早龄期混凝土动态力学性能实验研究

李胜林，凌天龙，张会歌，张明悦

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.泰山学院 机械与建筑工程学院，山东 泰安 271000；3.河南省实验学校裕鸿国际学校，河南 郑州 450019

现代施工方法致力于提高施工速度，高效建设已经成为现代建筑理念的核心。然而，混凝土工程在养护期间不可避免受到外界的扰动。大量研究表明，早龄期混凝土强度相对较低，对外界扰动比较敏感，早期受力对其后期性能影响巨大[1-5]。目前国内地下工程一般采用钻爆法掘进，实际施工过程中，混凝土工程与爆破作业常常是同步或穿插进行的。当支护结构距离爆源很近时，爆破施工会在附近未达到标准养护龄期的混凝土结构中产生累积损伤，进而影响支护结构的长期强度。因此，关于早期冲击作用对混凝土的影响引起了广泛的关注，并有学者针对振动扰动对早龄期混凝土的影响进行实验和理论研究[6-8]。为了反映工程实际，人们开始采用分离式霍普金森压杆对早龄期混凝土在高应变率条件下的动态响应进行研究。郭东明等[9]对早龄期混凝土与岩石黏结形成的层状组合体进行循环冲击，研究其累计损伤和破坏规律。李夕兵等[10-11]应用SHPB装置以50%临界入射能对早龄期混凝土进行冲击实验，7 d前混凝土的强度和弹性模量均有提高，超过7 d后，冲击作用则会使强度和弹性模量降低。王世鸣等[12]研究了早龄期混凝土强度、峰值应变以及单位体积吸收能与应变率之间的关系。此外，也有学者们尝试利用室内实验模拟爆破振动对早龄期混凝土的影响。李宁等[13-14]利用室内模型实验，研究了爆破振动对混凝土衬砌强度的影响，对安全振速、衬砌的安全距离及其合理施做时间进行了讨论。单仁亮等[15-16]对终凝前后喷射混凝土强度在爆破动载作用下的变化情况进行研究，结果表明终凝前一定量的爆破振动可以提高混凝土的密实程度，促进强度增长，而龄期12～24 h则为喷射混凝土受爆破动载影响的主要时期。

本文以早龄期混凝土为研究对象，应用分离式霍普金森压杆系统分别对C20和C40两种强度等级混凝土进行冲击实验，研究在龄期1 d、2 d、3 d、5 d、 7 d受到冲击作用后其力学特性随龄期和应变率的变化规律，并将其与龄期28 d的实验结果进行对比，分析早期冲击对后期力学性能的影响。

1 混凝土压缩实验

1.1 混凝土试样制备

实验所用混凝土试样采用模具(图1)制备。试件的规格分为两种：一是100 mm×100 mm× 100 mm的立方体试件，用于静载压缩实验；二是直径75 mm、高度37.5 mm的圆柱体试件，用于动态冲击实验。试样制备过程按照标准规程进行[17-18]：搅拌、振捣、抹平、养护、拆模、二次抹平、养护，其中二次抹平采用水泥砂浆，保证端部不平整度不超过0.2 mm。

图1 混凝土模具Fig.1 concrete mould

配备两种不同强度等级混凝土，C20混凝土采用标号为P.O 32.5普通水泥，C40混凝土采用标号为P.O 42.5普通水泥，砂子采用直径小于5 mm的中粗砂，石子采用直径小于15 mm的人工碎石，混凝土配比见表1。试件制备完成后在温度为(20±3)℃、湿度为95%的标准养护室中养护。

表1 混凝土配比

1.2 混凝土静态和动态压缩实验

静载压缩实验装置采用YE-2000E度盘式压力实验机(图2)，以压力控制方式对不同龄期混凝土进行单轴压缩实验，实验过程中连续均匀加载，加载速度为0.5 MPa/s。动态压缩实验采用中国矿业大学(北京)75 mm直径的SHPB装置，该装置由气压室、冲击杆、测速仪器、输入杆、输出杆、吸收杆、阻尼器、超动态应变测试系统、波形储存仪和数据处理系统等构成，如图3所示。实验所用输入杆和输出杆的长度均为2.0 m，冲击杆长度为0.4 m，材料均为321不锈钢，密度7 800 kg/m3，弹性模量210 GPa。

图3 SHPB实验系统Fig.3 SHPB experimental system

冲击实验分为单次冲击和重复冲击。

(1) 分别对龄期为1 d、2 d、3 d、5 d、7 d和28 d的混凝土试件进行冲击实验；

(2) 选取单次冲击后保持完整的试件，放入标准养护室中养护28 d后，进行第2次冲击实验。

2 早龄期混凝土静态和动态力学性能

2.1 早龄期混凝土动态应力-应变曲线

试件两端应力平衡且均匀分布是保证实验结果可靠性的重要前提。图4为龄期28 d混凝土动态应力平衡分析曲线。从图中可以看出，超过90 μs后，入射应力波和反射应力波合成的时程曲线与透射应力波时程曲线基本重合，表明试样两端的应力能够达到平衡，实验数据有效可靠。

图4 应力波波形图Fig.4 Waveforms of stress wave

图5是应变率为55 s-1时不同龄期混凝土应力-应变曲线。从图中可以看出，养护龄期5 d以前，混凝土强度较低，峰值应变较大，应力-应变曲线具有较为明显的屈服平台，表现出一定的延性。7 d以后，混凝土的脆性特征逐渐显现。早龄期混凝土发生强烈的水化反应，内部有大量水分和孔隙，水化硅酸钙和氢氧化钙未交错在一起，动载作用导致边界水化产物之间的滑动，从而容易发生较大的变形[12]。不同龄期C20混凝土的峰值应变均大于同龄期C40混凝土，表现出更为明显的塑性特征。

图5 不同龄期混凝土应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curve of concrete at different ages

2.2 早龄期混凝土强度特性

图6为静载及应变率为55 s-1和70 s-1时混凝土强度随龄期变化的关系。从图6可以看出，7 d前混凝土的强度增长较快，应变率越大，强度增长越快；7 d以后静态和动态强度的增长速度均变得缓慢平稳。混凝土静态强度和动态强度与龄期均呈现对数增长关系，两者的关系式可通过σ=alnT+b来表示。相同应变率水平下，C40混凝土的a和b的值均大于C20混凝土，表明C40混凝土强度的增长速度明显大于C20混凝土。

图6 早龄期混凝土强度随龄期的变化关系Fig.6 Relationship between strength and ages

对于岩石和混凝土类材料，其动态强度与应变率之间的关系一般采用动态强度增强因子(DIF)作为衡量指标，DIF的表达式为[21]

(1)

式中，fcd为动态抗压强度；fcs为准静态单轴抗压强度。

图8为不同龄期混凝土动态强度增强因子随应变率变化的关系。应变率为30 s-1～80 s-1时，动态强度增强因子随着应变率的增大呈线性增长。从图中可以看出，养护龄期1 d，应变率约为75 s-1时，C20混凝土动态强度增强因子为2.9，约为C40混凝土的1.3倍，早龄期C20混凝土的应变率效应更为明显，这一点同样可以从图7中的应变率指数得到验证。达到标准养护龄期后，C20和C40混凝土的动态强度增强因子相差不大，均在1.1～1.6范围内，这与多数研究成果相近[12，20]。

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图7 混凝土强度与应变率的关系Fig.7 Relationship between strength and strain rates

图8 不同龄期DIF随应变率变化规律Fig.8 Variation of DIF with strain rates at different ages

2.3 早龄期混凝土变形特性

图9给出了各龄期混凝土峰值应变随应变率的变化规律。从图中可以看出，随着应变率的增加，每一龄期混凝土峰值应变均随之增大，两者保持明显的线性增长关系。对每一龄期混凝土峰值应变和应变率进行线性拟合，龄期5 d以前，C20混凝土拟合得到的线性方程斜率随着龄期的增长而减小，峰值应变随应变率的增长速度降低；龄期7 d以后，峰值应变则不再随龄期变化。C40混凝土的变化规律与C20相似，相同应变率条件下，混凝土峰值应变均随着龄期的增加呈现减小的趋势，说明养护龄期越长，混凝土的脆性特征越明显。然而，由于C20和C40混凝土强度的发展速度不同，C20混凝土峰值应变随龄期变化的趋势比C40混凝土更为显著。

图9 不同龄期混凝土峰值应变随应变率变化规律Fig.9 Variation of critical strain with strain rates at different ages

3 早期冲击对混凝土力学特性的影响

3.1 实验设计

冲击龄期和应变率两方面因素对混凝土后期力学性能的影响。实验包括3个步骤：

(1)对养护龄期为1 d、2 d、3 d、5 d、7 d的混凝土分别进行不同应变率水平的冲击实验，冲击后选取完整的试件放入养护室内继续养护至龄期28 d；

(2)对步骤(1)中养护28 d的混凝土试件以相同应变率进行第2次冲击实验；

(3)取一组未受早期冲击的混凝土试件养护至标准养护龄期后进行冲击加载。

需要指出的是，为了方便对比分析，通过控制发射气缸的气压，步骤(2)的第2次冲击加载和实验的应变率均控制在60 s-1左右。

3.2 早期冲击对混凝土变形特性的影响

图10为受早期冲击混凝土试件达到标准养护龄期后，第2次冲击时混凝土峰值应变随早期冲击应变率的变化曲线。从图中可以看出，受早期冲击的影响，混凝土峰值应变存在较大差异。混凝土在龄期1～3 d内，受冲击的应变率较小时，峰值应变与未受早期冲击试件的值相差不大，随着早期冲击应变率的增加，峰值应变逐渐减小，当应变率增加到一定值后，峰值应变减小的趋势减弱，甚至出现“回弹”现象。当冲击龄期超过5 d后，与上述实验结果相反，早龄期的冲击作用导致混凝土峰值应变随着早期冲击应变率的增大而呈先增加后减小的趋势。产生这种差异性的原因可能在于：养护龄期为1～3 d时混凝土的强度比较低，较小的冲击荷载一方面可以使混凝土试件出现微小的裂隙，由于此时混凝土的水化反应仍比较剧烈，混凝土具有一

图10 早期冲击混凝土峰值应变变化规律Fig.10 Variation of peak strain of early age impact concrete

定的“自愈”能力，一些较小的微裂纹因此得以修复；另一方面还可以将混凝土试件压实，增强了混凝土的脆性特性，这也是峰值应变减小的原因；当养护龄期超过5 d以后，混凝土试件的强度迅速发展，水化反应减弱，“自愈”能力降低，冲击荷载较小时，试件中出现大量微裂隙，从而使得材料的塑性特征增强，而随着冲击荷载的增大，微裂纹的尺寸增大，混凝土的脆性再次显现，材料的变形能力开始下降。从图中可以看出，C20和C40混凝土的变化规律极为相似，但C20混凝土受龄期和应变率影响的程度更大。

3.3 早期冲击对后期强度的影响

图11 早期冲击混凝土后期强度变化曲线Fig.11 Variation of late strength of early age impact concrete

为考察不同龄期冲击作用对混凝土强度的影响，分别以固定的应变率对早龄期混凝土进行冲击，将冲击后的混凝土试件养护至28 d，再次采用相同的应变率(60 s-1)对混凝土试件进行冲击实验，并将实验结果与未受早期冲击的混凝土实验结果进行对比。图12为早期冲击试件与未受早期冲击试件的动态抗压强度之比随龄期的变化规律。由图12可以看出，在早龄期固定应变率冲击作用下，混凝土后期强度均随龄期的增大呈减小的趋势。龄期3 d后，混凝土在不同应变率冲击作用下得到的动态抗压强度的差值逐渐减小，说明随着龄期的增大，混凝土达到一定强度，具备承受一定冲击的能力，其受应变率的影响程度有所削弱。因此，在混凝土工程附近施工时，不仅需要控制冲击作用的加载速率，同时应做好龄期小于7 d混凝土的防护工作，以减小或避免早期冲击对混凝土后期承载能力造成不可逆的影响。

图12 混凝土后期强度百分比Fig.12 Strength ratio of impacted concrete at early age to concrete without impact

由图11和图12还可以看出，龄期7 d前，相同应变率条件下，C40混凝土的动态抗压强度先快速降低而后趋于平稳，而C20混凝土则在各龄期均有一定幅度的降低，表明C20混凝土的动态力学性能受首次冲击应变率和龄期的影响更明显。

4 结 论

利用分离式霍普金森压杆实验对不同龄期的C20和C40混凝土进行冲击加载，通过实验数据分析，得到以下主要结论：

(1) 相同应变率条件下，C20和C40混凝土的单轴压缩强度与龄期呈对数关系。同一龄期混凝土，动态抗压强度与应变率之间呈指数关系。

(2) 冲击荷载作用下，早龄期混凝土的峰值应变随应变率的增加呈线性增长。随着养护龄期的增长，混凝土的塑性特征减弱而脆性特征逐渐显现。

(3) 混凝土早期受冲击荷载作用，养护至28 d后，其动态抗压强度总体上随着首次冲击应变率的增大而减小。随首次冲击应变率的增大，峰值应变则呈现两种变化规律，即冲击龄期小于3 d时峰值应变出现先增大后减小的现象，超过5 d后，其变化规律与之相反。

(4) 应变率和冲击龄期对混凝土动态力学性能均有较大影响，且混凝土强度等级越低，对二者越敏感。因此，在早龄期混凝土工程(尤其是低强度混凝土)附近施工时，应注意控制动态冲击应变率，并加强早龄期的养护工作。