碱骨料混凝土单轴抗压试验能量演化研究

柳 皓，王中波

(北京路桥瑞通养护中心有限公司,北京 100176)

0 引言

碱-骨料反应AAR(Alkali Aggregate Reaction)是指硬化混凝土中的碱与骨料中的活性矿物发生化学反应,导致混凝土发生膨胀、开裂甚至破坏的现象[1]。碱骨料化学反应生成的物质在析出后,常常附着于骨料与混凝土胶结剂的接触界面。这些物质吸水后会出现膨胀,使得混凝土内部更加疏松,同时产生内部膨胀应力,使得混凝土的强度大大降低。碱骨料对混凝土强度的影响很早便被人们认识到[2],学者们也针对碱骨料对混凝土强度的影响进行了研究。赵鹏飞等[3]通过实验手段与有限元方法研究了碱骨料对抗剪强度的影响,认为局部黏结强度的降低是导致混凝土整体抗剪强度降低的主要原因;哨冠华等[4]利用数字图像相关方法(DIC)对碱骨料混凝土在碱化学反应过程中微裂纹的发育进行了研究,发现不均匀膨胀总是伴随着裂纹的生长而发生,且与混凝土强度的降低有密切关系,并认为微裂纹定量分析可用于碱骨料混凝土损伤的表述;宋百姓等[5]借助PFC颗粒流软件构建了骨料、胶结剂与界面三者间的细观模型,并进行了劈裂抗拉实验模拟混凝土裂纹开展的过程,验证了其数值模拟方法的可靠性并发现随着混凝土膨胀率的增大,其抗拉强度大大下降。上述研究中都认为,膨胀导致的微裂纹是碱骨料混凝土强度下降的重要原因,并希望通过微裂纹描述损伤以进行数值模拟,从而计算预测碱骨料混凝土强度的下降。

本文首先测量了碱骨料混凝土试件的纵波波速,利用波速与孔隙率间的紧密关系,定义了混凝土损伤度;根据损伤度,采用FDEM方法构建了碱骨料与胶结物及二者界面间损伤模型,通过该模型与室内实验间单轴抗压强度的对比验证了模型的可靠程度,并探讨了单轴抗压状态下碱骨料混凝土胶结物的能量变化。

1 实验方法

实验所用混凝土芯样取自于病害桥梁,该桥呈明显的碱骨料混凝土损伤特征,有表面裂隙及渗水、泛碱。对芯样进行化学成分测试以验证其碱骨料活性,再测量芯样的膨胀率与纵波波速测量,最后进行单轴抗压实验。取芯现场图见图1。

1.1 化学性质检测

对混凝土的化学性质进行检测,测定了碱骨料及碱活性物质的含量。碱骨料及碱活性检测结果见表1。

表1 混凝土碱活性检测

碱骨料及碱活性检测表明,全部试样中骨料均具潜在碱硅活性,碱含量最大9.32 kg/m3;部分可见疑似碱骨料反应产物。

对取样桥梁的箱梁内部析出粉末进行pH值测试(如图2所示)和化学成分分析,pH值呈弱碱性,遇盐酸反应且有大量气泡产生。推断其为碳酸钙,由渗水中析出的氢氧化钙碳化所得。该现象表明底板混凝土内部可溶性碱含量较高。同时根据碱骨料反应凝胶染色鉴定,表明断面存在碱骨料反应凝胶,这也表明混凝土析出了大量碱性化学物质。

1.2 物理性质测量

对史村立交桥所取的芯样进行80 ℃恒温养护试验,每隔24 h取出芯样进行长度和弹性波波速测试,测量结果如图3所示。

随着养护天数的增加,混凝土的体积在逐步增加,纵波波速也呈随时间增加而下降的趋势。混凝土体积的增长与波速下降的幅度并未呈明显的相关关系,在第5天,体积大幅增长,而波速并未呈现出大幅度下降,这说明混凝土内部的膨胀体积并不全是完全的空隙,碱骨料化学反应产物会填充于膨胀微裂隙中,使得波速下降并不迅速。

1.3 单轴抗压强度测试

采用钻芯法检测箱梁混凝土强度。现场进行7处顶板混凝土芯样的钻取,最终成型3个。混凝土芯为50 mm×100 mm标准试件。对取得的混凝土芯试样进行了单轴抗压实验,实验结果见表2。

表2 混凝土芯单轴抗压强度实验结果

实验结果表明,混凝土的强度已不满足设计要求的30 MPa,碱骨料对混凝土的单轴抗压强度造成了一定的损伤。

2 损伤变量计算

碱骨料混凝土强度的降低是膨胀引起的,而纵波波速与体积膨胀和强度有着密切的关系[6]。可借助超声波波速得知混凝土的损伤情况,定义损伤变量[7-8]:

其中,Vp为各向同性微裂隙试件的声波速度,m/s;Vpf为试件母体(无损伤)的声波波速,m/s,在本次加速反应试验中将未进行加速反应状态下的芯样波速视为母体试件波速;D为岩石的损伤变量。

对三个试件的波速取均值,得到损伤变量D与养护时间的关系见表3。

表3 损伤变量与养护时间关系

随着反应时间的增加,试件的损伤变量D逐渐增大。损伤变量的变化大致反映出了试件的致密情况变化,并由此改变了其强度。在养护前6天,损伤变量并未出现明显的变化,且因为养护时间的增加,混凝土的致密性有所提高,在第1天、第3天损伤变量还产生了一定的降低。碱骨料损伤与养护过程中产生的致密作用前5天达到一个相对平衡的状态,表现在损伤变量的改变上是其数值的相对稳定。直到第7天时,损伤变量达到0.14,说明混凝土养护产生的正常内部致密已经达到峰值,养护已不能减小试样内部的微裂隙体积,而碱反应还在继续,骨料与胶结剂之间存在疏松的碱反应产物,降低了波速,并导致损伤变量的忽然增加。

3 数值方法研究

3.1 FDEM方法与裂隙单元本构方程

FDEM方法由MUNJIZA首先提出,该方法不同于传统的有限元方法与离散元方法,是通过在连续网格单元中插入裂隙单元的方法实现有限元方法(FEM)与离散元方法(DEM)的结合(见图4)。正常状态下,FDEM方法与FEM方法的计算过程相同,当节点力学状态达到开裂条件后,插入在普通单元中的无厚度裂隙单元被激活,当裂隙单元受力达到破坏准则时,裂隙单元彻底失效,裂纹产生。与FEM方法相比,该方法可实现裂纹扩展的模拟并描述裂纹面的力学性质,与DEM方法相比,该方法可以直观地利用弹性模量、泊松比等力学性质而无需对模拟的参数进行离散元的标定。

3.2 模型的建立

数值模拟使用Abaqus软件,在二维实体单元中插入Cohesive单元实现FDEM方法。首先通过生成Voronoi多边形模拟骨料[10],骨料中并未插入Cohesive单元,保证模拟过程中骨料的强度能模拟真实实验;之后,在胶结物单元、胶结物与骨料单元间界面分别插入Cohesive单元。因为Cohesive单元采用了双线性本构,故可通过前文定义的损伤变量D折减Cohesive单元的最大节点力来模拟其损伤。一方面,这种方法可以直接降低损伤后的节点刚度,另一方面,这种方法也可以直接减少断裂能。数值模拟模型如图6所示。对模型的下边界完全固定,上边界施加位移荷载。Cohesive单元的双线性本构参数见表4。

表4 Cohesive单元参数

3.3 能量分析

碱骨料造成损伤后,并未改变同一网格下不同强度参数的模型的破坏裂纹形态,破坏时裂隙角度约60°(见图7)。为探究破坏模式,对比无碱骨料试件与含碱骨料试件模型的截面Cohesive单元总能量(见图8)。

在Cohesive单元破坏能量与单元数相同的情况下,通过前文定义的损伤方法,无碱骨料与含碱骨料的模型仍存在能量差异,这也侧面印证了本文所述损伤定义方法的可行性。在加载前期,二者的能量演化方式相同,当主应变达到0.000 7左右时,碱骨料的损伤作用开始明显,试件的储能能力开始快速下降。此时试件中的胶结物储能能力还未达到极限,故而无碱骨料试件的总能量依旧在上升;与之不同的时候,碱骨料作用试件的储能能力已达到极限,这是因为其中的胶结物与骨料间界面强度已达到极限,导致胶结物虽能继续储能,试件整体却因界面处发生破坏而整体失去强度。

4 结论

本文通过室内试验与FDEM数值模拟方法对碱骨料混凝土损伤进行了研究,结论如下:

1)碱骨料混凝土中碱反应产物导致了混凝土的体积膨胀与波速降低。膨胀导致了混凝土强度下降,设计强度为C30的混凝土强度已下降至26 MPa左右。2)通过FDEM方法建立了碱骨料混凝土破坏模型,利用波速的下降幅度定义了损伤变量,该损伤变量在FDEM模型中可以较好地描述混凝土单轴抗压强度的下降。3)碱骨料混凝土最终破坏时破坏形态与正常混凝土类似,但其储能能力下降,这是碱骨料降低胶结物与骨料间界面强度造成的。碱骨料反应显著降低了混凝土的单轴抗压强度。