循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究

黄仕超，彭 刚，梁 辉，田 为

(1. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)



循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究

黄仕超1，2，彭 刚1，2，梁 辉1，2，田 为1，2

(1. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

为研究不同孔隙水压循环次数、不同加载速率下的混凝土的力学性能，对直径为300 mm，高度为600 mm的混凝土试件进行0，10，50，100，200次循环孔隙水压的预处理(孔隙水压的上限为3 MPa，下限为1 MPa)，然后在3 MPa的围压下进行4种应变速率(10-5，10-4，10-3，10-2/s)下的常三轴(σ2=σ3≥σ1)抗压性能试验。结果表明：随着应变速率的不断增加，混凝土的峰值应力增大，峰值应变整体上呈增大的趋势；随着循环孔隙水压次数的不断增加，混凝土的峰值应力呈阶段性变化，100次之前呈增大趋势，100次之后呈减小趋势，峰值应变无明显规律性变化，弹性模量呈减小趋势。

混凝土；循环孔隙水压力；峰值应力；应变速率；弹性模量

1 研究背景

关于自然状态以及干态混凝土的力学性能的研究已经取得了较为丰富的成果，而对于湿态混凝土动态特性的研究还存在欠缺。随着研究的深入，Butler(1981)[1]将影响混凝土的孔隙水压力分成主动孔隙水压力、被动孔隙水压力及中性孔隙水压力，并阐明造成混凝土发生破裂的原因为主动孔隙水压力使材料产生的拉应变；Rossi(1991)[2]考虑了混凝土的孔隙、微裂纹、界面裂缝以及它们之间连通程度的影响；Oshita等(2000)[3]通过试验研究，发现混凝土的孔隙水压力最大值发生在屈服应变外，或者说发生在平均应力最大值所对应的应变处；Yaman等(2002)[4-5]研究了孔隙率及孔隙中含水量对混凝土力学性能的影响。国内也有许多学者对水环境下的混凝土进行了研究，如闫东明等(2005)[6]的直接拉伸试验表明，当含水量从0.31%增至4.8%时，混凝土的拟静态强度从2.21 MPa降低至1.30 MPa，降低幅度为41.2%；王海龙等(2006)[7]认为混凝土中孔隙水压力减小了阻碍混凝土开裂的摩阻力，相当于楔体的“楔入”作用，加速了混凝土的损伤和微裂纹的扩展，与干态混凝土相比，湿态混凝土的开裂应力和抗压强度都有所降低。上述对水环境混凝土力学性能的研究大多处于准静态下，而且关于这方面的研究也不是很深入，本文详细分析循环孔隙水压力下混凝土动态强度、变形、弹性模量等力学特性，得出了一些可供借鉴的结论。

2 循环孔隙水压力下混凝土抗压性能试验

2.1 试验设备

试验所用设备为10 MN大型多功能液压伺服三轴仪。利用试验系统配置的围压桶对混凝土试件进行加压处理，可加载的最大围压和最大孔隙水压力值均为30 MPa。加载框架用于对试件进行轴向加载，竖向最大动、静力加载值分别为5 000 kN和10 000 kN。为了对试件的变形进行有效测量，围压桶中还配备了由三峡大学自行设计的高压水环境内试件变形测量装置。进行围压及孔隙水压试验时，通过电脑系统全程控制，利用加压阀系统给围压桶加水和加压。

2.2 试件制备

本试验所采用的试件为ø300 mm×600 mm的标准圆柱体混凝土试件。试件采用钢模进行浇筑，成型后在室温下静置24 h后拆模并编号，按一定顺序整齐摆放，在自然条件下养护28 d。本文采用的是宜昌花林水泥有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，采用饮用自来水进行搅拌。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土每立方米材料用量

2.3 试验步骤

(1) 将混凝土试件置于围压桶上部平台上，擦净围压桶内壁及橡胶圈并抹油以增加桶壁的润滑性，防止桶盖与底座合拢时刮花内壁。吊装围压桶就位后，将其箍紧，关闭出水阀，打开进水阀及2个高压阀，围压桶上部排水管与大气压连通，往围压桶中充水;待水充满后关闭围压桶上的排水口，打开电脑及围压控制软件，连接EDC驱动程序，EDC2指向围压，以围位移控制方式通过加压阀给试件施加围压，待接近所设围压值时转换控制方式，以围压进行控制，达到围压值3 MPa后，保持恒压5 h左右。

(2) 采用“围压控制”方式控制孔隙水压力进行上、下限加卸载。待围位移不再发生较大变化时，以3 MPa/min的速率从上限值3 MPa开始卸载到下限值1 MPa，保持30 min，再以3 MPa/min的速率从下限值开始加载到上限值3 MPa。

(3) 设定软件循环控制程序，不间断重复步骤(2)中设置，直至完成试验预定的循环次数N。

图1 孔隙水压力循环控制界面Fig.1 Control interface of cyclic pore water pressure

循环处理过程中，利用计算机中的控制软件进行围压的加卸载控制，直至到达预定的循环次数N，图1为典型的孔隙水压循环控制界面。需要注意的是，由于实验室的设备不具备测定混凝土内部的孔隙水压大小的条件，本试验以混凝土外围水压稳定后的大小间接表征其内部的孔隙水压力大小。

(4) 正式加载。由于进行不同加载速率加载时所需伺服油源不同，加载之前要确认油源开关是否切换。进行加载速率为10-5/s和10-4/s的试验时，采用辅助伺服油源；进行加载速率为10-3/s和10-2/s的试验时，采用主伺服油源。一切准备好之后，给试件预加30 kN的初始静荷载，然后以位移控制方式，按设定的加载速率对试件进行加载直至试件破坏，加载过程中保证围压3 MPa恒定不变。

(5) 卸载及后续处理。试件破坏后，停止加载并以恒定位移控制将围压桶下降到初始位置，对破坏后的试件进行拍照处理并完成试件残渣的清理工作。

3 混凝土基本力学性能分析

3.1 强度分析

历经不同孔隙水压循环次数后的混凝土在4种不同应变速率(10-5，10-4，10-3，10-2/s)下的峰值应力及变化趋势如表2及图2、图3所示。

表2 历经循环作用后的混凝土峰值应力值

图2 不同孔隙水压循环次数下混凝土峰值应力与应变速率的关系Fig.2 Relationsbetweenconcrete’speakstressandstrainrateunderdifferentcyclesofporewaterpressure图3 不同应变速率下峰值应力与孔隙水压循环次数的关系Fig.3 Relationsbetweenpeakstressandcyclesofporewaterpressureunderdifferentstrainrates

由表2及图2可以看出，随着应变速率的增加，历经不同次数孔隙水压循环后的混凝土抗压峰值应力增大。取10-5/s为准静态应变速率，历经0，10，50次循环作用后，随加载速率增加，混凝土峰值应力的增加程度可由表2计算得到，经研究发现混凝土抗压强度的增加幅度与应变速率的对数之间接近线性关系。由表2和图3可以得到，随着孔隙水压循环次数的增加，峰值应力表现出阶段性的变化：当循环次数不大于100次时，峰值应力呈增大的趋势；当循环次数达到100次时，峰值应力开始减小。

3.2 变形分析

试验中，历经不同孔隙水压循环次数后的混凝土在4种不同应变速率(10-5，10-4，10-3，10-2/s)下的峰值应变及变化趋势如表3及图4、图5所示。

表3 历经循环作用后混凝土的峰值应变值

图4 不同孔隙水压循环次数下混凝土峰值应变与应变速率的关系Fig.4 Relationsbetweenconcrete’speakstrainandstrainrateunderdifferentcyclesofporewaterpressure图5 不同应变速率下混凝土峰值应变与孔隙水压循环次数的关系Fig.5 Relationsbetweenconcrete’speakstrainandcyclesofporewaterpressureunderdifferentstrainrates

由表3和图4可以看出，随加载速率的增加，峰值应变表现出一定的离散性，但整体上有明显增大的趋势;由图5可知，随着孔隙水压循环次数的增加，混凝土的峰值应变呈现出波动的性质，没有明显的规律。

3.3 弹性模量分析

弹性模量是混凝土材料本构特性的重要参数，采用式(1)对应力-应变全曲线进行计算，得到历经不同孔隙水压循环次数后的混凝土在4种不同应变速率(10-5,10-4,10-3,10-2/s)下的弹性模量值及变化趋势，如表4及图6、图7所示。

(1)

式中：E为弹性模量；σ0.35，σ0.45分别为峰值应力的35%，45%；ε0.35，ε0.45分别为σ0.35，σ0.45对应的峰值应变。

表4 历经循环作用后混凝土的弹性模量值

图6 不同孔隙水压循环次数下混凝土弹性模量与应变速率的关系Fig.6 Relationsbetweenconcrete’smodulusofelasticityandstrainrateunderdifferentcyclesofporewaterpressure图7 不同应变速率下混凝土弹性模量与水压循环次数的关系Fig.7 Relationsbetweenconcrete’smodulusofelasticityandcyclesofporewaterpressureunderdifferentstrainrates

图8 弹性模量与孔隙水压循环次数的拟合曲线Fig.8 Fitting curves of elastic modulus and cycles of pore water pressure

由表4和图6可以看出，混凝土的弹性模量随加载速率的增加表现出较大的离散性，当加载速率不大于10-3/s时，弹性模量增大;当加载速率达到10-3/s时，弹性模量开始减小。由表4和图7可以看出，混凝土的弹性模量随孔隙水压循环次数的增加，呈减小的趋势，其变化规律可用下式进行拟合,拟合曲线见图8。拟合公式如下：

(2)

式中：E0为0次孔隙水压循环下混凝土的弹性模量；N为孔隙水压循环次数；λ为拟合参数。

由表5和图8可知，混凝土的弹性模量与循环次数的关系曲线拟合较好，相关系数在0.87以上，拟合公式(2)可以较好地反映两者之间的变化规律。

表5 弹性模量拟合参数

4 破坏机制分析

4.1 破坏形态

在本试验中，由于未对试件进行密封处理，所施加的围压使试件强度增强的幅度有限，三轴压缩情况下，试件的破坏形态与单轴压缩试验中的破坏形态比较类似，如图9和图10所示，主要表现为多个共轭斜面剪切破坏和斜剪破坏2种形态。试件破坏形态表现为锥形或倒锥形，因为试件在受压的过程中，传力板的刚度和与其接触的混凝土试件的刚度不一样，由于侧向变形的不一致造成试件在受压的过程中还会受到侧向摩擦力，因此在混凝土的上下表面会受到向里的径向摩擦力。

图9 共轭斜面剪切破坏Fig.9 Shearfailureatconjugateslope图10 斜剪破坏Fig.10 Obliqueshearfailure

4.2 强度变化机制分析

混凝土是非均匀复合材料，在其浇筑之初，其内部已存在初始损伤，在外界因素的影响下，该损伤得到发展并形成微裂缝，造成新的损伤。当损伤持续累积，微裂缝会贯通形成宏观裂缝，宏观裂缝进一步发展，最终将导致混凝土体的破坏。综上所述，混凝土的破坏过程实际上是损伤逐步产生并发展的过程。

孔隙中的自由水以及孔隙水压循环作用对混凝土力学性能的影响主要表现在2个方面：一是渗透压力使混凝土内部产生更多的微裂缝；二是孔隙水在孔隙界面上产生的黏性效应，即Stefan效应。

4.2.1 渗透压力作用

当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影响混凝土的性能时，混凝土的材料性能发生劣化，如强度降低、透水性增大等诸多后果。孔隙水压循环对混凝土的作用是一种从量变到质变发展的过程，即每一次的效应并不一定非常显著，但在多次的循环发生情况下，却可使效应累积性增大，直到破坏。所以说孔隙水压循环作用是一种“疲劳作用”，它对混凝土介质的劣化作用比持续浸泡要强。

图11 Stefan效应示意图Fig.11 Sketch of Stefan effect

4.2.2 Stefan效应黏性机制的物理分析

Stefan效应也称黏性效应[8]，其工作原理如图11所示。有2个间距为h、半径都为r的平行圆盘，圆盘中间是黏度为k(Pa·s)的不可压缩流体，当二者以相对速度v向相反方向运动时，它们之间产生的黏聚力为

(3)

由黏聚力引起的拉应力为

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，黏聚力Fc与液体黏度k和相对速度v成正比关系，应力σ与裂纹位移、裂纹面的相对速度v=dh/dt与加载速率成正比关系，即液体对平板施加的反作用力与平板的分离速度成正比。因此，混凝土在破坏分离时，由自由水引起的黏聚力Fc随应变速率的增加而增大，阻碍了混凝土中裂纹的开裂，使得混凝土的动力强度增加。

4.2.3 混凝土强度变化机制分析

由图3可知，随着孔隙水压循环次数的增加，混凝土的峰值应力表现出阶段性的变化，当循环次数不大于100次时，峰值应力呈增大的趋势；当循环次数在100～200次范围时，峰值应力减小。产生此种现象的原因是，当循环次数不大于100次时，孔隙水的渗透压力作用使混凝土产生有限的损伤，产生一定数量的厚度很薄的毛细裂缝并充满自由水。当混凝土受到外力作用时，孔隙间会产生强烈的Stefan效应，即产生阻止微孔隙扩展的阻力，并且在一定的循环次数范围内，介质内饱和的自由水越多，Stefan效应表现得越明显，最终导致混凝土强度增大。当循环次数进一步增加，达到200次时，孔隙水的渗透压力作用使混凝土产生较大的损伤，毛细裂缝发展成为微裂缝甚至是宏观裂缝，尽管还会产生新的毛细裂缝并在受到外部荷载时有Stefan效应产生，但宏观裂缝中的孔隙水机械作用占据主导地位，导致混凝土强度降低。尽管如此，从200次循环作用后混凝土强度依然比0次循环作用后的混凝土强度高的试验结果可以看出，Stefan效应依然起到较大的作用。

5 结 论

从以上试验结果和对混凝土破坏机制分析的成果可知：

(1) 随着应变速率的不断增加，历经不同孔隙水压循环次数作用后的混凝土峰值应力也随之增加。随着孔隙水压循环次数的增加，混凝土峰值应力的变化呈现出阶段性：当循环次数不超过100次时，混凝土的峰值应力随循环次数的增大而增大；当循环次数超100次时混凝土的峰值应力随循环次数的增大而减小。

(2) 随着应变速率的不断增加，混凝土的峰值应变整体上呈现出增大的趋势；随着孔隙水压循环次数的增加，混凝土的峰值应变表现出波动的趋势。

(3) 随着应变速率的不断增加，混凝土的弹性模量没有明显的规律；随着孔隙水压循环次数的增加，混凝土的弹性模量减小，并在此基础上构建了两者之间的拟合公式，结果表明两者的相关程度较高。

[1] BUTLER J E. The Influence of Pore Pressure upon Concrete[J]. Magazine of Concrete Research，1981，33(114):3-17.

[2] ROSSI P. Influence of Cracking in the Presence of Free Water on the Mechanical Behavior of Concrete[J]. Magazine of Concrete Research，1991，43：53-57.

[3] OSHITA H，TANA B E. Modeling of Water Migration Phenomenon in Concrete as Homogeneous Material[J]. Journal of Engineering Mechanics，2000，126(6):565-572.

[4] YAMAN I O，HEARN N，AKTAN H M. Active and Non-active Porosity in Concrete Part Ⅰ: Experimental Evidence[J]. Materials and Structures，2002，35:102-109.

[5] YAMAN I O，AKTAN H M，HEARN N. Active and Non-active Porosity in Concrete Part Ⅱ: Evaluation of Existing Models[J]. Materials and Structures，2002，35:110-116

[6] 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.

[7] 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):141-144.

[8] 黄桥平. 基于Stefan效应的混凝土随机细观黏性损伤模型[J]. 结构工程师，2013，29(4):31-37.

(编辑：黄 玲)

Mechanical Properties of Concrete under Cyclic Pore Water Pressure

HUANG Shi-chao1，2，PENG Gang1，2，LIANG Hui1，2，TIAN Wei1，2

(1.Collaborative Innovation Center of Geological Hazards and Ecological Environment in Three Gorges Area in Hubei Province，Yichang 443002，China； 2.College of Civil Engineering & Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China)

The concrete specimens with diameter of 300mm，height of 600mm, were preprocessed under 0 cycle，10 cycles，50 cycles，100 cycles，200 cycles of pore water pressure(upper limit of pore water pressure for 3MPa，the lower limit for 1MPa) .In order to study mechanical properties of concrete under different cycles of pore water pressures and different strain rates, we carried out conventional triaxial(σ2=σ3≥σ1) compressive tests for these specimens under four strain rates(10-5/s，10-4/s，10-3/s，10-2/s)with confining pressure of 3 MPa. The results show that 1) with the increasing strain rate，the peak stress of concrete increases and the peak strain shows increasing trend. 2) Before 100 cycles of pore water pressure，the peak stress gradually increase, but after that the peak stress tends to decrease, so the peak stress of concrete changes by phase with the increasing cycles of pore water pressure. Variation of peak strain is irregular, whereas elastic modulus tends to decrease with the increasing cycles of pore water pressure.

concrete；cyclic pore water pressure；peak stress；strain rate；elastic modulus

2014-08-08；

2014-09-05

国家自然科学基金项目(51279092)；三峡大学研究生科研创新基金(CX2014010)；湖北省协同创新中心研究生自主探索基金；三峡大学培优基金(2015PY018)

黄仕超(1989-)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为建筑与土木工程、混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)13098407206(电子信箱)271613040@qq.com。

彭 刚(1963-)，男，湖南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)13972604433(电子信箱)gpeng158@126.com。

10.11988/ckyyb.20140680

2016,33(01):134-138

TV431

A

1001-5485(2016)01-0134-05