饱和度对混凝土三轴抗压强度的影响试验研究

崔 健，鹿 羿，张惠申，蔡润杰

饱和度对混凝土三轴抗压强度的影响试验研究

崔 健1, 2，鹿 羿1，张惠申1, 2，蔡润杰1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300350；2. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津 300350)

混凝土结构服役环境非常复杂，其孔隙中自由水饱和度和受力状态因服役环境不同而有较大的区别．为研究不同含水饱和度混凝土在三向受力状态下的力学性质，本文通过干燥、真空饱水、自然蒸发3个步骤制作了0、50%和100% 3种饱和度、2种强度等级的混凝土试件．试验采用了长径比2∶1的圆柱体和边长50mm的立方体两种形状的试件．对总共60余个混凝土试件进行了无侧限单轴压缩试验和不同围压下的三轴压缩试验．试验结果表明：随着饱和度的增加，混凝土材料的单轴抗压强度逐渐降低，且普通强度混凝土的下降幅度比高强度混凝土高；在围压条件下，不同含水饱和度的混凝土试件轴向抗压强度均有所提高，普通强度混凝土的三轴强度比高强混凝土提高的幅度更大，且饱和度高的试件对侧向压力更为敏感，这主要是由于多向应力条件下产生的孔隙水压力作用；根据所得到的试验结果，基于Mohr-Coulomb强度准则建立了考虑饱和度影响的混凝土强度模型，用于指导混凝土结构在不同湿度服役环境下的设计，提高设计的可靠性.

混凝土；孔隙水；饱和度；三轴压缩；抗压强度

混凝土作为用量最大的建筑材料广泛应用于住宅、桥梁、大坝、交通枢纽等基础设施中．混凝土结构在服役期间所处的自然环境复杂多样，例如：干燥少雨的沙漠、潮湿的热带雨林或湖泊等．不同湿度环境下的混凝土材料饱和度有所差异，其力学特征也显著不同．

国内外学者对不同含水率混凝土的单轴抗压强度进行了研究．Yurtdas等[1]认为潮湿环境下的混凝土强度会降低，但是弹性模量和泊松比会增加．刘保东等[2]发现同样标号混凝土试块的抗压强度随含水率的增加而降低，对于自然养护的试块，抗压强度随含水量的增加而下降的速度大于标准养护试块．邓友生等[3]发现混凝土的极限应变随其含水率的增加而逐渐变大，呈现出一定“延性破坏”的特征．Zhao等[4]通过对超高韧性水泥基复合材料(ultra high toughness cementitious composites，UHTCC)的研究发现了自由水对UHTCC准静态和动态抗拉强度有软化效应，并且UHTCC的软化系数受应变速率的影响．王海龙 等[5-6]发现准静态加载条件下饱和混凝土的抗压强度有所降低，并认为混凝土受压时会产生孔隙水压力，从而对混凝土受压性能产生影响，并使用断裂力学的方法来探讨湿态混凝土在承受单轴压缩荷载时孔隙水压力对混凝土开裂、扩展和抗压强度的影响．综上所述，一般认为混凝土的单轴抗压强度随着含水率的增加而降低，这主要是因为水对骨料界面的润滑作用[7-9]以及水“楔入”作用加速了裂缝开展[10-11]．但是针对三轴应力状态下饱和度对混凝土强度的影响少有研究．Vu等[12]开展了伪三轴条件下混凝土材料的高压力学性能，发现在围压不是非常高的情况下(小于100MPa)含水率对其轴向抗压强度几乎没有影响，但是在高围压下饱和混凝土的强度降低．

含水饱和度较高的大坝常处于高水压状态，跨海桥梁的桥墩受到船舶撞击时也处于三向受力状态，若使用正常环境下的混凝土强度理论进行结构设计，有可能会出现安全隐患．因此，针对缺少考虑含水饱和度影响的混凝土强度模型的现状，本研究使用真三轴试验机开展了两种强度等级的混凝土在不同饱和度和不同围压下的试验．根据试验结果建立了考虑饱和度的混凝土强度方程，为不同湿度环境下的混凝土结构设计提供参考．

1 试件制备

为研究含水饱和度对不同强度混凝土力学性质的影响，本文使用了两种强度等级的混凝土，即普通强度混凝土(ordinary strength concrete，OSC)和高强度混凝土(high strength concrete，HSC)．表1给出了两种混凝土的配合比．OSC选用P·O 42.5级硅酸盐水泥，HSC选用P·O 52.5级硅酸盐水泥．由于浇筑的混凝土试件截面尺寸较小，选用最大粒径不超过8mm的连续级配的碎石作为粗骨料，细骨料采用天然河砂，细度模数为2.97．

表1 混凝土配合比

Tab.1 Mix proportion ofconcretes

本文中单轴压缩试验的混凝土试件选用70mm×140mm的圆柱体试件及50mm×50mm×50mm的立方体试件，三轴压缩试验选用50mm×50mm×50mm的立方体试件，如图1所示．圆柱体试件制备时选用内径70mm、长度为150mm的PVC管作为模具，立方体试件则使用标准50mm立方体三联塑料模具．浇筑后静置24h后拆模，并放入温度为22℃、相对湿度90%的养护室内养护28d．圆柱体试件养护完成后，对其进行切割、打磨平整至预定尺寸，立方体试件仅对浇筑面打磨．

图1 不同形状的混凝土试件

通过烘干、真空饱水和自然蒸发3个步骤，得到了饱和度为0、50%和100%的试件．为控制烘干过程中温度对试件的影响，本试验采用对试件抗压强度影响较小的105℃恒温持续干燥48h的方法[13]，之后称量其质量．继续干燥4～6h后再次称重，若试件质量不再改变则认定试件达到完全干燥状态．在完全烘干后，使用塑料薄膜将其密封，避免空气中的水分与试件二次接触．在所有试件均烘干至恒重后，记录下试件干燥状态质量，记为dry，随后进行饱水操作以制备完全饱和的试件．考虑到使用常规浸泡法制备饱和试件所耗费的时间漫长，且在此过程中混凝土内部可能产生再次水化的现象[14-15]，以及无法保证试件内部夹带的空气完全排出，试件很难达到真正的饱和状态[16]．因此，本文使用了NEL-VJH型混凝土智能真空饱水机进行饱水操作．试件达到完全饱和状态后(继续饱水质量不再增加)，记录下完全饱和混凝土的质量sat，之后覆盖上塑料薄膜防止水分散失．制备饱和度为50%的试件采用的是自然蒸发的方法．

(1) 随机选取10个完全饱和试件称量其质量(完全干燥时的质量已被记录)并置于温度约15℃、湿度低于40%的室内环境下进行自然蒸发．

(2) 每隔8h对其质量进行监测，并将每次称量的平均质量记为m(＝1，2，…，10)，根据每次记录的数据绘制混凝土自然蒸发的时间-质量曲线，如图2所示．

图2 饱和混凝土自然蒸发质量变化曲线

(3) 由饱和度计算公式(1)计算50%饱和度时试件质量，并根据图2查得自然蒸发至该质量的时间，以此时间作为饱和混凝土自然蒸发至半饱和状态时所需时间．最终得到饱和度分别为0、50%和100%的3种试件.

式中：为混凝土饱和度，%；为试件质量，g．

2 试验设备与试验方法

2.1 单轴压缩试验

单轴压缩试验使用YAW-2000D微机控制电液伺服压力试验机，如图3所示．通过控制作动器位移速度来保证准静态加载，最大量程为3000kN，位移加载速度可控制在0.1～200mm/min之间．本次试验采用0.5mm/min的加载速度，实际应变率为5.95×10-5/s．

图3 单轴压缩试验设置

2.2 三轴压缩试验

静态三轴试验在中南大学真三轴实验室完成，使用的是由中南大学和长春市朝阳试验仪器有限公司联合研制的真三轴电液伺服试验系统．该系统是由计算机、伺服控制器、加载器、传感器等组成的闭环数控测试系统，可通过电脑控制实现3个主方向(、、3个正交方向)上独立恒定的位移或力加载速率，如图4所示．垂直()方向上的极限加载能力为3000kN，水平(和)方向为2000kN．三轴加载时首先对、、三轴同时进行加载，加载速度为500N/s，当围压达到试验设定值时停止加载并保持2min，然后将方向加载控制形式更换为位移控制，以0.1mm/min的速度对轴方向进行竖向加载，直到试件破坏为止．

图4 三轴加载

3 试验结果与分析

3.1 单轴压缩试验结果与分析

每种工况的测试重复3次以减小试验误差，圆柱体试件单轴抗压强度试验结果详见表2和图5．表中编号各符号含义为：CQ表示准静态抗压；O表示普通强度混凝土；H表示高强度混凝土；0、50、100分别代表饱和度为0、50%、100%；数字1表示该组第1次试验，依此类推．

表2 单轴压缩试验结果

Tab.2 Results of uniaxial compression test

由图5可以看出，混凝土试件的准静态单轴抗压强度随着饱和度的增加而降低．考虑孔隙水影响的混凝土抗压强度公式为

图5 不同饱和度混凝土的单轴抗压强度

试验结果表明，OSC在完全干燥状态下的单轴抗压强度为20.89MPa，比50%饱和度时的强度18.22MPa高14.65%，比100%饱和度时的强度17.13MPa高21.95%；对于HSC，当饱和度从0增加到100%时，试件的单轴抗压强度从51.94MPa下降到46.99MPa，降低了约10%．准静态单轴压缩试验中，自由水的存在显著降低了混凝土的抗压强度，这与国内外学者的研究一致[1-3]．这主要是因为：一方面，自由水的存在降低了混凝土类材料颗粒间的摩擦作用[7-9]；另一方面，混凝土内的自由水受压缩流入裂缝尖端，形成类似于“楔形体楔入”作用，在裂缝尖端处产生应力集中现象，加快裂缝扩展，降低了混凝土的单轴抗压强度[10-11]．

3.2 三轴压缩试验结果与分析

表3 不同饱和度的普通强度混凝土在不同围压下的轴向强度

Tab.3 Axial strength of OSC with different saturations under different confining pressures

表4 不同饱和度的高强度混凝土在不同围压下的轴向强度

Tab.4 Axial strength of HSC with different saturations under different confining pressures

图6和图7给出了不同饱和度普通强度混凝土和高强度混凝土试件在不同围压下的轴向强度关系，可以看出随着围压的增加，混凝土的轴向抗压强度显著增加，并且相比于HSC，OSC强度的压力相关性更为显著．不同饱和度混凝土围压下的轴向抗压强度有明显差异．普通强度完全干燥的混凝土试件在受到6MPa和12MPa的围压时，其轴向抗压强度分别为57.46MPa和81.12MPa；而完全饱和的混凝土对围压效应更加敏感，随着围压增加到6MPa时，强度增加到59.77MPa，围压达到12MPa时，强度增加到91.69MPa．HSC同样具有相似的规律．

需要说明的是，本研究对于无侧限单轴强度采用了两种混凝土试件，长径比为2∶1的混凝土试件由于端部摩擦效应更弱而强度低于立方体混凝土试 件[17]，为了与三轴抗压强度的试件一致，本节分析采用立方体混凝土试件的单轴抗压强度．相较于圆柱体试件，立方体试件同样表现出随着饱和度的增加单轴无侧限抗压强度逐渐下降的规律，饱和度由0提高到100%，OSC单轴抗压强度下降了26.19%，HSC单轴抗压强度下降了14.2%.下降幅值略高于圆柱体试件.

图6 不同围压下普通强度混凝土轴向强度与饱和度关系

在三轴加载条件下饱和的混凝土对围压效应更敏感，可能是因为加载过程中孔隙里的自由水无法排出，产生了孔隙水压力作用在孔壁上，相比空气，水的压缩产生的孔隙水压力在一定程度上限制了混凝土基体向孔隙的塌缩变形，从而在宏观上表现出强度的增加[18-19]，如图8所示．另一方面，饱和混凝土的泊松比和弹性模量更高[1, 20]，这也可能是造成其围压下强度更高的原因．

图7 不同围压下高强度混凝土轴向强度与饱和度关系

Vu等[12]的三轴试验研究认为在围压低于100MPa的情况下，不同饱和度混凝土围压下的轴向强度区别不大，在高围压下，高饱和度的混凝土强度有所降低．其试验的最低围压为所用混凝土单轴强度的1.75倍，远高于本研究采用的侧向压力，高围压产生的高孔隙水压力对水泥砂浆基体的水力劈裂作用可能是其强度降低的原因．另外，其试验采用的是圆柱形试件，加载速率也有明显区别，与本文试验工况区别较大，也导致了其试验结论与本试验结论存在 差别．

图8 围压作用下孔隙水压力的产生

3.3 考虑饱和度影响的混凝土三轴抗压强度模型

Richart等[21]基于Mohr-Coulomb准则提出了混凝土三轴压缩时轴向破坏强度公式，即

式中为常数．

图9和图10给出了不同饱和度的混凝土试件在三轴静态加载条件下围压与轴向强度的关系．

按照式(4)，在进行无量纲化处理后，拟合出不同饱和度下混凝土三轴抗压强度经验公式，OSC在饱和度0、50%和100%时的O值分别为4.912、6.897和8.882，同样不同饱和度HSC的H值分别为4.723、6.063和7.403．

通过对的线性插值，得到式(5)和式(6)为OSC分别在不同饱和度下的三轴抗压强度公式，式(7)和式(8)为HSC分别在不同饱和度下的三轴抗压强度公式．在本研究中通过参数可以考虑孔隙水的影响，孔隙水饱和度越高，值越大．根据参数还可以看出，OSC的三轴强度受饱和度的影响更大，这是因为OSC的孔隙率高，在饱和状态下含水量更大，因此其强度受饱和度影响更大．

式中：σtri,O为OSC三轴抗压强度；σtri,H为HSC三轴抗压强度．

图10 不同饱和度高强度混凝土围压与轴向强度的关系

4 结 论

本文通过对OSC和HSC在0、50%和100%饱和度下的试件进行静态单轴压缩试验和静态三轴压缩试验，揭示了孔隙水对混凝土三轴抗压强度的影响规律，得到的主要结论如下．

(1) 饱和度的降低提高了混凝土静态无侧限单轴抗压强度，且OSC更为明显．从完全饱和到完全干燥，OSC单轴抗压强度提高了约22%，HSC单轴抗压强度提高了约11%．这主要是因为自由水的润滑作用和受到压缩后的“楔形体楔入”作用．

(2) 不同饱和度的混凝土都具有压力敏感性．即随着围压的增加，混凝土材料的轴向强度显著增强．且在相同的围压条件下，随着试件饱和度的增加，混凝土三轴抗压强度提升幅度更为明显，例如12MPa围压下100%饱和的OSC三轴强度比50%饱和的试件提高约6%．

(3) 在相同围压和饱和度的条件下，OSC的三轴抗压强度相较于HSC提高幅度更大．这与OSC的孔隙率更高、在饱和状态下自由水含量更大有关．

(4) 本研究提出了不同饱和度条件下普通强度混凝土、高强度混凝土在不同围压下的强度准则，为复杂服役环境下混凝土的结构设计提供参考．

［1］ Yurtdas I，Burlion N，Skoczylas F. Experimental characterisation of the drying effect on uniaxial mechanical behaviour of mortar[J]. Materials and Structures，2004，37(3)：170-176.

［2］ 刘保东，李鹏飞，李 林，等. 混凝土含水率对强度影响的试验[J]. 北京交通大学学报，2011，35(1)：9-12.

Liu Baodong，Li Pengfei，Li Lin，et al. Experimental study on influence of water content on concrete strength[J]. Journal of Beijing Jiaotong University，2011，35(1)：9-12(in Chinese).

［3］ 邓友生，王 欢，吕 泳，等. 含水率对湿态混凝土抗压性能影响[J]. 混凝土，2017(7)：66-69.

Deng Yousheng，Wang Huan，Lü Yong，et al. Effect of moisture content on the compressive properties of wet concrete[J]. Concrete，2017(7)：66-69(in Chinese).

［4］ Zhao X，Li H，Wang C. Quasi-static and dynamic compressive behavior of ultra-high toughness cementitious composites in dry and wet conditions[J]. Construction and Building Materials，2019，227：117008.

［5］ 王海龙，李庆斌. 孔隙水对湿态混凝土抗压强度的影响[J]. 工程力学，2006，23(10)：141-144，179.

Wang Hailong，Li Qingbin. Effect of pore water on the compressive strength of wet concrete[J]. Engineering Mechanics，2006，23(10)：141-144，179(in Chinese).

［6］ 王海龙，李庆斌. 不同加载速率下干燥与饱和混凝土抗压性能试验研究分析[J]. 水力发电学报，2007，26(1)：84-89.

Wang Hailong，Li Qingbin. Experiments of the compressive properties of dry and saturated concrete under different loading rates[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2007，26(1)：84-89(in Chinese).

［7］ Zhou Z，Cai X，Zhao Y，et al. Strength characteristics of dry and saturated rock at different strain rates[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2016，26(7)：1919-1925.

［8］ Fu Q，Zhang Z，Zhao X，et al. Water saturation effect on the dynamic mechanical behaviour and scaling law effect on the dynamic strength of coral aggregate concrete[J]. Cement and Concrete Composites，2021，120：104034.

［9］ Ortiz J，Aguado A，Agulló L，et al. Influence of environmental temperature and moisture content of aggregates on the workability of cement mortar[J]. Construction and Building Materials，2009，23(5)：1808-1814.

［10］ Wang H，Jin W，Li Q. Saturation effect on dynamic tensile and compressive strength of concrete[J]. Advances in Structural Engineering，2009，12(2)：279-286.

［11］ Fu Q，Xie Y，Long G，et al. Impact characterization and modelling of cement and asphalt mortar based on SHPB experiments[J]. International Journal of Impact Engineering，2017，106：44-52.

［12］ Vu X H，Malecot Y，Daudeville L，et al. Experimental analysis of concrete behavior under high confinement：Effect of the saturation ratio[J]. International Journal of Solids and Structures，2009，46(5)：1105-1120.

［13］ Zhang G，Li Z，Zhang L，et al. Experimental research on drying control condition with minimal effect on concrete strength[J]. Construction and Building Materials，2017，135：194-202.

［14］ Liu B D，Lü W J，Li L，et al. Effect of moisture content on static compressive elasticity modulus of concrete[J]. Construction and Building Materials，2014，69：133-142.

［15］ Sun X，Wang H，Cheng X，et al. Effect of pore liquid viscosity on the dynamic compressive properties of concrete[J]. Construction and Building Materials，2020，231：117143.

［16］ Li W，Pour-Ghaz M，Castro J，et al. Water absorption and critical degree of saturation relating to freeze-thaw damage in concrete pavement joints[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24(3)：299-307.

［17］ Li M，Hao H，Shi Y，et al. Specimen shape and size effects on the concrete compressive strength under static and dynamic tests[J]. Construction and Building Materials，2018，161：84-93.

［18］ Zhang X，Chiu Y，Hao H，et al. Free water effect on the dynamic compressive properties of mortar[J]. Cement and Concrete Composites，2021，118：103933.

［19］ Cui J，Hao H，Shi Y，et al. Volumetric properties of concrete under true triaxial dynamic compressive loadings[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31(7)：04019126.

［20］ Wang H，Li Q. Prediction of elastic modulus and Poisson’s ratio for unsaturated concrete[J]. International Journal of Solids and Structures，2007，44(5)：1370-1379.

［21］ Richart F E，Brandtzaeg A，Brown R L. A Study of the Failure of Concrete Under Combined Compressive Stresses[R]. Urbana，USA：University of Illinois，1928.

Experimental Study on Influence of Saturation on Tri-Axial Compressive Strength of Concrete

Cui Jian1, 2，Lu Yi1，Zhang Huishen1, 2，Cai Runjie1

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300350，China)

The service environment of concrete structures is complex, and the free water saturation in pores and the stress state of concrete vary greatly due to different service environments. To study the mechanical properties of concrete with different water saturations under tri-axial loads, two grades of concrete specimens with 0, 50% and 100% saturations were fabricated by oven drying, vacuum suction and natural evaporation processes. Two forms of specimens were used, i.e., cylindrical specimens with a slenderness ratio of 2∶1 and cubic specimens with a side length of 50 mm. Uniaxial compressive tests without lateral confinements and tri-axial compressive tests under different confining pressures were carried out on more than 60 concrete specimens. Test results show that the uniaxial compressive strength of concrete gradually decreased with the growing saturation, and the decline degree of ordinary strength concrete (OSC) was higher than that of high strength concrete (HSC). Under confining pressures, the axial compressive strength of concrete specimens with different saturations all increased, the improvement in the triaxial strength of OSC was higher than that of HSC, and the specimens with high saturations were more sensitive to the lateral pressure, which was contributed to the effect of pore water pressure under the condition of multi-axial stress state. According to the obtained test data, a strength model of concrete which is based on the Mohr-Coulomb criterion and takes into account the influence of water saturation is established to guide the design of concrete structures under service environments with different humidities, thereby improving the reliability of structural design.

concrete；pore water；saturation；tri-axial compression；compressive strength

10.11784/tdxbz202209007

TU528

A

0493-2137(2023)08-0870-08

2022-09-06；

2022-10-28.

崔 健（1989—  ），男，博士，副研究员，jian.cui@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

鹿 羿，luyi1680@tju.edu.cn.

国家自然科学基金青年基金资助项目(51908405).

the National Natural Science Foundation for Young Scholars of China(No. 51908405).

(责任编辑：武立有)