冻融环境下不同预制裂缝混凝土断裂性能研究

2019-05-17王靖荣陈有亮

水资源与水工程学报 2019年2期

王靖荣，陈有亮,2，傅喻

(1.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；2.柏林工业大学应用地质研究所，柏林 10115-14199)

1 研究背景

混凝土作为工程中使用广泛的多相复合材料，具有原材料丰富、价格低、施工工艺简易多变、节能高效和较高的耐久性能等优点[1]，同时它也是一种准脆性材料，结构相对复杂，具有多尺度性[2]，研究混凝土耐久性一直是结构工程领域的突出问题。1991年Mehta[3]在报告中提出：“混凝土结构受到破坏的主要原因包括：钢筋的腐蚀、冻结、物理和化学作用。”由此可见，混凝土结构的耐久性受冻害作用严重影响[4-5]。

我国北部及西部地区长期处于低温环境，位于这些地区的混凝土建筑经常不可避免地暴露于冻融条件下。在反复冻融作用下，混凝土易胀裂产生裂缝。裂缝一旦形成并逐渐扩展，其强度、断裂能等都会受到很大的影响，结构的耐久性和安全性能降低，造成寒冷地区边坡工程、隧道工程、建筑物基础工程等的冻害问题[6-7]。不仅如此，根据全国水工建筑物耐久性调查资料[8]，位于东部地区的建筑物也常受到冻害作用。

许多学者针对冻融环境下混凝土冻融损伤问题进行了研究[9-13]，然而工作重点多数在宏观层面上，对冻融作用后混凝土的细微观结构以及其损伤劣化规律的研究还不多。但是冻融环境下混凝土的破坏过程主要源于初始缺陷微空隙及微裂缝的萌生、扩展、贯通的裂化过程，其间伴随着空气中的 CO2、氯离子等在混凝土中的加速侵蚀，导致产生更宽的裂缝，形成了反复交替的耐久性损伤[14-15]。因此裂缝会对混凝土结构的耐久性产生严重的影响。故研究混凝土在冻融环境下的断裂性能，具有重要的理论研究价值和现实指导意义。本文结合材料的宏观力学特性以及细观损伤特征，加强断裂裂缝特性研究，分析其影响因素，探究混凝土冻融环境下的断裂损伤破坏规律。

2 试验方法

2.1 试验用原材料

试验所用原材料有上海海螺水泥有限公司生产的32.5级复合硅酸盐水泥；粒径为5～20 mm连续级配的石灰石质碎石，压碎指数4.8%，表观密度2 700 kg/m3；普通江砂，细度模数2.8，密度2 650 kg/m3；YSP萘系高效减水剂，减水效率18%，胶凝材料质量分数为1.2%。

2.2 试件的制备

制作尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件共5组(编号为A～E)，每组20块。其中，A、B、C、D、E组分别对应相对切口深度a0/h为0、0.1、0.2、0.4、0.6的试件(切口深度以2倍确定，相对切口深度为0.6时达到容易质变的点)。试件组A～E用以探究相对切口深度对冻融环境下混凝土断裂性能的影响。

根据傅喻等[16]的研究，选用合适的试件配合比(见表1)。按照不同相对切口深度a0/h、不同冻融循环次数n对试件进行分组，分组情况及编号见表2。其中，数字0、25、50、75、100表示冻融循环次数，字母A、B、C、D、E分别表示相对切口深度为0、0.1、0.2、0.4、0.6。每组至少取4个试件作为平行试验，以减少因试块离散型而造成的误差。

按照表1的配比，计算用量并称重；按规范顺序将原材料放入混凝土搅拌机使其搅拌充分；将搅拌好的混凝土装入模具，采用厚0.7 mm钢板制作预制裂缝(因不规则的裂缝在试验中无法保证对照组之间的统一，为减少误差，选用同一种规则的裂缝，将实际可能极限化)，钢板两侧涂上润滑油，插入模具，钢板及预制裂缝试件示意图如图1所示。将混凝土振捣直至密实并置于试验室空气中养护，24 h后拆模，放入标准养护室中(温度20±3℃，相对湿度90%以上)养护28 d。

表1 试验混凝土配合比

表2 试件分组及编号

图1 钢板及预制裂缝试件示意图

2.3 试验设计

2.3.1 冻融循环试验冻融试验采用混凝土快速冻融试验机(型号KDR-V)。采用快冻法进行冻融循环试验，试验方法依据规范要求：单次冻融循环所需时间为2～4 h，且用于试件融化的时间应不少于整体时长的1/4。

冻融过程中,试件的中心温度在(-18±2)～(5±2)℃之间，试件质量损失率超过5%或其相对动弹性模量小于60%时，停止试验。

2.3.2 三点弯曲试验试验采用SANS万能试验机。在完成冻融循环试验后，进行三点弯曲试验。将试块沿着其长度方向两边缘75 mm处画线，将其放在试验机下的两个支撑柱上，画线处与支撑柱对齐，并将试块水平放置。以100 N/s的恒定速率对混凝土试件自动施加连续荷载，直至试件开裂破坏，得到试件破坏时的峰值荷载Pmax。

2.3.3 裂缝的扩展路径观察利用扫描电子显微镜(SEM)和立体显微镜观察冻融前后混凝土内部微孔隙及微裂纹以及裂纹扩展路径，从微观层面上阐明冻融作用对混凝土结构的损伤劣化机理。利用IPP软件对SEM图像进行处理，分析在不同冻融循环次数下混凝土的孔隙率变化规律。将微缺陷和动弹性模量作为混凝土损伤依据，定义损伤变量，建立混凝土的冻融损伤演化方程，探讨冻融循环次数对混凝土损伤的影响。

3 结果与讨论

3.1 冻融循环后试件表观劣化形态分析及混凝土质量损失率

3.1.1 冻融循环后试件表观劣化形态分析冻融试验后不同深度切口的试件外观破坏情况如图2所示。由图2可看出，在25次冻融循环后，混凝土表面几乎完好，用肉眼只能观察到有略微孔隙，无明显变化；50次循环后，各试件表面微孔隙明显增多；75次循环后，劣化开始明显，表现为微裂缝产生、试件表面掉皮、微颗粒水泥浆脱落，导致试件表面粗糙；100次循环后出现微裂缝扩展、表面掉渣、边角缺失的现象，切口a0/h=0.4的试件在100次冻融循环后，在切口处出现破碎现象。综上所述，冻融循环次数越多，混凝土试件表观劣化程度也越大，且冻融劣化形态呈现出多种形式相结合的特征。

图2 不同切口深度的棱柱体试件在不同冻融循环次数下外观损伤图片

3.1.2 混凝土质量损失率混凝土质量损失受冻融循环的影响主要体现在试件表面的剥落以及边角的损坏。对不同循环次数下不同相对切口深度棱柱体试件进行质量测定，取各组平均值，计算质量损失率，结果见图3。

从图3可以看出，在25次冻融循环后，各切口深度的试件质量损失均较小，在0.16%左右，与未冻融情况相差甚少；50次循环后，各组试件的质量损失率略微增大，上升趋势非常平缓，均在0.95%左右；75次循环后，A组及B组的损失率在2.2%，而C、D、E组的损失率在2.7%左右；100次冻融循环后，质量呈现急剧变化，A、B组损失率分别为5.36%及5.61%，C组为7.52%，而D、E在8.30%左右。通过以上分析得到，冻融循环次数较少情况下，相对切口深度对混凝土的质量损失影响较小。随着循环次数的不断增加，相对切口深度越大，混凝土的质量损失率越大。这说明带有初始长裂缝的混凝土不适于长期作业于冻融环境下。

图3 不同冻融循环次数下不同相对切口深度混凝土质量损失率

3.2 冻融环境下预制裂缝深度对混凝土断裂性能的影响

3.2.1 抗弯强度不同冻融循环次数下，不同相对切口深度棱柱体的抗弯强度及抗弯强度损失率计算结果如表3所示，其关系曲线如图4、5所示。100次冻融循环后，由于相对切口深度为0.6的试件已破坏，导致数据缺失。

表3 不同冻融循环次数下不同相对切口深度混凝土三点弯曲试验结果

图4 不同冻融循环次数下不同相对切口深度混凝土抗弯强度

图5 不同冻融循环次数下不同相对切口深度混凝土抗弯强度损失率

由图4、5可以看出，冻融循环作用对抗弯强度的影响非常明显。在0次循环下，不同相对切口试件的抗弯强度都较为接近，在5.4 MPa左右。在25次循环作用后，相对切口为0的试件抗弯强度损失率在27%，而相对切口深度0.6试件的损失率已高达50%，说明切口的存在会导致试件抗弯强度损失率增大。冻融作用循环次数越大，抗弯强度越小，有预制裂缝的试件抗弯强度下降趋势较接近，在50次循环前下降幅度较大。75次循环后，各试件的损失率平均高达80%，此时有无切口对试件抗弯强度的影响并不明显。通过纵向比较可以发现，在0次冻融循环下，各试件的抗弯强度均在5 MPa左右，随着循环次数增加至75次后，均下降至1 MPa以下，各试件抗弯强度损失率变化规律相近。说明冻融作用对于混凝土抗弯性能有较显著的影响，且其伤害作用呈现先急后缓的趋势；在冻融循环状态下，有无初始裂缝对混凝土抗弯强度会产生一定影响，其影响在冻融初期比较明显，而相对切口深度的变化对抗弯强度的影响并不显著。

3.2.2 断裂韧度计算所得断裂韧度数据详见表4。试件断裂韧度与冻融循环次数以及试件相对切口深度关系曲线如图6、7所示。根据断裂韧度，以各组0次冻融为对照组，求得各冻融循环次数下试件断裂韧度损失率，如表5所示，其关系曲线见图8。

表4 不同冻融循环次数下不同相对切口深度试件断裂韧度 (MPa·m1/2)

表5 不同冻融循环次数下不同相对切口深度试件断裂韧度损失率 %

图6 混凝土断裂韧度与冻融循环次数关系曲线

图7 混凝土断裂韧度与相对切口深度关系曲线

图8 不同冻融循环次数下不同相对切口深度混凝土断裂韧度损失率

通过图6、8可以看到，随着循环次数的增加，混凝土的断裂韧度不断减小。在25次循环时，减小趋势较大，其中，相对切口深度0.4、0.6的试件损失率高达近50%。25次冻融循环后，试件断裂韧度持续减小，但减小速率逐渐降低，50次循环时的试件断裂韧度在25次循环后的基础上损失了30%左右。50次循环后，断裂韧度减小幅度呈现出线性状态，以10%左右的损失率递减，100次循环后，断裂韧度均减小90%以上。这说明冻融环境对于混凝土试件的断裂韧度具有重要影响，循环次数越多，断裂韧度越小。

通过图7可以看到，在无冻融循环条件下，不同相对切口试件的断裂韧度相差不大，均在1.25 MPa·m1/2左右，只有0.6相对切口试件略微偏小。在50次冻融循环次数后，随着相对切口深度的增加，断裂韧度无明显增减变化，整体稳定于同一水平线上。这说明在冻融环境下，0.6及以下相对切口深度对混凝土断裂韧度无明显影响，也就是断裂韧度是材料本身固有断裂特性的表征，与初始裂缝深度无关。

3.2.3 断裂韧度与抗弯强度相关性分析以往的研究表明,混凝土材料强度与韧度之间存在着一定的联系，断裂韧度与强度参数的相关性研究具有重要的理论与实践价值。根据本文的试验数据统计,描绘出不同相对切口深度试件的断裂韧度与抗弯强度曲线关系,如图9所示。

图9 不同相对切口深度混凝土抗弯强度与断裂韧度关系及拟合曲线

由图9可看出，断裂韧度KICn与抗弯强度Rn呈现出良好的线性关系，不同相对切口深度的拟合关系式如公式(1)～(4)。

a0/h=0.1试件拟合关系式：

KICn=0.2295Rn+0.0045R2=0.9978

(1)

a0/h=0.2试件拟合关系式：

KICn=0.2515Rn-0.0011R2=0.9998

(2)

a0/h=0.4试件拟合关系式：

KICn=0.2407Rn+0.000003R2=1

(3)

a0/h=0.6试件拟合关系式：

KICn=0.2041Rn-0.00007R2=1

(4)

因此,在实际工程中,可以根据易于测得的抗弯强度Rn来估算断裂韧度KICn，用以评估混凝土抵抗脆性断裂的能力。

3.3 冻融环境下混凝土细微观结构及损伤分析

3.3.1 混凝土细观分析为研究冻融循环作用后混凝土细观结构变化，用显微镜对其进行表观结构的观察,结果见图10。

通过图10可以发现，混凝土表面有大量的孔洞存在,这些孔洞代表了试件所受损伤的程度,孔洞的数量越多、尺寸越大，受到的冻融损伤也就越大。在0次冻融循环下，不同水灰比试件表面相对平整，均分布着少量孔隙，其数量及大小没有明显差异。随着冻融循环次数的增加，25次冻融时，试件表面的孔洞的数量明显增多且尺寸变大,即所受的损伤增大。说明随着冻融次数的增加，混凝土表面的孔隙数量增多且尺寸增大。

3.3.2 混凝土微观分析为研究混凝土遭受冻融循环作用后的微观结构变化，对破坏后碎片进行SEM电镜扫描，探究其内部微裂纹及孔隙结构特征变化。图11为混凝土试件在不同循环次数作用后两种放大倍数(×100、×2000)下的内部结构微观图。

图10 不同冻融循环次数下混凝土表面细观图

图11 混凝土内部结构微观图

通过对图11(a)、11(c)、11(e)的比较可以直观地发现，随着冻融循环次数的增加，试件孔隙增多且扩大，密集处形成贯通微裂缝。在2000倍观察下，可以清晰看到微裂缝集中、不同尺寸微裂缝开展、未水化产物粘结面开裂等现象，如图11(b)、11(d)、11(f)所示。这说明冻融循环作用下混凝土材料的细观损伤过程是循序渐进的，可归结为：微孔隙受孔隙水作用→孔隙体积膨胀→冻胀力作用于孔隙周围→孔隙增多变大→表面微裂纹萌生→试件表面掉渣、表皮剥落→微裂纹扩展、贯通→结构松散。

为了更好地说明混凝土冻融环境下微观损伤演化过程，运用软件IPP(Image-Pro Plus)对各水灰比试件SEM微观图像进行处理，用以定量地分析冻融环境下水灰比对混凝土孔隙率的影响，以探究混凝土冻融损伤状况。求得不同冻融循环次数下试件的孔隙率，如表6所示。由表6可看出，随着冻融次数由0次增加至100次，混凝土孔隙率逐渐增大，试件孔隙率由2.295%增大到5.288%，说明冻融作用会对混凝土内部孔隙率造成显著影响，孔隙率越高，冻融环境下混凝土遭受的损伤也越严重。所得结果与肉眼观察、显微镜细观观察、SEM微观观察等结果一致。

表6 不同冻融循环次数下试件孔隙率 %

3.3.3 混凝土损伤演化分析

(1)基于微缺陷面积的冻融损伤演化。根据文献[17]，损伤变量是描述材料损伤状态的场变量，它可以根据损伤过程来定义，用以建立材料损伤演化方程，反映其真实损伤状态。在微观层面，损伤是产生非连续的微表面；在细观上，任一平面的微孔隙形态或断裂键数目都能近似于微缺陷在这个平面上的截面积。因此，可用细观体积单元微缺陷的失效效应来表征损伤变量。根据损伤力学理论的定义，可建立以下损伤评价公式：

(5)

式中：DSn为n次冻融循环时混凝土损伤变量；S0为细观体积单元原始截面积；Sn为细观体积单元n次冻融循环后微孔隙截面积。

结合IPP软件分析结果，可得到S0、Sn。根据公式(5)，计算求得混凝土损伤变量DSn，见表7。冻融循环次数与损伤变量关系如图12所示。

表7 不同冻融循环次数下试件损伤变量(W/C=0.4)

图12 不同冻融循环次数下混凝土损伤变量变化曲线

如图12所示，混凝土试件(W/C=0.4)在不同冻融循环次数作用下基于微孔隙的损伤变量DSn与冻融循环次数n之间的拟合关系式如下：

DSn=-0.000002n2+0.0005n+0.0229

(6)

R2=1

根据图12可以发现，细观层面上混凝土在初始未冻融条件下就带有初始缺陷，它与其制作过程及本身材料特性有一定的关系。根据拟合关系式(6),可以看出冻融循环次数与混凝土损伤变量之间满足二次多项式的函数关系，且完全拟合。

(2)基于动弹性模量的冻融损伤演化。混凝土含有各种类型的微裂缝与微孔洞，它们可以被看成分布在材料内部的损伤场。经过冻融循环作用,微缺陷开始萌生、发展，产生不可逆的变化，使混凝土材料的整体强度、刚度、韧度等宏观力学性能以及剩余使用寿命降低。冻融作用下混凝土结构失效的实质为内部逐渐劣化的过程,其失效机理与材料的损伤特点相关。

假设在冻融环境下,混凝土材料内部的微缺陷分布及变化为均匀且各向同性。根据文献[18]，由于冻结和融化的重复作用,降低了混凝土损伤阶段中的动弹性模量,故其内部的变化特征可以用混凝土动弹性模量的变化来表征。宏观层面上以动弹性模量代表损伤变量,在冻融循环过程中便能够通过混凝土动弹性模量的变化规律来分析并对比其内部的劣化现象。

由损伤力学理论[19]可知,损伤变量定义为公式(7):

(7)

式中：Dn为n次冻融循环后混凝土损伤变量；Ed0为未冻融循环时试件弹性模量；Edn为n次冻融循环后试件弹性模量。

试件冻融循环试验前后的弹性模量可采用V-METERⅢ型超生脉冲速度测试仪进行测试。每个混凝土试件测量两组对立面，得出两个弹性模量数值并取平均值。

测得试件冻融前后弹性模量，根据公式(7)求得基于弹性模量的混凝土损伤变量，见表8。冻融循环次数与损伤变量关系与其拟合曲线如图13所示。