静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究

2023-05-10李胜林陈云瑞张明悦徐平甲郝劲戈

北京理工大学学报 2023年5期

李胜林，陈云瑞，张明悦，徐平甲，郝劲戈

（1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.北京市通州区住房和城乡建设委员会，北京 101199；3.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500）

随着人们对建筑结构安全可靠性要求的不断提高，地震、风、爆炸等动态荷载对建筑结构的影响越来越受到关注.目前，大量学者对混凝土动态性能的研究相对深入，但大多都是针对无初始损伤的混凝土.结合实际情况，混凝土结构在使用过程中，会承受各种不利因素导致不同程度的损伤.如：在洪水水波循环荷载的作用之前，水库大坝已承受了自重、静水压力等静载；高层建筑在未受到地震、强风荷载等偶然作用时，其要承担自重等永久荷载.所以，全面了解静载历史下混凝土的动态性能是当前的重要任务.

20 世纪KAPLAN[1]研究了初始静载对混凝土动态抗压强度的影响，即先以低加载速率模拟初始静载加载到一定荷载值，然后以高加载速率加载至混凝土试块破坏.试验结果表明，当初始损伤载荷较小（F<1/3fc）时，混凝土的动态强度呈现增大趋势；当初始损伤载荷超过该值时，混凝土的动态强度呈现减小趋势.肖诗云等[2]针对经历0、30%、50%和75%荷载峰值的混凝土试件，利用大型静、动三轴电液伺服试验装置对其进行了单轴动压试验.试验结果表明，当荷载历史小于损伤应力阈值时，荷载历史对混凝土强度影响不大.当荷载历史超过临界值时，混凝土极限抗压强度明显降低.其他学者[3-6]也进行过相关研究，得出了相似结论.为进一步明确具有静载历史混凝土在高应变率下的动态抗压性能，本研究先通过万能压力机对混凝土试件进行0、30%、50%、70%和90%的极限抗压强度预加载，然后利用SHPB 试验设备对试件进行单次冲击压缩试验，以对比研究损伤条件下混凝土的动态抗压特性，为实际工程的应用提供理论指导.

1 试验内容

1.1 试件制作

试验制备混凝土强度等级为C30，水泥使用P.C32.5R 钻牌复合硅酸盐水泥，粗骨料为直径5～15 mm连续级配的碎石，细骨料为细度模数2.7 的天然河砂，混凝土配合比如表1 所示.

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

试验制作长×宽×高为100 mm×100 mm×300 mm的长方体试块，经标准养护达28 d 后取出并运往试件加工厂，如图1 所示.经过切割、取芯、打磨制作成最终制作成Φ75 mm×50 mm 试件用于动态冲击试验.为保持试件端面受力均匀，符合“均匀性”假定，将端面平整度严格控制在0.02 mm 以内.共取160 块圆柱体试件，如图1 所示.

图1 脱模及取芯后的混凝土试块Fig.1 Concrete test block after demoulding and coring

1.2 试验方案

通过YAD-2000 试验机对3 个混凝土试件进行静态压缩实验，其应力-应变曲线如图2 所示，求其平均值获得其静态强度为29.4 MPa.结合国内外学者的研究成果[7-8]以及本试验中混凝土试件力学特征，确定预加荷载的幅值分别取混凝土抗压强度（P=29.4 MPa）的0、30%、50%、70%和90%，共5 种工况.按位移控制加载的方式制备初始损伤试件，加载速率为2 mm/min，加载至目标比例荷载后卸载.

图2 混凝土静态压缩应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of concrete specimens

利用子弹长度为400 mm 的SHPB 试验装置对具有荷载历史的混凝土试件进行冲击压缩试验，冲击速度控制在2～8 m/s.确保每个相近速度下有3 次平行试验，据此研究具有荷载历史的混凝土在不同应变率下的动态力学性能.基于弹性应力波在细长杆中的一维传播理论，可用“两波法”（式（2）～（4））计算试件的应力、应变和应变率.

1.3 动态应力平衡校验

动态应力平衡是混凝土、岩石等脆性材料实现恒应变率加载的首要条件，通过波形叠加可验证SHPB 加载系统的应力平衡状态，可根据式（5）来校验SHPB 试验的应力平衡问题，

式中 σI、σR、σT分别为入射、反射和透射应力波.在实际校验时可采用相应的入射、反射和透射曲线代替.在研究中根据试验结果，相应地检查了试验数据的应力平衡问题，如图3、图4 所示，可以发现，试验结果表现出较好的应力平衡，表明本研究提供的SHPB 试验结果的有效性.

图3 试件动态应力曲线Fig.3 Dynamic stress curves of the specimens

图4 试件动态应力平衡曲线Fig.4 Dynamic stress balance curves of the specimens

2 试验结果及分析

2.1 损伤测量

对试件施加不同程度的静载后，混凝土内部会出现微小的裂隙导致波速下降.采用声波测速仪对混凝土试件预加载前后的波速进行测试，按式（1）计算损伤值D，计算结果如表2 所示.

表2 静载历史下的损伤值Tab.2 Damage value under static load history

由表2 可以看出，经历静载加压历史后，混凝土试块的纵波波速随初始静载的增大出现不同程度的减小.加载静压越大，损伤后纵波波速越小，损伤值D越大，说明试件内部损伤越严重.本文中默认无静载历史的混凝土试块损伤值D=0.

2.2 破坏形态及过程

混凝土试件经过单次或多次冲击，试件的形态有完好、裂纹、破碎成块、粉碎4 种，具体如图5 所示.当冲击速度较小时，入射波幅值相对也小，此时试件形态为完好，只是内部发生损伤肉眼观察不到，如图5(a)所示，试件处于受力的弹性阶段.当速度慢慢增大时，入射波的幅值也随之增大，混凝土试件表面出现了贯穿裂纹并迅速扩展，但此时的试件虽然已出现裂纹却不会散开，如图5(b)所示.当速度继续增大，入射波幅值继续提升，试件受到的冲击力大大增加，此时混凝土试件内部的骨料和砂浆发生了剪切破坏，如图5(c).混凝土的破坏往往是一瞬间的，当速度增大到一定程度时，试件飞崩完全粉碎，如图5(d)，从图中发现试件的破坏主要是骨料的破坏.

图5 混凝土在不同冲击速度下破坏情况Fig.5 Damage of concrete at different impact speeds

图6 为高速摄影仪记录的混凝土试块在冲击过程中开裂破坏状态的部分图片，其最高帧速为 72 fps.提取的系列图片覆盖冲击波经过混凝土试件的全过程，选用70 帧图片显示了高速冲击过程沿厚度方向的裂缝产生、发展过程，路径相对平直，但由于骨料等因素导致的材料不均质性，裂纹路径出现了一些分叉和偏移，但也存在裂纹穿过粗骨料的现象.

图6 高速摄影的部分图片Fig.6 Failure development of concrete specimens at different stress stages

2.3 应力-应变曲线特征分析

经历不同程度预加载的混凝土试件，通过SHPB冲击试验得到峰值强度、最大应变、破坏形态等动态力学参数与应变率的关系，如表3 所示.

从表3 中可以观察到不同程度预荷载的混凝土试件在冲击过程中，应变率、强度、最大应变均随冲击速度的增大而增大，试件状态依次呈现出完好、裂纹、破坏和粉碎4 种情况.相近冲击速度下，随预加载增大，试件的峰值强度总体减小，最大应变有所增大.除此之外，破坏情况与静载历史有非常紧密的联系.预加载越大，内部损伤越大，在相同冲击速度下，试件破坏程度越严重.

表3 C30 混凝土的动态力学参数Tab.3 Dynamic mechanical parameters of C30 concrete

建立不同预加载条件下速度与应变率的对应关系，如图7 所示为线性相关且具有较高的相关系数，表明混凝土试件虽经历了不同程度的损伤，但其微裂隙并不影响应力波在试件内建立起的应力平衡，表明不同损伤程度的混凝土试件可在同一条件下开展结果的对比.

图7 冲击速度与应变率的对应关系Fig.7 Relationship between impact velocity and strain rate

根据试验数据得出5 种工况下混凝土动态受压的应力-应变曲线，如图8～12 所示.从图中可以看出不同静载历史的试件在相近应变率时的应力-应变曲线形状都非常相似.在应变率范围大致在30～45 s-1时，不同预加载的混凝土应力-应变曲线在经历直线阶段后，均会出现平台，应力增长缓慢而应变增长较快，混凝土试件进入弹塑性阶段，开始发生塑性变形.当应变率较高时，平台阶段逐渐消失.

图8 预加载F=0 时混凝土的应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curve of concrete at initial load F = 0

图9 预加载F=0.3P 时混凝土的应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain curve of concrete at initial load F = 0.3P

图10 预加载F=0.5P 时混凝土的应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain curve of concrete at initial load F = 0.5P

图11 预加载F=0.7P 时混凝土的应力-应变曲线Fig.11 Stress-strain curve of concrete at initial load F = 0.7P

图12 预加载F=0.9P 时混凝土的应力-应变曲线Fig.12 Stress-strain curve of concrete at initial load F = 0.9P

相同静载历史条件下，随着应变率的增加，混凝土的动态抗压强度、最大应变均随之增大.这是由于胶结材料与骨料的破坏共同构成混凝土的破坏.应变率较小时，主要是混凝土中的水泥砂浆发生贯通破坏，发生破坏的粗骨料较少；应变率较大时，主要是粗骨料破坏，水泥砂浆基体内部的微裂缝来不及充分扩展，所以应变率增加得越大，混凝土骨料发生破坏的程度就越严重.未受预加载作用的试块在应变率为118.59 s-1时，其动态峰值应力为89.5 MPa，高出预加载F=0.5P试件峰值应力约5.6%；预加载F=0.3P试件在应变率为81.41 s-1时，其动态峰值应力为69.2 MPa，高出相同应变率条件下预加载F=0.9P试件峰值应力约24.8%.由于初始静载会造成试件内部产生裂纹造成损伤，导致混凝土抗压性能下降.所以在相近应变率范围内，当预加载值增大时混凝土的动态应力-应变曲线上升段斜率下降，即动态弹性模量减小.

2.4 强度的应变率效应

由于混凝土强度的应变率效应，故引入动态强度增长因子DIF 即混凝土动态抗压强度与静态抗压强度的比值，进一步研究应变率对静载历史混凝土动态抗压强度产生的影响.

式中：fc为当前应变率下的损伤混凝土动态抗压强度；ε˙c为当前的应变率；α、β为试验的材料系数，通过对试验结果的拟合得到.不同预加荷载情况下拟合关系如表4 所示.

表4 动态抗压强度与应变率的拟合关系Tab.4 Fitting relationship between dynamic compressive strength and strain rate

根据图13 可以发现，应变率与经历不同预加载的混凝土动态抗压强度有紧密联系.不同预加载的混凝土动态抗压强度与应变率的关系均可用幂函数来表示，拟合度较高.根据幂函数的数学表达规律，结合拟合参数与试验条件可以看出，β基本保持不变，在曲线上表现为各工况下曲率基本相同，表明不同预加载条件下的动态抗压强度与应变率的走向基本一致；而α随着预加荷载的增大而减小，表现为随着预加荷载的增大曲线整体下移，表明相同应变率条件下，混凝土试件的动态抗压强度随预加荷载的增大而减小.说明混凝土内部的损伤情况越小，混凝土试件对外部的冲击抵抗能力也就越强.随着应变率的增长，具有预加载混凝土的动态抗压强度随之增强.

图13 预加载混凝土动态抗压强度与应变率的关系Fig.13 Relationship between dynamic compressive strength and strain rate of concrete at initial load

对比发现相同应变率下，预加载会导致混凝土动态抗压强度的下降，按整体平均计算，以未施加预加载的工况为标准组，当预加载F=0.3P时，动态强度整体下降2.56%；当预加载F=0.5P时，动态强度整体下降5.28%；当预加载F=0.7P时，动态强度整体下降8.25%；当预加载F=0.9P时，动态强度整体下降11.39%.以混凝土强度保证率95%为分界点，可得预加荷载对动态强度的影响存在一个分界点.当预加载在F<0.5P时，影响比较小；当预加载在F≥0.5P时，预加载所产生的损伤对混凝土动态强度有较强的弱化效应.这是由于预加载较小时，混凝土内部初始损伤小，试件破坏主要受动态冲击的影响，因而强度增长很快.预加载较大时，混凝土内部初始损伤大，混凝土内部的微裂纹发展丰富.进行动态冲击时，能量主要从裂缝处穿过，因此强度增幅较小.

混凝土的破坏主要由于水泥砂浆胶凝材料发生裂纹的贯穿以及部分基体材料的破碎，试件施加的不同静载使粗骨料与水泥砂浆基体的粘结力下降，产生裂纹甚至是破坏.当应变率较低时，很少有混凝土试件发生粗骨料破坏，大多数都是出现轻微开裂、掉渣，有的甚至并不能观察出明显裂纹，因此在低应变率加载时不同静载历史的试件强度差异化并不明显.随着应变率的增加，承受不同静载历史的试件其动态抗压强度的影响逐渐明显，其原因是不同静载历史作用下的试件内部微孔隙、裂纹发展不同，在高应变率下粗骨料发生贯穿破坏时，水泥砂浆基体对其侧向约束力程度不同.初始静载越大水泥砂浆基体发生损伤越严重，在高应变率的冲击荷载作用下粗骨料所受约束效应越小，更加容易发生沿轴向荷载方向的运动，如向外侧压碎周边水泥砂浆基体来避免骨料自身的破坏，从而表现出动态抗压强度较低；预加载较小的试件周边水泥基体对粗骨料的约束效应较大，在高应变率冲击下骨料发生了直接的贯穿破坏，因而在高应变率加载时，未受初始静载试件的动态抗压强度高于受预加载试件的动态抗压强度.这种现象随着初始静载的增大越来越明显.