细观特征对混凝土力学特性影响试验研究

2020-04-01汪华安焦春茂

河南科学 2020年1期

汪华安，焦春茂，陈晓

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663； 2.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210094）

混凝土是一种多相、脆性的复合材料，广泛应用于工程建筑中［1-3］. 其强度及变形特性与建筑物的稳定性休戚相关. 由于混凝土组分的高度复杂性，导致介质内骨料与胶结物的接触面对介质的宏观性质有重要影响，这些接触面空间分布复杂，难以用准确的模型来描述，一般统称为细观特征，研究细观特征对混凝土

收稿日期：2019-04-25

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2015CB057903）；国家自然科学基金面上项目（51679071）

作者简介：汪华安（1977-），男，高级工程师，主要从事电力勘察设计与研究方面的工作变形特性的影响机制对于工程安全具有重要意义.

混凝土作为一种由粗骨料、细骨料、胶凝材料、孔隙等多相组成的材料，其力学特性、破坏方式与其内部组分的细观特征息息相关［4-5］. 不同骨料类型将产生不同的混凝土力学性能. 使用相同的材料和配合比，辉绿岩和石灰石作骨料的混凝土在强度和弹性模量方面比使用花岗岩和砾石的混凝土明显要大［6］. 在高强度混凝土中，玄武岩、石灰石和砾石骨料也表现出不同的力学性能，玄武岩骨料混凝土产生的抗压强度最高，而砾石混凝土抗压强度最低. 同时，在抗拉强度方面，玄武岩和石灰石骨料比砾石骨料更高［7］. 对于钙质石灰岩、白云质石灰岩、石英质石灰岩和钢渣骨料而言，钢渣混凝土的劈裂抗拉强度是最高的，其次是白云质石灰岩和石英质石灰岩骨料混凝土，最低的是钙质石灰岩骨料混凝土［8］. 再生骨料是当下的一种新型骨料，对混凝土再生骨料进行碳化处理，可以降低骨料吸水率，同时可以改变界面过渡区的微观结构［9］.

胶凝材料及胶结面的性质直接影响混凝土的整体力学性能. 砂浆的类型、骨料的种类及其粗糙度对混凝土界面结合强度产生影响，砂浆与骨料界面黏结界面的破坏过程表明，虽然砂浆强度较高，但胶结界面张力很低［10］. 对于低水灰比混凝土，胶结界面薄弱点的骨料性质（骨料弹性模量大小、表面光滑程度和骨料尺寸）对其力学性质具有重要影响［11］. 在细观组成方面，混杂纤维高强混凝土的抗压强度不会随纤维掺量的不同存在明显差异，但其抗拉强度明显提升，拉压比也相应提高［12］. 在使用不同类型的矿渣置换25%的水泥时，混凝土性质发生改变，不锈钢渣产生的砂浆流动性好，耗水量小，机械强度损失小，且高炉矿渣磨粒混合料的性能优于基准混凝土［13］.

综上所述，骨料与胶结材料是影响混凝土力学特性的重要因素，本文通过常规三轴试验，研究胶结物种类、骨料种类、骨料含量三种细观特征对混凝土变形破坏机理的影响.

1 试验原理与方案

1.1 试样制备

试验中，混凝土试样［14］共分为9组，每组3个. 试件尺寸为φ 50 mm×100 mm标准圆柱体. 其中，胶凝材料采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5、普通硅酸盐水泥P.O 32.5、普通石膏粉（水泥及石膏的力学性质由厂家给出）；粗骨料为粒径约1～2 cm的碎石、砾石、卵石；混凝土搅拌用水为自来水；细骨料采用长江流域南京地区产的连续级配的河沙. 各组试样的组成成分及配比如表1所示（注：试样配比［15-16］中，除②、③、④、⑤组外，其他组的配比为水∶灰∶沙∶石=0.45∶1∶2∶4；②、③、④组配比为水∶灰∶沙=0.45∶1∶2（砂浆试样，不含石）；⑤组配比为水∶灰∶沙∶石=0.45∶1∶2∶2）.

表1 试样组成成分及基本力学参数Tab.1 Sample composition and basic mechanical parameters

根据表1的混凝土试样组分比例，参考《通用硅酸盐水泥》GB 175—2007规范要求，按标准制样步骤制取各组混凝土试样. 待试样养护至28 d后，对试样检查和筛选，将存在明显缺陷的混凝土试样直接排除. 制取的试样如图1（a）、（b）所示.

1.2 试验仪器及方案

试验是在Triaxial Cell V3岩石力学测试试验系统上进行的，试验系统如图1（c）所示. 该力学加载系统由三个相应的高精度无刷伺服电机驱动，在计算机全自动伺服控制下，可实现各向压力的自动补偿. 围压最大可加载至60 MPa，轴向压力的最大偏应力可加至500 MPa. 通过安装在压台边的两个LVDT千分计测量压台的轴向位移. 环向引伸计由弹簧箍在橡胶套上，弹簧另一头有弹片式应变计用来测量环向应变.

图1 混凝土试样及试验系统Fig.1 Concrete sample and test system

本试验为静力试验，加载应变率为10-5/s［17］，在试验研究过程中，保持其他成分比例不变，通过改变试样的胶凝材料（P.O 42.5、P.O 32.5、石膏），研究胶凝材料对试样力学性质的影响；保持其他成分比例不变，通过改变试样的骨料种类（碎石、砾石、卵石），研究骨料种类对试样强度特性的影响；保持其他成分比例不变，通过改变试样的骨料含量（0、36.70%、53.69%），研究骨料含量对试样变形破坏的影响.

首先将已制备好的试样标号，共9组，其中每组3个试样（另每组额外留一个作为补样）. 其中第①、②、③、⑤、⑥、⑦、⑧组混凝土试样分别进行围压为0、5、10 MPa的常规三轴压缩试验，第④、⑨组的石膏试样分别进行围压为0、2、4 MPa的常规三轴压缩试验.

通过对第①、⑧、⑨组变形特性、力学参数的分析，分别研究P.O42.5、P.O32.5、石膏三种胶凝材料对混凝土变形破坏的影响；通过对第①、⑥、⑦组变形特性、力学参数的对比，分别研究碎石、砾石、卵石三种不同骨料类型对混凝土变形破坏的影响；通过对第①、②、⑤组强度及力学参数的分析，研究试样不同骨料含量对混凝土变形破坏的影响［18］. 另外，在本次试验中，还可以通过对第①、③、④组变形特性的分析，探讨不同胶凝材料对砂浆力学性质的影响.

2 三轴压缩试验结果分析

2.1 应力应变曲线

对混凝土试样进行三轴压缩试验，各组试样的试验曲线如图2所示，图2（a）～（g）分别为对应组别①、②、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨组混凝土试样在不同围压下的应力应变曲线及试样变形破坏模式. 试验过程中不同围压下试样的峰值强度及峰值应变值如表2所示.

通过对比①、⑧、⑨组混凝土试样（图2（a）、（f）、（g））的试验曲线及试验数据可得出P.O 42.5、P.O 32.5、石膏三种不同胶凝材料混凝土的力学特性差异，明显看出石膏胶凝混凝土的试样抗压强度远不及水泥胶凝混凝土的抗压强度，水泥胶凝混凝土的抗压强度约是石膏胶凝混凝土的3～4倍. 同时，P.O 42.5胶凝混凝土的抗压强度略高于P.O 32.5水泥胶凝混凝土的抗压强度，强度提升约20%. 还可以看出，随着围压的增加混凝土抗压强度也大幅提升，且水泥胶凝混凝土的峰值强度变化较石膏混凝土峰值变化明显，尤其在刚开始施加围压（0～5 MPa）阶段. 同时，随着围压增加，相同胶凝材料试样峰值应变也相应增大，这种变化规律在石膏材料上表现得更为明显，可以解释为石膏内部孔隙比混凝土更多，在有围压情况下，石膏的压密效果更大.

比较①、⑥、⑦组混凝土试样（图2（a）、（d）、（e））的试验结果，可探讨不同粗骨料类型对混凝土材料强度特性的作用机理，①、⑥、⑦组在其他条件一致的情况下，分别采用碎石、卵石、砾石作为粗骨料，从图表中可以明显看出，卵石作为粗骨料时，混凝土强度远低于其他两种粗骨料混凝土强度，这主要是因为卵石表面光滑，黏结力差，致使混凝土试样抵抗破坏能力不足. 而碎石由于其外观形状不规则、表面粗糙，与胶凝材料胶结良好，故为混凝土提供较大强度，因而较其他二者具有更高的峰值强度. 砾石骨料混凝土的强度则介于二者之间. 这表明在其他条件相同的情况下，粗骨料的不同对混凝土强度影响较大. 同时，随围压增加，试样的峰值强度与峰值应变也相应增加.

图2 混凝土试样应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of concrete specimen

第①、②、⑤组混凝土试样（图2（a）、（b）、（c））除碎石骨料含量不同外，其他条件均相同，故通过比较三者试验曲线和数据可以分析不同含石率对混凝土强度变形特性的影响. 图2（b）为纯砂浆混凝土试样（骨料含量为0）试验曲线，图2（a）、（c）碎石骨料含量分别为53.69%、36.70%. 从试验数据中可以看出随着含石率的增加，混凝土峰值抗压强度增大. 含石率为53.69%时单轴抗压强度最高为35.99 MPa，较含石率36.70%提升30%. 同时，随着围压的增加，三者的峰值强度均显著提高.

表2 不同围压试样峰值强度及峰值应变Tab.2 Peak strength and peak strain of specimen with different confining pressures

2.2 强度参数分析

黏聚力和内摩擦角是混凝土材料的重要力学参数［19-20］，通过摩尔-库伦强度准则计算三种不同细观特征的混凝土强度参数，计算公式如下：式中：b为纵坐标轴与拟合直线的截距，m为拟合直线斜率. 此处的拟合直线是指在压缩试验过程中，混凝土试样的围压值与对应的偏应力值的线性拟合曲线.

对表2中的试验数据进行处理，提取第①、⑧、⑨组混凝土试样的围压值及对应的偏应力值进行线性拟合，所得到的散点图、拟合曲线及拟合方程如图3（a）所示. 同理，分别提取第①、⑥、⑦组和第①、②、⑤组试验数据进行线性拟合，拟合曲线及方程如图3（b）、（c）所示. 将拟合方程的截距值与斜率值代入公式（1）中可得不同细观特征混凝土试样的强度参数c、φ值，如表3所示，同时表中还列出了各组试样的弹性模量及泊松比.

表3 混凝土强度参数值Tab.3 Concrete strength parameter

对比①、⑧、⑨组数据可以发现石膏胶凝材料的黏聚力远小于水泥胶凝材料的黏聚力，水泥胶凝混凝土的黏聚力约是石膏胶凝材料的3倍. 从①、⑥、⑦组的试验数据可以看出，不同粗骨料混凝土的黏聚力及摩擦角的差别，碎石混凝土凝聚力及摩擦角最高，砾石次之，卵石最差，其中碎石混凝土和卵石混凝土的黏聚力差距尤为明显，可见粗骨料类型对混凝土力学性质影响显著. ①、②、⑤组的试验数据相差不大，上下相差约20%左右，可见骨料含量对混凝土黏聚力的影响较小，但是可以看出骨料含量越高，混凝土黏聚力越大. 而各组混凝土试样的内摩擦角相差不大，除第9 组石膏胶凝试样泊松比略小外，其他组泊松比数值也相近.

图3 混凝土强度参数拟合曲线及方程Fig.3 Concrete strength parameter fitting curve and equation

弹性模量是岩石内部微观结构对外部荷载响应的宏观综合体现［21-22］. 分析各组试样的弹性模量数据差异可以看出，碎石骨料混凝土的弹性模量远高于其他两种骨料混凝土的弹性模量，且随着碎石含量的增加，弹性模量提高明显，骨料含量从0提升至36.70%时，弹性模量从9.11 GPa提升至13.31 GPa，提升约46%. 骨料含量增加为53.69%时，弹性模量提升至20.51 GPa，提升约54%，可见提升骨料含量可以大幅度提升混凝土弹性模量. 在不同胶凝材料的表现方面，水泥胶凝混凝土的弹性模量是石膏胶凝混凝土弹性模量的几十倍.

2.3 变形破坏分析

在三轴压缩试验中，各组不同细观特征混凝土试样的变形破坏模式［23］具有一定的共同点. 其变化过程具有明显的阶段性，根据其应力-应变曲线，其破坏过程大致可分为五个阶段：初始压密阶段、线弹性压缩阶段、非线性变形阶段、试件破坏阶段、破坏后阶段. 试样加载初期，由于混凝土试样中存在较多的孔隙和气泡，应变增加明显，应力增长较小，曲线呈内凹状；当应变达到一定值后呈现线弹性特征，应力应变呈一定比例；当应力趋近峰值应力时，试样内部开始萌生细微裂纹，曲线斜率变缓；随着试样偏应力接近峰值应力，曲线斜率趋于0，试样破坏；试样破坏后，由于摩擦力的存在，试样存在一定残余强度. 随着围压的增加，应力应变曲线呈现出新的变化. 试样压密阶段明显缩短，线弹性阶段曲线斜率增加，且在应力达到峰值应力时，塑性特征更为明显.

然而，对比各组不同细观特征混凝土试样应力应变曲线，可以发现：不含石的砂浆混凝土试样在达到峰值应力后，曲线急剧下降. 而含石率53.69%混凝土试样的试验曲线在峰值应力前后则表现更为平缓. 可见，随着含石率的增加，试样破坏明显，由脆性破坏向塑性破坏转化. 同理，相对于碎石、砾石骨料而言，卵石骨料混凝土的破坏形式也表现为更加明显的脆性破坏.

破坏形态方面，试样均存在多条纵向贯通裂缝，破坏形式为脆性张拉破坏和剪切混合破坏. 单轴压缩破坏模式为一条竖向劈裂纹，表现为明显的脆性破坏，而有围压的情况下其主要破坏面多呈30°～60°，表现出明显的剪切破坏特征. 石膏胶凝混凝土试样由于黏结强度较低，单轴破坏模式较为离散，通常沿试样薄弱环节破坏. 而围压为2 MPa、4 MPa时，石膏常规三轴压缩破坏时伴随较为明显的剪切带破坏. 卵石及砾石骨料混凝土在破坏过程中，出现表面粗骨料脱落的现象，这是由于卵石表面光滑，加载过程中试样横向应变增大，卵石受张拉影响与胶凝材料间的胶结面破坏. 碎石混凝土表面则没发生这种现象，这也表明碎石混凝土胶结面强度大于卵石和砾石. 不同含石率的破坏形态方面，不含石混凝土试样的破坏表现为纵向直接贯通的裂缝，而含石率为36.70%、53.69%的混凝土试样的裂缝发展则较为曲折，裂纹经过粗骨料时，绕过骨料与胶结面连通并继续发育. 因而其表面裂纹发展极不规整.