插入裂隙單元的方法實現有限元方法(FEM)與離散元方法(DEM)的結合(見圖4)。正常狀態下,FDEM方法與FEM方法的計算過程相同,當節點力學狀態達到開裂條件后,插入在普通單元中的無厚度裂隙單元被激活,當裂隙單元受力達到破壞準則時,裂隙單元徹底失效,裂紋產生。與FEM方法相比,該方法可實現裂紋擴展的模擬并描述裂紋面的力學性質,與DEM方法相比,該方法可以直觀地利用彈性模量、泊松比等力學性質而無需對模擬的參數進行離散元的標定。

3.2 模型的建立

數值模擬使用Abaqus軟件,在二維實體單元中插入Cohesive單元實現FDEM方法。首先通過生成Voronoi多邊形模擬骨料[10],骨料中并未插入Cohesive單元,保證模擬過程中骨料的強度能模擬真實實驗;之后,在膠結物單元、膠結物與骨料單元間界面分別插入Cohesive單元。因為Cohesive單元采用了雙線性本構,故可通過前文定義的損傷變量D折減Cohesive單元的最大節點力來模擬其損傷。一方面,這種方法可以直接降低損傷后的節點剛度,另一方面,這種方法也可以直接減少斷裂能。數值模擬模型如圖6所示。對模型的下邊界完全固定,上邊界施加位移荷載。Cohesive單元的雙線性本構參數見表4。

表4 Cohesive單元參數

3.3 能量分析

堿骨料造成損傷后,并未改變同一網格下不同強度參數的模型的破壞裂紋形態,破壞時裂隙角度約60°(見圖7)。為探究破壞模式,對比無堿骨料試件與含堿骨料試件模型的截面Cohesive單元總能量(見圖8)。

在Cohesive單元破壞能量與單元數相同的情況下,通過前文定義的損傷方法,無堿骨料與含堿骨料的模型仍存在能量差異,這也側面印證了本文所述損傷定義方法的可行性。在加載前期,二者的能量演化方式相同,當主應變達到0.000 7左右時,堿骨料的損傷作用開始明顯,試件的儲能能力開始快速下降。此時試件中的膠結物儲能能力還未達到極限,故而無堿骨料試件的總能量依舊在上升;與之不同的時候,堿骨料作用試件的儲能能力已達到極限,這是因為其中的膠結物與骨料間界面強度已達到極限,導致膠結物雖能繼續儲能,試件整體卻因界面處發生破壞而整體失去強度。

4 結論

本文通過室內試驗與FDEM數值模擬方法對堿骨料混凝土損傷進行了研究,結論如下:

1)堿骨料混凝土中堿反應產物導致了混凝土的體積膨脹與波速降低。膨脹導致了混凝土強度下降,設計強度為C30的混凝土強度已下降至26 MPa左右。2)通過FDEM方法建立了堿骨料混凝土破壞模型,利用波速的下降幅度定義了損傷變量,該損傷變量在FDEM模型中可以較好地描述混凝土單軸抗壓強度的下降。3)堿骨料混凝土最終破壞時破壞形態與正常混凝土類似,但其儲能能力下降,這是堿骨料降低膠結物與骨料間界面強度造成的。堿骨料反應顯著降低了混凝土的單軸抗壓強度。