水围压下粉煤灰混凝土的含水量及动态力学性能研究

梁 甲，王乾峰，张修文，肖 洋

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

近年来国内外学者以孔隙水为切入点，开展了孔隙水压作用和含水量的变化对混凝土力学性能影响的研究。王海龙等[1]研究了孔隙水对湿态混凝土抗压强度影响，结果表明孔隙水压力削弱了混凝土的抗压强度和开裂应力；杜守来等[2]开展了不同孔隙水压对混凝土抗压强度的影响试验；刘博文等[3-4]研究了混凝土在循环孔隙水压力下的力学性能及损伤破坏特性；Chen等[5]对干燥和饱水状态的混凝土进行了真实水环境下的加载试验；李庆斌等[6]为了研究湿度对混凝土强度的影响，进行了干燥和饱和两种湿度混凝土的三轴压缩试验；Liu等[7]研究了混凝土含水量对静态压缩弹性模量的影响；杜修力等[8]基于三相球模型理论和最大拉应力准则推导得到了饱和混凝土的有效体积模量与孔隙率间的关系，以及饱和混凝土的有效抗拉强度和峰值应变与孔隙率之间的关系；Rossi[9]考虑含水量和应变率因素建立了饱和混凝土拉伸断裂强度的数学模型；汪潇等[10]研究了不同粉煤灰掺量对混凝土静态强度的影响，结果表明随着粉煤灰掺量的增加，混凝土强度先增后减；崔正龙等[11]研究了粉煤灰掺量对不同骨料混凝土长期强度的影响，结果表明随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰对混凝土的强度贡献不断降低。

混凝土在微观层次上是由骨料、砂浆、孔隙和微裂纹组成的典型多孔多相材料，孔径大小分布跨越了宏观、微观和细观，粉煤灰的加入会使混凝土的孔径细化[12]。在水环境中，粉煤灰混凝土受到动荷载作用时，小孔中的孔隙水引起的黏滞应力相比于普通混凝土更加显著[9]，更容易产生超孔隙水压力，进而影响混凝土的动态力学性能。

从以上分析可知，在大气自然环境中，水环境因素、粉煤灰掺量对混凝土的力学性能影响较大，但目前关于水围压环境中粉煤灰混凝土力学特性的研究几乎没有。为此，本文开展了粉煤灰掺量为0、20%和40%的混凝土试件在恒定水围压（1、3和5 MPa）作用下的动态压缩试验。

1 试验研究

1.1 试件制备

本试验中混凝土试件尺寸Φ150 mm×300 mm。水泥选用宜昌三峡水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其性能符合普通硅酸盐水泥标准；细骨料选用天然河砂，细度模数为2.3；粗骨料是5～40 mm连续级配的碎石，包含粒径5～20 mm的小石与粒径20～40 mm的中石；拌合水为饮用自来水；减水剂选用萘系高效减水剂；粉煤灰采用I级灰，其掺量分别为0、20%和40%。混凝土的水胶比为0.45。

混凝土采用机械搅拌，先干拌后湿拌，搅拌完成后将混凝土倒入钢模，在自然条件下静置24 h后拆模编号，并将其放入标准养护室养护28 d，再放置大气环境中养护62 d。对于粉煤灰掺量为0、20%和40%的不同孔隙结构混凝土分别命名为F00、F20和F40。

1.2 试验设备

试验采用三峡大学的10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪，对混凝土试件进行水饱和力学加载。利用围压桶使混凝土水饱和，其最大围压和最大孔隙水压力值为30 MPa，通过加载框架系统对混凝土试件进行力学加载，竖向最大动、静力负荷分别为5 000和10 000 kN。通过电脑系统可以独立控制围压桶的水压力和轴向的加载速率，保证加载水压力变化幅度小于0.01 MPa，轴向控制的应变速率恒定，其变化范围为 10−5/s～10−2/s，关于设备的更多详细情况见文献 [3-4]。

1.3 试验过程

本试验主要分为如下3个步骤：

(1)大气环境下饱水。将打磨后的试件放入容器中注水，每24 h注入3 cm高的水，直到水面高出整个混凝土顶面3 cm，消除混凝土内部气泡。

(2)含水量试验。将大气环境下饱水的混凝土试件安装后密封围压桶，再将围压桶充满水反复开关排水阀排除空气。通过水围压控制系统，使围压到达设定值（1、3和5 MPa），并维持恒定18 h，此时通过伺服电机水泵推送到围压桶内的水体积几乎为0，可认为水压力使混凝土内部饱和，伺服电机水泵在18 h内推送到围压桶内的水体积即混凝土体积含水量。

(3)力学加载试验。先施加 20 kN 的初始荷载，按目标设定的应变速率（10−5、10−4、10−3和 10−2/s）加载，直至试样完全破坏。加载过程保持围压稳定，其变幅控制在0.01 MPa以内；对干燥无水压试验，直接按设定的应变速率对试件单轴加载。

2 粉煤灰掺量对混凝土含水量的影响

2.1 不同粉煤灰掺量混凝土的含水量分析

采用混凝土在水围压条件下达到饱和状态时所吸收水的体积表示混凝土的含水量特征，并定义混凝土在自然饱水状态下的含水量为0，通过试验得到3种粉煤灰混凝土在不同水围压下（0、1、3和5 MPa）的含水量见表1，由表1可以得出以下结论：

(1)在相同水围压条件下，F00混凝土含水量最大，F40混凝土含水量次之，F20混凝土含水量最小。

表1 不同水围压下的混凝土含水量Tab. 1 Water contents of concrete under different confining pressures

(2)当粉煤灰掺量相同时，含水量随着水围压增加而增加。在水围压较低（1 MPa）时，混凝土含水量增加显著；在水围压较高（3和5 MPa）时，混凝土含水量增幅减小。水围压为3 MPa时，F00、F20和F40混凝土含水量相比1 MPa时，含水量增长率分别为−0.3%、14.8%和14.0%；而在水围压为5 MPa时，F00、F20和F40混凝土含水量相比其在3 MPa水围压时分别增长20.1%、82.3%和16.4%。

2.2 含水量机理分析

混凝土的含水量与混凝土的孔隙结构密切相关，根据文献[12]可知3种粉煤灰混凝土的总孔隙率大小关系为F00>F20>F40，但从表1可以发现，在相同水围压条件下，有F00> F40> F20，出现这种情况主要原因是在粉煤灰掺量较高（40%）时，一部分粉煤灰填充到孔隙中，另一部分粉煤灰作为混凝土组成的材料，而粉煤灰自身的吸水率比水泥的吸水率大[13]，即使混凝土的孔隙率下降，但含水量却不断增加。

依据表1中3种粉煤灰混凝土在不同围压下的含水量试验数据，拟合含水量ws与水围压P的关系见式（1）。

式中：a1、a2和a3均为拟合方程常数。F00混凝土的参数a1=19.04，a2=−7.64，a3=0.88，F20 混凝土的参数a1=7.86，a2=−3.21，a3=0.41，F40混凝土的参数a1=13.93，a2=−5.23，a3=0.59。

图1为3种粉煤灰混凝土在不同围压下含水量试验数据与拟合曲线。

由图1可知，式（1）计算结果与试验数据吻合良好，可用于不同粉煤灰混凝土在不同围压下的含水量预测。由图1还可知，当混凝土孔隙结构相同时，随着水围压的增加，混凝土的含水量先增加后减小再显著增加。

图1 不同围压下含水量试验数据与拟合曲线Fig. 1 Experimental data and fitting curves under different confining pressures

3 粉煤灰掺量对混凝土动态力学性能影响

3.1 不同粉煤灰掺量混凝土的动态力学性能分析

通过试验得到3种粉煤灰混凝土在不同应变速率（10−5、10−4、10−3和 10−2/s）、不同加载环境（干燥组和水围压1、3和5 MPa）下的抗压强度见表2。

从表2可以发现：随应变速率的增加，3种粉煤灰混凝土抗压强度增大，且在水围压为5 MPa时，混凝土抗压强度随应变速率增加最显著。为了表述水围压、应变速率对不同孔隙结构混凝土动态强度的影响，将混凝土在动态荷载作用下强度增加值与含水量的比值作为评判标准来研究水围压与不同孔隙结构混凝土率效应之间的关系，其计算式如式（2）。

式中：ΔVd为混凝土动态强度增加值与混凝土含水量的比值，其含义是单位体积含水量所对应的混凝土动态强度增加值；Δσ为相同水围压下，混凝土在动态荷载下的强度与准静态下的强度差值；σd、σs分别为动态荷载下的强度和准静态强度。

表2 不同围压和应变速率下混凝土的抗压强度Tab. 2 Compressive strength of three kinds of fly ash concrete under different confining pressures and different strain rates

对表2和表1数据按式（2）处理，得到3种粉煤灰混凝土在不同应变速率下的ΔVd值，其变化趋势如图2。

从图2可以看出，在不同围压下，3种粉煤灰混凝土的ΔVd值随应变速率的增加而增加；在高水围压（3和5 MPa）下，3种粉煤灰混凝土ΔVd值随应变速率增加成近线性增长，且在水围压5 MPa时，3种粉煤灰混凝土的ΔVd值随应变速率变化无显著差异。

图2 不同围压下3种粉煤灰混凝土ΔVd值试验数据与拟合曲线Fig. 2 Experimental data and fitting curves of ΔVd values of three kinds of fly ash concrete under different confining pressures

从图2（a）可以看出，在水围压为1 MPa时，3种粉煤灰混凝土的ΔVd值随应变速率的增加而增加，在应变速率小于10−3/s时，3种粉煤灰混凝土的ΔVd值随应变速率变化差异不大，但在应变速率大于10−3/s时，3种粉煤灰混凝土的ΔVd值随应变速率变化差异显著。在水围压为1 MPa、应变速率为10−3/s时，相比于加载速率为10−4/s，F00、F20和F40混凝土的ΔVd值增长率分别为32.4%、44.7%和64.6%；在水围压为1 MPa、应变速率为10−2/s时，相比于加载速率为10−3/s，F00、F20和F40混凝土的ΔVd值增长率分别为−2.1%、294.6%和3.7%。

3.2 拟合分析

根据试验数据，拟合ΔVd与 lg ε˙的预测方程见式（3），拟合方程参数见表3。

式中：A、B和C均为拟合方程常数。

表3 不同水围压下3种粉煤灰混凝土ΔVd与lgε˙的拟合参数Tab. 3 Fitting parameters of ΔVd and lgε˙ of three kinds of fly ash concrete under different water confining pressures

图2为不同围压下3种粉煤灰混凝土ΔVd值试验数据与拟合曲线。由图2可知，式（3）计算结果与实验数据吻合良好，可以用于不同水围压下不同粉煤灰混凝土在动态荷载作用下的ΔVd值预测。由图2还可知，在不同围压下，粉煤灰混凝土的ΔVd值与lg成二次关系，且随着应变速率的增大，F20的ΔVd值增长幅度越来越大，F00和F40的ΔVd值增长幅度越来越小。

将式（1）和（3）代入到式（2）中得到混凝土动态强度增加值Δσ、应变速率ε、水围压P之间的关系如式（4）。

3.3 力学机理分析

根据表3和图2可知，相比于应变速率为10−3/s时的情况，在应变速率为10−2/s时，F20混凝土对应的ΔVd值在水围压为1、3和5 MPa分别提高294.6%、56.8%和88.1%，增长速率远高于同条件下F00和F40混凝土，主要原因是F20混凝土的粗毛细孔和气孔率最低，最密实，含水量也最低。根据Stefan效应[9]推导得到的黏滞应力（如式（5）），可知同一单位体积的孔隙水其形态越扁平，高宽比越小，所能产生的动态力学效应越大。当应变速率越高，其孔隙水所能产生的动态力学效应也最大，故在应变速率为10−2/s时，F20混凝土强度显著增加。

式中：σv为黏滞应力；V为流体的体积；ƞ为液体的黏滞系数；h为裂缝间距离；为裂缝开裂速度。

在水围压为1 MPa时，从图2（a）可以发现，F00和F40混凝土的ΔVd值随应变速率变化规律一致，但F00混凝土的ΔVd值低于F40混凝土。主要原因是粉煤灰掺量为40%时，粉煤灰除了填充孔隙外，还要作为混凝土的组成成分，当混凝土在受到动态加载时，粉煤灰自身表现出类似水泥一样的动态力学性能，使得F00和F40混凝土的ΔVd值的变化趋势一致。

4 结 语

本研究对水围压环境下的3种掺量粉煤灰的混凝土进行了含水量试验和动态抗压强度试验，分析了混凝土含水量的变化规律、应变速率和水围压对混凝土动态抗压强度增加值的影响，主要结论如下：

（1）在相同水围压条件下，F00混凝土含水量最大，F40混凝土含水量次之，F20混凝土含水量最小。

（2）在粉煤灰掺量相同时，混凝土的含水量随着水围压的增加呈现出先增加后减小再显著增加的变化规律，二者表现为三次函数关系。

（3）在相同水围压条件下，随着应变速率的提高，F00混凝土和F40混凝土中单位体积含水量所引起的动态抗压强度增加值（ΔVd）的增长缓慢，而F20混凝土的ΔVd增长较快，且水围压条件下粉煤灰混凝土的ΔVd与应变速率对数（lg）之间的关系可以用二次函数表示。