地震对新浇混凝土细观结构及强度的影响

韩海玲，李固华，魏建东，何广杰，王 科

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都610031;2.成都市工程质量监督站，四川成都610000)

混凝土的使用已有约200 a的历史，由于混凝土的强度高、耐久性好、施工性能好、工艺简单、原材料来源广、成本较低、适用于各种自然环境，因此发展很快，已成为世界上的主要建筑材料。1976年7.28唐山大地震，及2008年的5.12汶川大地震，不仅对人民的生命财产造成了巨大的损失，而且对灾区土木工程结构物造成了严重的损伤甚至破坏［1－3］。研究受震后混凝土强度性能变化情况具有重大的现实意义。

对于达到正常养护龄期的即有结构物混凝土，可以根据受震后的变形、裂缝、强度等常用宏观指标进行检测鉴定。笔者主要研究新浇注、养护龄期较短的混凝土在遭遇地震后其强度变化情况。通过模拟地震震动试验，观察震后新浇注混凝土内部缺陷，采用非破损检测方法测试其受压破坏情况，与未震动混凝土进行对比，研究震后混凝土的受压破坏性能与未震动的区别，以作为进一步研究分析影响混凝土强度诸因素以及制订震后混凝土处理方案的依据。

1 试验

原材料:水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥;拌和水采用自来水;细骨料为河砂，满足II区级配的要求，细度模数为2.3;粗骨料采用粒径为5～20 mm的卵石;外加剂选用羧酸类减水剂，减水率为21%。经测试得到的混凝土初凝时间为10h 10 min，终凝时间为12h 30 min。将制作好的混凝土试块放在所属中国核动力研究设计院的6m×6m大型高性能地震模拟试验台进行震动试验。地震烈度与对应地震波加速度值为6度0.05g，7度0.10g，8度 0.25g，9度0.50g共4个地震烈度;震动时龄期分别为 6，12，24，48，72h，7 d;混凝土设计强度等级为C30，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。养护方法尽量模拟地震震动后的实际情况，进行了间断性养护，即震动后第8 d才开始进行正常养护。此外，为了与未震动混凝土对比，震动与未震动混凝土出自同一盘混凝土，装试模数量相同，且在同一震动烈度下，不同龄期的混凝土同时震动。

2 地震对新浇注混凝土细观结构和强度的影响

2.1 地震对混凝土早期强度的影响

分别抽查测试了7度震动后混凝土12，24，72h龄期时的强度，混凝土试块在震动台上震动后，经轻轻地脱模、运送，之后尽快地测试其强度(一般在震后2～3h)，将震动与未震动的混凝土试块同时进行测试。其抗压强度测试结果见表1。

表1 混凝土早期抗压强度Tab.1 Compressive strength of concrete at early stage

从表1可以看出，混凝土在浇注早期经地震震动后，其强度有所损失。C30混凝土在龄期为12h时经7度模拟地震震动过后，其强度损失可达17.1%，但龄期为72h的混凝土由于已经有了一定的强度，地震对其影响只有4%。

将受到6～9度4个不同地震烈度震动的，且浇注龄期不同的C30混凝土试件，养护至28 d时，混凝土的强度基本能够恢复到未震混凝土的水平［4］。笔者着重分析地震对混凝土细观结构的影响。

2.2 混凝土试件表观及内部缺陷的观测结果

为了研究受震新浇注混凝土的细观结构，笔者曾采用扫描电子显微镜SEM、高倍显微镜、体视显微镜等多种精密仪器进行观测。扫描电子显微镜分辨率极高，放大倍数达到万倍以上，但研究的区域很小，另外，细观研究的样品在制备过程中易产生微裂缝，对细观观测结果有影响;而高倍显微镜立体效果差，分辨率低。经对比，在观测混凝土内部损伤及界面形貌时，体视显微镜放大倍数适宜，清晰度高，立体感强，效果最佳。

体视显微镜又可称为实体显微镜或称操作和解剖显微镜。其光学结构原理是由一个共用的初级物镜，对物体成像后的2个光束被2组中间物镜亦称变焦镜分开，并组成一定的角度称为体视角，一般为12°～15°，再经各自的目镜成像，它的倍率变化是由改变中间镜组之间的距离而获得，利用双通道光路，双目镜筒中的左右2光束不是平行，而是具有一定的夹角，为左右两眼提供一个具有立体感的图像。其特点为视场直径大、焦深大，这样便于观察被检测物体的全部层面，此外还可以与图像分析软件组成数码成像系统接入计算机进行分析处理，从而能够得到清晰的观测结果。

2.2.1 混凝土试件表观观察结果

对于新浇注混凝土试件，通过肉眼仔细的观察，并没有发现混凝土表面有异常现象，经震动后混凝土表面未发现裂缝或缺陷。选取部分9度震动的C30新浇注混凝土试件，用钢丝刷、砂纸等打磨试件表面至露出骨料，用体视显微镜观察骨料界面，没有发现明显的裂纹。认为混凝土表面及表层的骨料周边没有明显的缺陷或明显的裂纹。图1、图2为体视显微镜观测装置和观测试件。

图1 体视显微镜Fig.1 Stereomicroscope

图2 钢丝刷刷过后的早龄期震观测试件Fig.2 Early-age shaken concrete brushed by the steel wire brush

2.2.2 混凝土试件内部骨料界面观测结果

当混凝土试件的龄期达到28 d，用切割机切割这些混凝土试件，使得截面中带有骨料。由于混凝土内部缺陷主要发生在骨料的界面上，用体视显微镜仔细观察混凝土断面，尤其是骨料的界面。由于地震对12，24h龄期影响较大(表1)，因此选用的试件重点在这2种龄期。

对6～9度震后混凝土试件的观测显示，绝大多数混凝土试件骨料界面上没有明显的裂纹或缺陷，骨料与砂浆间的界面连接密实、连续。28 d龄期后混凝土内部的缺陷很少，这种情况与未震动同龄期的混凝土相当。本文仅列出部分震动后的C30混凝土断面中骨料界面形貌，如图3～图7。

图3 9度震动无裂缝混凝土(48h龄期)Fig.3 Non-crack concrete shaken by 9 magnitude quake(48 hours age)

图4 9度震动有裂缝混凝土(24h龄期)Fig.4 Concrete with cracks shaken by 9 magnitude quake(24 hours age)

图5 9度震动混凝土断面(12h龄期)Fig.5 Concrete section shaken by 9 magnitude quake(12 hours age)

图6 8度震动混凝土断面(24h龄期)Fig.6 Concrete section shaken by 8 magnitude quake(24 hours age)

图7 未震C30动混凝土断面Fig.7 Unshaken concrete section of C30 strength grade

2.3 受压破坏过程检测结果

由观测结果可知，模拟震动后的试块表观上并没有发现缺陷。为了进一步研究新浇注受震混凝土的细观结构，对受震后的混凝土进行受压破坏过程检测试验。即在进行抗压强度试验和试验力－变形关系曲线试验时，采取用超声仪器进行同步测试的方式。在施加压力值达到50 kN及其倍数值的数据时，分别进行超声波形采集，直到临近破坏时超声波无法采集到数据为止，得到了一系列反映声波变化情况的波形图。其中在9度震动下，震动与未震动混凝土的线性、非线性波形图如图8和图9。

图8 9度未震动C30混凝土超声波形Fig.8 Ultrasonic waveform graphs of C30 unshaken concrete

图9 9度震动后C30混凝土超声波形Fig.9 Ultrasonic waveform graphs of C30 concrete shaken by 9 magnitude quake

在超声测试过程中，其波形遵循以下变化规律:线性阶段时基本光滑，声时波动很小，波幅上下跳动;之后进入非线性阶段，尤其是在70% ～90%的临界破坏值区域时，由于砂浆裂缝的出现，声时明显变长，波幅迅速衰减。但震动与未震动混凝土超声波声速基本无差异。与之相应的棱柱体受压破坏［5］同样未见有明显的不同。图10和图11为采用瑞士刚性压力试验机测试的一组典型的试验力－变形关系全曲线试验结果。

图10 9度未震动混凝土28 d试验力－变形曲线Fig.10 Comparison between 28-day load-deformation curve of concrete without vibration damage and that of the concrete shaken by 9 magnitude quake

图11 9度震动后28 d混凝土试验力－变形曲线(受震龄期12h)Fig.11 28-day load －deformation curve of the concrete shaken by 9 magnitude quake(12 hours age when shaken)

2.4 混凝土受压破坏性能细观分析

混凝土从宏观角度而言，可以视为由骨料和水泥浆体组成的2相材料，然而从细观角度是由3相材料组成，充分体现了混凝土结构的复杂性。有关研究表明，在贴近大颗粒骨料表面的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或砂浆的结构非常不同，即存在第3相，称之为过渡区相。而混凝土的受压破坏性能与这个过渡区是息息相关的。过渡区结构中存在的孔体积和微裂缝对混凝土的强度及弹性模量有很大影响，通常是混凝土中最薄弱的环节。正是因为这个过渡区的存在使得混凝土在较低的应力下破坏。当混凝土受到较大震动影响时，过渡区中的原始裂缝处很容易应力集中，导致裂缝迅速扩展，进而在受压破坏时，基体中形成的裂缝与过渡区中的裂缝在并不高的能量下得到贯通，从而造成最终材料的破坏［6］。

文献［4］、［7］中指出，模拟地震对混凝土早期强度影响比较明显，有一定程度的强度损失，但经过28 d同条件养护后，其强度能够较好的恢复，基本上和未震动的强度相同，震动龄期为12h的混凝土强度甚至有所提高。本文中的试验结果同样表明，震后持续养护了28 d的混凝土受压破坏性能与未震动混凝土无显著区别。其原因可能在于混凝土刚浇注后，在粗骨料的周边的过渡区内出现泌水，形成了日后可能发展成为原始缺陷的“水隙”，而降低了混凝土的早期强度。如果在混凝土终凝前受到再次震动，“水隙”可以由周围未硬化的水泥水化物或没有水化的水泥浆体填充，改善了过渡区情况，后期经养护强度逐渐发展起来。

地震对新浇注混凝土的震动影响主要在于混凝土内部组成材料的密度不同［7－8］，从而引起了在地震加速度作用时产生的惯性力有所不同。最易受影响产生微裂缝的部位还是混凝土中骨料与水泥或粗骨料与砂浆间的界面处。震动使得原本就有着初始微裂缝的混凝土过渡区内裂缝数量及大小有所增加和扩大，破坏了2相之间起着搭接作用的薄弱区域，从而不能有效传递应力，产生了应力集中。

若震动时混凝土正处于初凝前，则对混凝土性能基本没有负面的影响。终凝前，虽然震动可能破坏部分初始结构，但因终凝前混凝土尚未完全失去塑性，使初始结构有愈合能力，故能提高混凝土强度［7－8］。

6～9度震动后的混凝土，在后期养护过程中，随着混凝土水泥浆体中的未水化熟料颗粒不断地进行水化反应，凝结硬化，部分孔隙被水化物所填充，当达到28 d混凝土强度得到一定程度的恢复。图4为30余个试件中唯一有明显裂缝的情况。对其他震动烈度的24h龄期的混凝土仔细观察也没有发现这种情况。但这一裂纹也不排除是由于后来对混凝土切割所造成的。

6～9度模拟地震对新浇注混凝土还没有产生足够大损伤，混凝土内部只是产生微裂缝，在混凝土达到28 d龄期时能够表现出基本与未受震混凝土相当的受压破坏过程的性能。解释和验证了文献［4］、［7］、［8］中 9 度内受震混凝土试件在 28 d 性能试验的结论。

3 结论

1)震后各龄期混凝土养护至28d后的观测结果表明，混凝土内部的缺陷很少，与同一震动龄期未震动的混凝土相当。

2)超声波测试的震动与未震动混凝土波形变化规律是一致的，即线性阶段时基本光滑，波幅上下跳动;非线性阶段，尤其是在70% ～90%的临界破坏值区域时，波幅迅速衰减。

3)地震对新浇注混凝土界面的影响只是在粗骨料与水泥浆体的界面处容易产生微裂缝，经后期养护、水化过程的进行，使得混凝土在28 d时的界面状况能够得到有效地恢复。

［1］李乔，赵世春，李力，等.汶川大地震工程震灾分析［M］.成都:西南交通大学出版社，2008.

［2］陈肇元，钱稼茹.汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告［R］.北京:中国建筑工业出版社，2008:601－604.

［3］Liang Wenhao，Li Qiao，Gao Bo.The First Anniversary of Wenchuan Earthquake Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，2009.

［4］Li Guhua，Wei Jiandong，He Guangjie，et al.Investigation on the compressive strength of fresh concrete after simulated earthquake［C］//The 4th International Symposium on Lifetime Engineering of Civil Infrastructure.Beijing:Science Press，2009:23 －25.

［5］GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［6］［美］P.KUMAR MEHTA.混凝土的结构、性能与材料［M］.祝永年，沈威，陈志源，译.上海:同济大学出版社，1991:12－14，25－27.

［7］魏建东，李固华，何广杰，等.地震对新浇混凝土强度、钢筋握裹力的影响［R］.成都:成都市质监站，西南交通大学，2009.

［8］高健章，蔡益超，張阿本，等.地震對已澆置混凝土影響之探討［R］.台北:交通部台湾区国道新建工程局，2001.