冻融循环条件下混凝土损伤规律研究

□□ 李月霞

(运城职业技术大学 建筑工程学院，山西 运城 044000)

引言

由于混凝土具有原材料丰富、价格低廉、生产工艺简单的特点，使其成为现阶段应用最为广泛的建筑材料。而我国北方地区，冬季天气寒冷，昼夜温差较大，混凝土材料极易在冻融循环作用下发生剥落、损伤，从而直接影响混凝土结构体的力学性能，引发建筑物不安全隐患。

目前，针对冻融循环条件下岩土体损伤规律已经进行了大量研究。徐卫卫等[1]利用CT技术研究了不同掺量条件下土石结构的渗透性能。董方方等[2]利用孔隙水颗粒和颗粒膨胀的方法模拟岩石冻融过程，研究了其在冻融条件下的拉伸行为。李星儿等[3]设计冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为试验变量，总结了冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结状况。刘润喜等[4]总结了冻融循环条件下受冻融循环影响的桥墩力学行为。刘思明[5]研究了不同龄期下的混凝土单轴抗压强度行为。邓祥辉等[6]研究了不同取代率条件下再生混凝土结构内部孔隙分布与抗冻耐久性的定量关系。何晓雁等[7]研究了探究酸雨和冻融共同作用下，不同橡胶掺量对透水混凝土力学性能的影响。张桂金[8]通过室内试验探讨了钢纤维掺量改性混凝土抗冻性能影响规律。

通过以上研究，对于混凝土冻融循环条件下损伤规律已有一定研究，但很少涉及本构方程。因此，现拟在归纳试验结果的基础上提出混凝土在冻融循环条件下的损伤本构方程。

1 试样制备

1.1 试验原材料

试验拟采取的原材料主要为水泥、碎石、砂子、水，其中水泥采用P·O 42.5水泥，其具体指标见表1。粗骨料为粒径范围5～20 mm的碎石，而细骨料则为河砂，拌合所需水分为普通自来水，试验试样制备过程中的配合比见表2。

表1 水泥组分

表2 混凝土材料配合比

1.2 试样制备及养护

由于试验力学性质拟采用三轴伺服试验机进行，因而需要制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的三轴试样。在制备试样过程中，首先应对粗、细骨料进行冲洗，以确保骨料中的杂质能够去除；其次，将试验原材料按照配合比置于小型搅拌机内均匀搅拌；接着，将搅拌好的混凝土倒入磨具进行浇筑。

将制备好的混凝土试样放进养护室进行养护，养护过程确保养护温度为20 ℃、相对湿度为95%，养护至28 d。随后，利用取芯机将养护完成的试样取芯打磨成Φ50 mm×100 mm。

2 试验设计

2.1 冻融试验

冻融试验在混凝土冻融箱中进行。试验前先利用非金属无损检测仪选择波速相当的试样作为试验样；将试样置于容器中浸泡4 d，以确保试验过程拥有充足补水条件；将浸泡完成的试样放入冻融箱内进行冻结试验，确保冰箱温度降至-20 ℃，温差≯±2 ℃。当冰箱达到目标温度时，确保在该温度下恒温冻结1 d；融解过程则在室温环境下降试样静置1 d。冻结1次并融解1 d后为一个冻融循环。按照试验要求，将冻融循环次数设置为0、20、40、60、80、100次。

2.2 质量损失率试验

质量损失率是衡量冻融前后混凝土损伤程度的重要指标。通常将经历过冻融循环的试样擦干表面水分，利用天平称取对应循环次数条件下的试样质量，记为GN；而未经历冻融循环的试样质量记为G0；定义经历冻融循环质量损失与未经历冻融循环试验质量的比值为质量损失率，用ΔmN表示，ΔmN的计算见式(1)。

(1)

式中：GN——对应循环次数条件下的试样质量；

G0——未经历冻融循环的试样。

2.3 力学试验

力学试验拟采用岩石伺服三轴岩石试验机进行，该试验机轴向荷载及围压均能独立加载，全程为电脑自动采集数据。试验过程中拟设置初始状态轴压、围压均为1 MPa，控制围压不发生变化，轴压匀速上调，直至试样破坏。

3 试验结果分析及讨论

3.1 质量损失率

将不同冻融循环次数对应试样质量损失率绘制成曲线，如图1所示。

图1 冻融循环次数与质量损失率的关系

从图1可以看出，冻融循环过程使得质量损失率表现出质量损伤率减小和抬升两个阶段。当冻融循环次数<20次时，混凝土质量损失率处于负值状态，这缘于开始状态水分充填孔隙。在该阶段，虽然孔隙有少量扩张趋势，但扩张程度相对较小，只能造成储水能力的增加，这也直接导致质量损伤率出现负值；而当冻融循环次数增加至20次时，试样中孔隙逐渐扩张，部分孔隙逐渐贯通，从而使得试样孔隙向裂隙过渡，使得混凝土表面出现部分剥落。同时，冻融变化过程中，含水率在温度场作用下发生相变，孔隙中水分变为冰相，体积发生膨胀加剧了裂隙扩展及表面剥落。这是造成质量损伤率急剧增加的主要原因。为了更好地反映该过程，用数学函数拟合试验结果，见式(2)。

y=-0.08-0.07x+1.99x2-7.75x3

(2)

R2=0.96

式中：x——冻融循环次数。

3.2 三轴强度分析

将不同冻融循环次数对应试样应力应变关系绘制成曲线，如图2所示。

图2 不同冻融循环次数对应试样应力应变关系

从图2可以看出，混凝土三轴力学行为得到的应力应变曲线大致分为两个阶段。分别为弹性阶段和弹塑性阶段。弹性阶段，应力应变曲线呈现线性增长过程；当达到峰值强度后，呈现出非线性变化阶段，该阶段应力呈现降低的趋势。

同时，从图2还可以看出，冻融循环次数越少，曲线越高，相同应力条件下试样应变越小。这也说明冻融循环次数的增加有利于孔隙及裂隙的扩展，会加快混凝土劣化。

3.3 损伤机理讨论

综合3.1和3.2的试验结果，结合反应过程内部机理，以图示的方式对混凝土劣化的机理进行阐述，示意图如图3所示。

图3 试验机理示意图

从图3可以看出，冻融循环过程实为冻胀力作用下孔隙扩展、贯通引起混凝土材料内部损伤，并激发混凝土力学行为劣化的现象。当循环次数较少时，混凝土内部损伤程度较低，外荷载作用下混凝土将最大程度发挥延性，表现为力学强度相对较高；当循环次数增长时，此时部分孔隙已有小孔隙向大孔隙发展，孔隙与孔隙间间距逐渐减小，力学性能开始劣化；当循环次数增长达到一定阈值时，部分孔隙已经连接贯通，形成裂隙。这无疑为荷载作用下试样提供了破坏路径，加剧了试样力学行为的劣化程度。

4 损伤方程建立

通过以上试验基本说明了混凝土在冻融循环作用下的损伤规律，然而只有根据试验结果归纳损伤本构方程才能建立冻融循环与混凝土试样之间的数学联系，更好地指导相关工程应用。因而将进一步建立冻融循环影响的混凝土损伤本构方程。

在建立损伤本构方程的过程中，通常选取合适的损伤因子来衡量材料损伤规律。基于Lemaitre提出的应变等价原则，材料损伤本构关系见式(3)。

(3)

式中：σ——平均应力；

E——无扰动试样的弹性模量；

D——损伤参量。

式(3)可以很好地建立应力型损伤因子及应变型损伤因子之间的相关关系。在建立损伤本构方程过程中，通常应当明确损伤机理。结合现有研究成果可知，冻融循环条件下混凝土损伤过程可以分为受荷损伤及冻融损伤两个过程，因此，建立损伤方程时，也应当区分两个过程，分别选取损伤因子，最后耦合两者之间的关系。

对于冻融循环造成的损伤过程，往往引起弹性模量发生变化。因此，选取弹性模量作为损伤因子，则冻融循环影响下损伤方程为式(4)。

(4)

式中：Dn——为冻融损伤造成的损伤；

E0——冻融之前的混凝土损伤模量；

En——经历n次冻融循环混凝土损伤模量。

对于受荷过程，则通常认为岩石内部损伤具有一定的随机性，符合Weibull统计分布，则其损伤方程式为式(5)。

(5)

式中：DL——混凝土受荷造成的损伤；

ε——混凝土的弹性模量；

εf——混凝土应力峰值对应的应变值；

m——混凝土材料表征参数。

应当指出，冻融过程与受荷过程之间的耦合关系为式(6)。

Dm=D+Dn-DnD

(6)

将式(4)和式(5)代入式(6)，则可得冻融循环条件损伤本构方程式(7)。

(7)

5 结论

以混凝土冻融循环为背景，通过对混凝土质量损伤率、力学行为以及本构关系的研究，得到如下结论：

5.1 混凝土在冻融循环条件，孔隙含水造成质量损失率经历下降及抬升两个过程，当循环次数<20次循环时，质量损失率随循环次数逐渐下降；当循环次数>20次时，质量损失率随循环次数逐渐抬升。

5.2 冻融循环作用使得混凝土小孔隙演化为大孔隙并逐渐贯通为裂隙，连续冻融循环将使得微观结构发生劣化从而影响试样宏观力学行为。

5.3 将混凝土损伤劣化过程分为受荷条件及冻融循环条件两个过程，根据其耦合关系建立了能够反应冻融循环次数与其应力应变关系的损伤本构方程。