自然湿度及围压作用下的混凝土率效应试验研究

梁春华，姜 袁

(三峡大学科技学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

目前，对水环境下的混凝土静动态性能研究已取得不少成果，但还有待深入。研究人员开展了不同水压下混凝土的强度试验，试验研究表明[1-5]，混凝土的强度随围压增加总体呈增大的趋势。王春来[6]进行了不同围压条件下钢纤维混凝土受压试验研究，结果发现，混凝土峰值应力、峰值应变随着围压的增大都有不同程度的提高。柏巍[7]等进行了钢纤维混凝土常规三轴动态特性试验研究，结果表明，随围压增大，混凝土抗压强度增大，且随围压的增大，围压对混凝土抗压强度的增幅逐渐减小并趋于稳定。在上述试验中，围压的施加方法是将试件密封，然后再施加周向围压。但对于在水压中工作的混凝土结构，水直接作用于混凝土上，因此，本文进行了基体强度为C30的混凝土材料在不同围压和不同应变速率下的常规三轴单调压缩试验，分析不同围压下的混凝土动态强度等基本力学参数及混凝土破坏的主要原因，为在水压作用下工作的混凝土结构设计与建设提供参考。

1 试件制作及试验

1.1 试件制作及加工

本次试验所用水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，经过水泥胶砂试验测得其3 d和28 d的抗压、抗折强度均满足相关规范要求；拌合用水为饮用自来水；粗骨料粒径是5～30 mm的连续级配河卵石；细骨料是细度模数为1.8的连续级配天然河砂。混凝土试件质量配合比为水泥∶水∶砂子∶石子=370∶185∶646∶1199。

试件为φ150 mm×300 mm的圆柱体，先整体浇筑，在自然条件下养护90 d后进行取芯编号并集中放置，取出的混凝土试件长度约为400 mm，由于试件的上、下表面不平整，为避免试验过程中出现偏心受压的情况，将混凝土试件做切割磨平处理，切割时将试件长度预留至305 mm，磨平后的试件长度控制在300±1 mm。

1.2 加载试验

在进行单轴试验(干燥无水压)时，直接对切割打磨后的试件进行加载，在进行水压作用下的常规三轴试验之前，对试件进行水饱和预处理，即在有水压(与加载时围压相同)中浸泡16～17 h后，电脑软件显示围压已不再随时间的增加而改变，即认为预处理之后的混凝土内、外部水压力已经恒定不变，且已达水饱和状态。本次试验时试样不进行密封，直接与水接触，试验时先给试件预加20 kN的初始静荷载，荷载由加载框架的传立柱通过围压桶顶部的活塞直接传递到试样上，侧向荷载由围压水直接作用在试样上，然后以位移控制方式，按设定的应变速率对试件进行加载直至破坏，加载过程中保证围压恒定不变，围压、轴向荷载和轴向位移等数据由计算机自动采集并实时图像显示。

2 试验结果分析

2.1 基本力学参数

为了研究水压下的混凝土在不同围压及不同应变速率条件下的力学行为，本文进行了混凝土试件在自然状态和饱和有水压(0、2、5、10 MPa)下的应变速率分别为10-5、10-4、10-3、10-2/s的混凝土单调压缩试验，取10-5/s为准静态应变速率，得到的试验结果见表1。不同加载环境下，混凝土峰值应力、峰值应变及弹性模量与应变速率的关系分别见图1、图2、图3。

表1 不同环境下混凝土的基本力学参数Tab.1 Basic mechanical parameters of concrete under different environment

图1 混凝土的峰值应力与应变速率的关系图Fig.1 The relation schema between peak stress and strain rate of concrete

图2 混凝土的峰值应变与应变速率的关系图Fig.2 The relation schema between peak strain and strain rate of concrete

图3 混凝土的弹性模量与应变速率的关系图Fig.3 The relation schema between elasticity modulus and strain rate of concrete

由表1及图1～图3可以看出，混凝土的峰值应力随加载速率的增加而增大，在0～10 MPa围压范围内，混凝土峰值应力随围压增大，其增幅呈先增加后减小的趋势，在5 MPa围压时达到最大增幅118.24%，到10 MPa时减小到96.98%，即随围压增大，混凝土峰值应力对应变速率愈加敏感，到最后敏感性减弱。自然状态与饱和0 MPa有水压下相比，混凝土在各应变速率下的峰值应力都要大，即自然状态下混凝土的强度比水饱和混凝土强度要高，这与王海龙[8]关于混凝土在准静态加载速率(10-6/s)下强度降低，中加载速率下(10-4/s)强度增高的说法有所不同。

混凝土的峰值应变随加载速率的增加总体呈增大的趋势，在自然状态下，围压为0、2 MPa时，最大增幅为22.85%，围压为5、10 MPa时，增大的趋势相对更明显，最大增幅为69.95%。在各应变速率下，混凝土峰值应变在自然状态下都比0 MPa有水压下要大，即自然状态下混凝土要比水饱和混凝土的变形大，这与王海龙[8]的结论相同。

混凝土的弹性模量随加载速率的增加总体呈增大的趋势，在自然状态下，最大增幅为21.84%，在饱和有水压中，最大增幅为0 MPa时的84.85%，即弹性模量对水压比较敏感，且随围压的增大，其率敏感性有逐渐降低的趋势。在饱和有水压时，弹性模量随加载环境的变化并不明显，即混凝土的弹性模量对围压的敏感性小于对应变速率的敏感性。

2.2 破坏形态

本试验混凝土破坏形态主要有两种，如图4所示：柱状压坏、斜剪破坏。破坏形态随应变速率及加载环境的变化并没有表现出明显的差别。在较高应变速率下，部分混凝土破坏时可听到响亮的爆裂声。

图4 混凝土试件的主要破坏形态Fig.4 The main failure mode of concrete

混凝土受到外围有压水作用时，有压水会沿着混凝土表层的微观裂纹逐渐渗入到混凝土内部，导致混凝土内部裂纹受力发生变化，在外部荷载作用下，孔隙裂纹首先发生扩展、并相互连接，当有压水及外部荷载持续作用时，混凝土所承受的与轴向荷载方向平行的拉应变比它的极限应变还大，最终引起混凝土结构的破坏失稳。

3 结 语

(1)混凝土的强度随围压增大对应变速率的敏感性更强，相同应变速率下，自然状态下混凝土的强度比0 MPa下水饱和混凝土强度要高。

(2)混凝土的峰值应变随应变速率的增大呈增大的趋势，总体随围压增大而增加，在围压为5 MPa时，离散性较大，自然状态下混凝土要比0 MPa下水饱和混凝土的变形大。

(3)混凝土的弹性模量随加载速率的增加总体呈增大的趋势，随加载环境的变化并不明显。

□

[1] 杜守来，李宗利，金学洋.孔隙水压对混凝土抗压强度影响的初步研究[J].人民长江，2009,40(3):54-56.

[2] Cadoni E, Labibes K, Albertini C, et al. Strain-rate effect on the tensile behavior of concrete at different relative humidity levels[J]. Materials and Structure,2001,34(1):21-26.

[3] 闫东明，林 皋，王 哲，等.不同环境下混凝土动态直接拉伸特性研究[J].大连理工大学学报，2005，45(3):416-421.

[4] 王海龙，李庆斌.孔隙水对湿态混凝土抗压强度的影响[J].工程力学，2006,23(10):141-145.

[5] Vu XH, Malecot Y, Daudeville L, et al. Experimental analysis of concrete behavior under high confinement: effect of the saturation ratio[J]. Solids Struct, 2009,46(5):1105-1 120.

[6] 王春来.不同围压条件下钢纤维混凝土受压试验研究[J]. 矿业研究与开发, 2004,24(4):4-6.

[7] 柏 巍, 彭 刚, 周丽娜,等. 钢纤维混凝土动态特性三轴试验研究[J]. 矿业研究与开发, 2008,28(1):21-24.

[8] 王海龙，李庆斌.不同加载速率下干燥与饱和混凝土抗压性能试验研究分析[J].水力发电学报，2007,26(1):84-89.