干湿循环作用下路面水泥混凝土的单轴压缩试验研究

伊 涛

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

随着国民经济的快速发展，基础设施建设的重要性日益提高，交通基础设施建设更是其中的关键。目前，我国公路总里程已经跃居世界前列，基本实现中心城市之间的交通网布置。然而，路面破损，隧道渗水，桥梁裂缝等问题随之而来。本文针对干湿循环作用下水泥混凝土路面的物理力学性质展开研究，旨在能够为改善混凝土路面质量提供依据。

近年来，我国学者在混凝土干湿循环方面的研究成果颇丰。章伟等[1]对大温差干湿循环作用下路面混凝土裂缝的成因进行了分析，并对泡沫混凝土的力学特进行了研究，探讨了泡沫混凝土在预防裂纹产生方面的适用性。刘燕等[2]通过不同粉煤灰掺量对冻融-干湿耦合作用下混凝土的力学特性进行了研究，分析了冻融和干湿对混凝土的劣化程度。闻洋等[3]采用NMR(核磁共振)和SEM(扫描电镜)技术对干湿循环作用下聚乙烯混凝土抵抗Cl-1离子的渗透性进行了研究。王建辉等[4]对干湿循环作用下的铁尾矿砂混凝土耐久性进行了试验研究，分析了干湿循环对其质量损伤率、抗压耐腐蚀系数和超声波速等物理性质的影响。郑全成等[5]分析了盐冻融和干湿交替作用下沥青混凝土的高温与低温下的力学性质。

综上分析可知，前人对于干湿循环、冻融循环作用下混凝土的力学特性进行了较为充分的研究，但并未考虑不同加载速率与干湿同时作用的情况。本文在考虑干湿循环作用的同时，又增加了加载速率对混凝土力学特性的影响，分析了干湿循环作用后混凝土的宏观力学参数的加载速率效应，为混凝土路面的耐久性研究提供了可靠的依据。

1 试验介绍

1.1 原材料与配合比

本文试验所采用的材料如表1所示。

表1 试验用材料

根据混凝土配合比设计规程《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011对C30水泥混凝土进行配合比设计，经过室内试验、施工现场及基准3种配合比的相互比较与调整，再依据相关工程经验最终确定的本文路面混凝土配合比见表2。

表2 路面混凝土配合比

1.2 试件制备

本文所研究的路面水泥混凝土均采用标准模具进行制样，制备好的试样尺寸为Φ50 mm×100 mm标准圆柱体，所有试件统一在满足试验规程的条件下进行浇筑，养护龄期为28 d，部分制备完成的试样见图1。

图1 制备好的试件

1.3 试验方法

本文对不同干湿循环次数与不同加载速率作用下的路面混凝土进行单轴压缩试验，试验仪器采用进口的MTS815.02伺服试验系统。干湿循环试验方法：首先将制备好的混凝土试件放入浸泡箱中浸泡16 h，水温为(20±2) ℃，待达到浸泡时间后，将试样取出在烘干箱中烘干7 h，烘干温度为(75±2) ℃，待达到烘干时间后，将试样取出，室温下冷却5 h，到此为止，试样经历了一个完整的干湿循环过程。每组干湿循环试验结束后，对试样的质量和纵波波速进行测量。根据相关研究及工程实际情况，本文设置干湿循环次数分别为0、20、40、60、80次，设置加载速率为0.5、1.0、1.5和2.0 mm/s。

2 试验结果分析

2.1 混凝土物理性质变化分析

分别对不同干湿循环次数下混凝土试样的平均密度和纵波波速进行平均化处理，得到二者随干湿循环次数的变化规律(图2)，可以明显看出，随着干湿循环次数的增多，混凝土试样出现劣化，试样的平均密度与平均纵波波速均呈逐渐递减趋势，且干湿循环次数越多，二者减幅越大。在0次干湿循环作用时，混凝土试样的平均密度为2.415 g/cm3，纵波波速为3.105 km/s；当干湿循环次数为20、40、60、80次时，二者减幅逐渐增大，其中平均密度减幅分别为0.83%、0.85%2.41%和9.57%，纵波波速减幅分别为4.85%、7.60%、25.76%和104.23%，可见干湿循环作用对混凝土的劣化作用显著。

2.2 应力-应变关系分析

图3为不同干湿循环次数，不同加载速率下路面混凝土试样的单轴压缩应力-应变曲线，文中仅给出了干湿循环次数0次和80次时的试验结果。从图中可以看出，混凝土试样具有与岩石类材料类似的应力-应变演化过程，应力-应变曲线大体可分为压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和峰后阶段。不同试验条件下混凝土试样均具有较为明显的压密阶段，原因可能是制样时未能充分振捣，使得试样内部有部分孔隙残留。从图中还可以看出，不同试验条件下试样的峰前曲线较为光滑，峰后曲线略显差异，当干湿循环次数为0时，不同加载速率下的峰后曲线呈“断崖”式变化，随着干湿循环次数的逐渐增大，试样的峰后曲线开始出现波动变化，当干湿循环次数为80次时，试样的峰后曲线呈明显“台阶式”下降，与干湿循环次数为0次时相比，峰后曲线持续时间延长，试样的软化现象逐渐凸显。从图中还可以看出，混凝土试样的峰值强度、峰值应变和弹性模量等宏观力学参数均与干湿循环次数和加载速率密切相关，后文将对其进行具体分析。

图2 水泥混凝土物理特性与干湿循环次数之间关系

图3 不同试验条件下混凝土试样应力-应变曲线

2.3 宏观力学参数分析

根据试验数据计算得到不同试验条件下混凝土试样的峰值强度、峰值应变和弹性模量的计算结果见表3，限于篇幅，文中仅列出了干湿循环0次和80次的计算结果。

表3 混凝土试样的宏观力学参数

由表可知，混凝土试样的宏观力学参数与干湿循环次数、加载速率之间具有密切联系。其中，在相同加载速率下(0.5 mm/s)，当干湿循环为0次时，试样的峰值强度为75.31 MPa，峰值应变为1.08%，弹性模量为11.40 GPa；当干湿循环增加至80次时，试样的峰值强度降至62.56 MPa，峰值应变增大至1.45%，弹性模量降低至8.21 GPa，变化幅度分别为-16.93%、+34.26%和-27.98%。表明混凝土试样在干湿循环作用下劣化程度逐渐加深。在相同干湿循环次数下(干湿循环次数为0)，当加载速率为0.5 mm/s时，试样的峰值强度、峰值应变和弹性模量分别为75.31 MPa、1.08%和11.40 GPa；当加载速率分别为1.0、1.5和2.0 mm/s时，试样的峰值强度分别为0.5 mm/s时的1.02、1.17和1.26倍，峰值应变分别为0.5 mm/s时的1.07、1.11和1.12倍，弹性模量分别为0.5 mm/s时的0.97、1.09和0.99倍。表明加载速率对混凝土试样的峰值强度和峰值应变具有显著的促进作用，二者与加载速率呈正相关关系，而弹性模量随加载速率无明显变化规律。不同干湿循环次数下，试样的宏观力学参数表现出类似关系，具体情况见图4。

图4 不同加载速率下宏观力学参数与干湿循环次数之间关系

3 干湿循环作用后混凝土加载速率效应分析

根据前文分析可知，混凝土试样的峰值强度和峰值应变具有显著的加载速率效应，而弹性模量与加载速率之间的相关性不强，因此，对于宏观力学参数的加载速率效应仅考虑峰值强度和峰值应变，图5为干湿循环0次和80次时混凝土试样的峰值强度、峰值应变与加载速率之间的关系曲线。

图5 峰值强度、峰值应变与加载速率之间关系曲线

由图可知，不同干湿循环次数下，混凝土试样的峰值强度、峰值应变均随加载速率的增大而逐渐增大，采用Origin软件对曲线进行最小二乘拟合发现，峰值强度、峰值应变与加载速率之间均满足线性函数关，即:

y=αx+β

(1)

式中：y为峰值强度或峰值应变；x为加载速率；α、β为材料参数。不同干湿循环次数下混凝土试样的峰值强度和峰值应变的拟合相关系数均在0.9以上，说明峰值强度、峰值应变与加载速率之间具有较强线性相关性。表4为不同干湿循环次数下混凝土试样的材料参数统计结果，表中峰值强度的拟合参数用ασ、βσ表示，峰值应变的拟合参数用表示αε、βε表示。

表4 材料参数α、 β统计结果

由式(1)可知，参数α代表加载速率的作用程度，α值越大，加载速率对混凝土试样的影响越明显，无量纲；参数β表征加载速率趋于零，即理想静水压力条件下混凝土试样的峰值强度或峰值应变，量纲与对应变量相同。为直观观察参数α、β随加载速率的变化规律，将表中数据绘于图6。

图6 材料参数α、 β与干湿循环次数之间关系

从表4和图6中可以看出，峰值强度参数ασ、βσ均随干湿循环次数的增大而逐渐减小，表明在干湿循环0次时，加载速率效应最明显，随着干湿循环次数的增大，加载速率效应逐渐减弱，试样的损伤程度逐渐加深。峰值应变参数αε、βε则均随干湿循环次数呈逐渐递增趋势，恰好与峰值强度参数呈相反规律变化，原因是峰值强度随干湿循环的增大而逐渐劣化，试样的承载能力逐渐减弱，进而导致其变形能力逐渐增强，因此在拟合参数上表现出随干湿循环次数逐渐增大的趋势。

4 结论

本文针对路面水泥混凝土受干湿循环作用后的物理力学性质展开了研究，分别对干湿循环0、20、40、60和80次后的混凝土试样进行了0.5、1.0、1.5和2.0 mm/s 4种加载速率下的单轴压缩试验，结论如下：

(1)随着干湿循环次数的逐渐增加，混凝土的物理参数出现劣化，干湿循环由0次增加至80次，试样的平均密度和平均纵波波速分别减小了9.57%和25.17%，且物理参数的减幅随干湿循环次数逐渐增大。

(2)随着干湿循环次数的逐渐增大，混凝土的峰值强度和弹性模量逐渐减小，峰值应变逐渐增大；随着加载速率的逐渐增大，试样的峰值强度、峰值应变逐渐递增，而弹性模量与加载速率之间无明显变化规律。

(3)干湿循环作用后混凝土的峰值强度和峰值应变具有明显的加载速率效应，二者与加载速率之间均满足线性递增函数关系，且根据拟合参数随干湿循环次数的变化关系可知，干湿循环促进了混凝土试样的加载速率效应。