季冻区高速公路路基水泥混凝土力学特性试验研究
2020-01-06杨东云
杨东云
(中铁十九局集团第三工程有限公司,辽宁 沈阳 110136)
0 引言
冻融是季冻区施工常见的环境影响因素,季冻区建筑结构长期受到冻融作用,导致各构筑物受到不同程度的损伤。高速公路作为国家重要的基础建筑设施,同样受到冻融的困扰,其中影响最为严重的是高速公路修筑过程中所使用的路基水泥混凝土。由于混凝土的内部结构复杂及混合材料之间的相互作用,混凝土受冻融循环作用的内在机理尚未给出全面系统的研究理论。得出与之相近的研究理论,并得到了相关研究人员的认可,其一为静水压力理论,即认为水泥混凝土在成型后存在大量微孔洞,雨水渗入孔洞后中得到储存,待温度低至负温时,孔洞内的水分开始结冰,并迅速膨胀,产生挤压,致使未结冰部分的水分由内向外流淌,在此流动过程中产生静水压力,致使混凝土破坏;其二为渗透压理论,认为水泥混凝土微孔洞中的溶液呈碱性,待温度低至负温后,溶液中的水分开始结冰,导致碱性溶液中碱浓度升高,致使其他未结冰微孔洞中的水分向结冰处运移,导致渗透压破坏。当水泥混凝土处于饱水状态时,受冻结影响,由于渗透压和静水压导致的破坏会使混凝土内部结构受到严重损伤,致使各项力学性能发生劣化。目前,冻融循环导致混凝土失稳破坏已成为混凝土破坏的主要因素。本文对冻融循环对高速公路路基混凝土力学特性开展三轴压缩试验研究,以获取受冻融作用后路基混凝土各力学参数随冻融循环次数的演化规律。
1 试验部分
1.1 试验设备
本文试验采用美国研制的专门用于混凝土和岩石类材料的MTS815.02全自动岩石三轴压缩试验系统,该试验系统配有315.04门式加载框架、656.06型三轴压力室、286.20-09型增围压系统、Quizix Q5410型增孔隙压力系统以及Test Star2计算机控制系统,能够对高度50 mm和100 mm、直径50 mm的岩石及混凝土试样进行单轴、三轴压缩试验及单轴、三轴蠕变试验。该系统在试验过程中全程采用计算机控制,自动进行数据采集与存储,具有三种互相独立的伺服增压控制系统,可同时加卸轴压、围压和孔隙压。该系统最大轴向压力为1 600 kN,最大拉力为1 050 kN,最大围压为80 MPa,最大孔隙压为70 MPa。该系统随机匹配两套引伸计,即轴向引伸计和径向引伸计,测量范围为±4 mm,满足岩石及混凝土试验条件。
1.2 试样制备
根据《混凝土结构设计规范》制备满足高速公路强度等级的路基混凝土,采用预制模具制作直径50 mm、高100 mm的满足国际岩石力学与混凝土学会标准的试件。制备完成后,恒温水域养护28 d,之后置于烘干箱内烘干,然后在恒温室内晾至室温备用。为减小样本差异所带来的试验结果误差,采用UTA-2000A超声波检测仪对制备好的混凝土试样进行声波检测。该仪器采样为10 MHz,时间间隔为0.1 μs,为提高检测精度,在混凝土试样两端涂抹一层抗滑剂。声波检测结果:纵波速率为1 931 m/s,离散系数为1.71%。
1.3 试验方案
根据高速公路水泥混凝土埋置深度设置三轴压缩试验围压,分别为2,4,6,8 MPa,冻融循环次数为0,10,20,30次,每组试验进行三组平行试验,试验结果取平均值,具体试样方案见表1。
表1 季冻区高速公路混凝土试验方案
1.4 试验方法及步骤
首先将全部制备好的混凝土圆柱试样放在温度为102 ℃的烘箱内烘干,将烘干彻底的混凝土试样放在干燥皿中直至冷却至室温;除了其中一部分混凝土试样不进行冻融循环处理外,剩下所有试样均放置于冻融循环试验机中进行冻融循环处理,每个冻融循环周期温度变化范围为:从+20 ℃开始,沿图1曲线减小至-20 ℃,再上升到+20 ℃,为一个完整的冻融循环过程,一个冻融循环过程大约经历6 h。设定冻融循环次数分别为0,10,20,30次,待达到对应冻融循环次数后取出对应试件,对取出的经历冻融循环的试件进行三轴压缩试验,根据路基埋深情况,选择路基围压分别为2,4,6,8 MPa。
图1 冻融循环温度变化示意图
本文常规三轴压缩试验按照《水力水电工程岩石试验规程》(SL 264—2001)中指定试验步骤进行操作,具体步骤为:
(1)经冻融循环处理的水泥混凝土试样外套热塑管,采用热风机烘吹热塑管,使其紧紧包裹于混凝土试样外侧,然后将包好的混凝土试样置于MTS三轴试验机压力室内,并放置在底座中心部位。将轴向、径向引伸计均安装在试样中间位置,调整二者最大量程,以确保不因试验数据不准确而导致的试验失败及引伸计破坏。关闭压力室,向压力室内输入抗磨液压油至充满。
(2)以0.5 MPa/s的加载速率施加围压至预定值,并保持恒定,以速率为0.2 mm/min的位移控制模式施加轴向荷载,加载至试样破坏为止。整个试验过程中系统将自动记录试验数据,绘出实时应力—应变曲线。
(3)试验结束后,取出试样,观察其破坏状态,做好记录,清理压力室,准备下一组试验。
2 试验结果分析
图2为冻融循环次数n=10时不同围压下路基混凝土三轴压缩试验应力—应变曲线。
图2 n=10不同围压三轴压缩应力—应变曲线
由图2可知,冻融循环次数为n=10时,不同围压下高速公路路基混凝土三轴压缩应力—应变曲线分布特征大体相同,可大致分为五个阶段(以围压σ3=10 MPa为例),即微缺陷压密阶段OA、线性弹性变形阶段AB、塑性硬化阶段BC、塑性软化阶段CD和残余阶段DE。其中,微缺陷压密阶段随围压增大而逐渐消失,其原因是由于在进行三轴压缩试验前要先施加围压,使混凝土试样处于三向应力状态,这一过程导致混凝土试样内部初始孔洞、裂纹等微缺陷被压密,且围压越大,压密效果越好,致使压密阶段逐渐消失。随着轴向偏应力逐渐增大,应力—应变曲线逐渐由上凹状变为直线状,应力应变之间关系由非线性转为线性,表现出明显的线弹性变化特征。继续增大轴向偏应力,混凝土试样形变量逐渐加大,内部原有微缺陷开始逐渐产生破裂,在试样内部开始产生局部应力集中和应力重分布,混凝土试样内部微缺陷的面与面之间产生相对剪切滑移,导致试样内部缺陷持续破坏,裂纹持续扩展、发育,同时产生新的裂纹。这一阶段内,岩石产生裂纹的速度还处于稳定发展阶段。轴向偏应力继续增大,应力—应变曲线开始由直线状变为下凹状,应力应变之间由线性关系转变为非线性关系。这一阶段混凝土试样内部裂纹以不稳定速率扩展,裂纹尺寸逐渐增大,新生裂纹开始迅速扩展、贯通,当荷载水平达到混凝土试样峰值强度时,试样表面形成宏观裂缝,最后因失去承载能力而破坏。根据当前研究结论可知,像水泥混凝土这类材料当围压到达一定值时,应力应变曲线峰后阶段会产生明显的塑性硬化现象,并伴有显著的塑性屈服平台和塑性流动。由于路基处于低应力状态,混凝土试样应力—应变曲线峰后阶段未出现塑性硬化,而是表现出显著的塑性软化现象,其主要原因是由于围压较低,未达到产生塑性硬化的临界值。但从不同围压曲线峰后阶段可以看出,随着围压逐渐增大,应力—应变曲线峰后阶段斜率逐渐变缓,表明混凝土类材料具有峰后硬化性质。
3 路基混凝土力学参数分析
随着冻融循环次数逐渐增大,混凝土试样各物理力学参数均产生明显劣化。根据不同冻融循环次数,不同围压三轴压缩试验获取路基混凝土各力学参数见表2。不同围压各力学参数随冻融循环次数的演化规律如图3、图4、图5、图6所示。
表2 路基混凝土力学参数
图3 不同围压下峰值强度与冻融循环次数的变化图
图4 不同围压下峰值应变与冻融循环次数的变化图
图5 不同围压下峰值强度与冻融循环次数的变化图
图6 不同围压下峰值应变与冻融循环次数的变化图
由表2可知,路基混凝土各力学参数随冻融循环次数均产生较为明显的变化。由图3可知,不同围压下路基混凝土峰值强度均随冻融循环次数增加逐渐减小,同时减幅逐渐减小,峰值强度与冻融循环次数之间满足指数函数分布规律。以围压2 MPa为例,当冻融循环次数为0时,峰值强度为43.61 MPa,当冻融循环次数为10,20,30次时,峰值强度分别为39.60,38.10和37.48 MPa,与未受冻融损伤混凝土试样峰值强度相比,分别减小了10.13%,14.46%和16.36%。
由表2和图4可知,不同围压下路基混凝土峰值应变均随冻融循环次数增加逐渐增大,同时增幅逐渐减小,峰值应变与冻融循环次数之间满足指数函数分布规律。以围压2 MPa为例,当冻融循环次数为0时,峰值应变为1.24%,当冻融循环次数为10,20,30次时,峰值应变分别为1.29%,1.34%和1.36%,与未受冻融损伤混凝土试样峰值应变相比,分别增大了4.03%,8.06%和9.68%。
由图5可知,不同围压下路基混凝土弹性模量均随冻融循环次数增加逐渐减小,同时减幅逐渐减小,弹性模量与冻融循环次数之间满足指数函数分布规律。以围压2 MPa为例,当冻融循环次数为0时,弹性模量为3.27 GPa,当冻融循环次数为10,20,30次时,弹性模量分别为3.12,3.08和3.04 GPa,与未受冻融损伤混凝土试样弹性模量相比,分别减小了4.81%,6.17%和7.57%。
由图6可知,不同围压下路基混凝土泊松比均随冻融循环次数增加逐渐增大,同时增幅逐渐减小,泊松比与冻融循环次数之间满足指数函数分布规律。以围压2 MPa为例,当冻融循环次数为0时,泊松比为0.28,当冻融循环次数为10,20,30次时,泊松比分别为0.29,0.30和0.31,与未受冻融损伤混凝土试样峰值应变相比,分别增大了3.57%,7.14%和10.71%。
综上分析可知,冻融循环对路基混凝土的劣化作用较为明显,各力学参数随冻融循环次数均有不同程度的损伤。因此,在季冻区路基施工过程中应充分考虑冻融损伤作用,应在原有设计计算基础上考虑一定的损伤安全系数,以保证高速公路路基安全稳定,确保公路交通的正常运营。
4 结语
本文以季冻区高速公路路基混凝土为工程研究对象,对路基混凝土开展三轴压缩试验,研究分析了路基混凝土受冻融循环作用后其力学参数的变化情况,具体结论如下:
(1)冻融循环次数相同时,不同围压路基混凝土三轴压缩应力—应变曲线分布情况大体相似,随着围压逐渐增大,应力—应变曲线峰后阶段斜率逐渐变缓,混凝土试样随冻融循环次数逐渐由脆性向延性转变。
(2)路基混凝土各力学参数随冻融循环次数变化明显,其中,峰值强度、弹性模量随冻融循环次数增加逐渐减小,二者与冻融循环次数满足指数函数分布规律;峰值应变、泊松比随冻融循环次数增加逐渐增大,二者与冻融循环次数之间满足指数函数分布规律。
(3)冻融循环对路基混凝土损伤作用显著,各力学参数随冻融循环次数均表现出不同分布规律,因此,在季冻区路基施工过程中应充分考虑冻融损伤作用,应在原有设计基础上乘以一定的损伤安全系数,以保证高速公路路基安全稳定,确保公路交通的正常运营。