大尺寸饱和混凝土单轴压缩动态性能试验研究

王孝政，彭 刚，马小亮，邓 媛

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

大尺寸饱和混凝土单轴压缩动态性能试验研究

王孝政，彭 刚，马小亮，邓 媛

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

为了解饱和混凝土材料的动态特性，开展了大尺寸饱和混凝土在不同应变速率下的单轴压缩试验。试验在大型多功能液压静动力三轴仪上进行，采用φ300 mm×600 mm圆柱体混凝土试件, 得到了大尺寸饱和混凝土的动态力学性能参数，并根据破坏形态分析了其破坏机理。试验结果表明:峰值应力、吸能能力随着应变速率增大而增加，峰值应变、弹性模量随着应变速率的增大整体上增加。根据应力-应变关系的特点，建立了峰值应力前服从Weibull统计分布，峰值应力后服从Lognormal统计分布的损伤本构模型。混凝土破坏形态表现为多个共轭斜面的剪切破坏，根据试件破坏后裂缝开展情况，解释了混凝土破坏剥落原因，并从材料组成、吸能能力等方面分析了其破坏机理。

大尺寸；饱和混凝土；动态性能；本构模型；破坏机理

1 研究背景

混凝土在当今土木建筑领域应用非常广泛，其中大坝、桥梁墩基、近海岸建筑物等混凝土结构常年处于水环境中，水的存在对混凝土力学性能影响比较大。地震作用对饱和混凝土结构安全性能影响也比较大，这些结构又往往在国计民生中发挥重要的作用，使得饱和混凝土在地震作用(应变速率为10-4～10-2/s)下动态力学性能的研究显得非常重要。

1994年Bartlett等[1]分析了含水率对混凝土抗压强度的影响。Ross等[2]研究应变速率和含水率对混凝土强度的影响，认为应变速率对混凝土强度的影响存在过渡区，含水率对混凝土强度关系也受此过渡区影响。王海龙等[3]从细观角度分析了饱和混凝土孔隙水压力对裂纹发展的影响。周继凯等[4]等研究了混凝土受冲击荷载时，含水率对混凝土力学性能的影响，结果表明含水率对混凝土强度增加影响不明显，对其临界应变无影响。彭刚等[5]对圆柱体混凝土试件进行动态三轴试验，分析了干燥、饱和、饱和有水压等不同状态下混凝土力学性能。王海龙等[6]试验研究发现饱和混凝土与干燥混凝土相比对加载速率更敏感，并从混凝土孔隙及自由水存在方面对其强度变化机理进行了分析。闫东明[7]研究发现湿度变化对混凝土强度有显著影响，应变速率影响大于含水率影响。还有一些学者从孔隙自由水的影响、渗透作用等方面研究了混凝土损伤变化[8-9]。

综上所述，目前研究多是集中在含水率对混凝土静态性能的影响，而动态荷载下力学特性的研究还非常有限，而且得到的应变速率对饱和混凝土强度等力学性能影响的结论也不同。为了充分了解湿态混凝土材料动态特性，进行了大尺寸饱和混凝土的动态加载试验研究。

2 试验过程

2.1 试验设备

试验主要设备有围压桶以及10 MN微机控制电液伺服多功能动静力三轴仪。多功能动静力三轴仪主要由计算机控制系统、伺服系统控制箱、加载框架系统、液压油泵系统等几部分组成，如图1所示,该设备竖向最大动、静力加载值分别为5 000 kN和10 000 kN，满足本文试验要求。

图1 三轴设备系统

2.2 试件制作及试验步骤

混凝土试件采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；拌合水为饮用自来水；粗骨料采用5～40 mm连续级配的碎石；细骨料为连续级配河砂，其筛分细度模数为1.8。制作直径为300 mm、高为600 mm的圆柱体混凝土试件，采用的配合比为水∶水泥∶砂∶石子=0.50∶1.00∶2.28∶3.72(按质量计)，每1 m3用量如表1，试件浇注完成后在养护室进行标准条件养护。

表1 混凝土材料用量Table 1 Amounts of concrete materials per cubic meter

将养护完成的试件进行表面磨平处理，以避免试验中局部受压情况。然后将试件置于围压桶中，在围压桶中注满水将试件浸泡15 h左右，用位移控制显示位移30 min内不再随时间的增加而改变，即认为混凝土已达水饱和状态。然后取出试样放置在加载台指定位置，对试样进行不同应变速率下单轴压缩试验。

3 试验结果及分析

3.1 峰值应力分析

试验得到不同应变速率下饱和混凝土峰值应力，如表2所示。

表2 不同应变速率下峰值应力Table 2 Peak stresses under different strain rates

为了进一步说明混凝土峰值应力与应变速率之间的关系，对相对峰值应力与相对峰值应变对数关系进行了拟合，如图2所示。图2拟合公式为

DIF=σc/σ0=0.958 1+0.166 1lg(εd/εs) 。

(1)

式中：DIF表示混凝土动态抗压强度增长因子；σc为当前应变速率下混凝土峰值应力；σ0为拟静态应变速率下混凝土峰值应力；εd为当前应变速率下混凝土峰值应变；εs为拟静态应变速率下混凝土峰值应变。

图2 相对峰值应力与 相对峰值应变对数关系Fig.2 Relationship between relative peak stress and logarithm of relative peak strain

由表2及图2可以看出，饱和混凝土峰值应力随着应变速率的增大而增加，与众多学者研究结论一致[5-6]。但混凝土峰值应力增加并不是简单的随着应变速率线性增大而增加，一方面混凝土材料组成复杂，试验结果存在较大的离散性;另一方面混凝土结构必然存在初始微裂纹，特别是在骨料与水泥浆界面的薄弱部位，在荷载作用下微裂纹处应力集中，裂纹逐渐发展最终形成宏观裂缝，材料破坏。

3.2 峰值应变分析

混凝土达到峰值应力时对应的纵向应变即为峰值应变，它是表征混凝土变形性能的重要指标。试验得到不同应变速率下饱和混凝土峰值应变如表3所示。

表3 不同应变速率下峰值应变Table 3 Peak strains under different strain rates

目前对于混凝土峰值应变随着速率变化有2种观点[5，7]：①应变速率越大，峰值应变越大；②应变速率变化而峰值应变基本不变。本文试验结果如表3所示，其他应变速率下混凝土峰值应变都比准静态时大，但存在一定的离散性。从增长幅度分析，峰值应变随应变速率有明显的变化，即可以认为混凝土峰值应变与应变速率存在动态正相关性。

3.3 弹性模量分析

弹性模量是表征混凝土材料特性的物理量，是分析其本构关系重要参数。本文取峰值应力的35%～45%处应力应变曲线割线模量作为混凝土弹性代表值，试验得到饱和混凝土不同应变速率下弹性模量如表4所示。根据表4，除去应变速率10-4/s时，混凝土弹性模量随着应变速率增大而增加，而且在高应变速率(10-3/s和10-2/s)下增长幅度很明显。

表4 不同应变速率下弹性模量Table 4 Elastic moduli under different strain rates

3.4 吸能能力分析

混凝土吸能能力是反映混凝土从产生裂缝到破坏过程吸收能量大小的物理量，定义为从加载到达到峰值应力时应力-应变曲线与坐标轴围成的面积，其计算公式为

(2)

式中：S为吸能能力;U为单位体积的能量密度;V为体积;σ为应力;ε为应变;εpk为峰值应变。

采用公式(2)对本文试验应力-应变曲线计算得混凝土吸能能力如表5所示。从表5弹性模量增幅可以看出，混凝土的吸能能力随应变速率的增大而增加，混凝土吸能能力与应变速率表现出较强的相关性。

表5 不同应变速率下吸能能力Table 5 Energy absorption capacities under different strain rates

4 混凝土损伤本构及破坏机理

4.1 混凝土损伤本构模型构建

应力-应变全曲线研究能够综合地反映混凝土在加载过程中的力学性能，是混凝土材料非线性分析的重要依据。很多学者在应力-应变全曲线描述中采用了以链条模型为基础的脆性破坏统计Weibull分布理论[10-14]。本文试验研究发现峰值应力前Weibull分布理论可以很好地描述应力-应变曲线，峰值应力后Lognormal对数正态分布理论用于描述峰值后的应力-应变关系比Weibull统计分布理论更合适。从而，本文采用的混凝土损伤本构方程为

(3)

式中：εpk，σpk，E分别为峰值应变、峰值应力和弹性模量；m和t分别为上升段和下降段的形状控制参数。根据公式(3)利用最小二乘法对饱和混凝土应力-应变全曲线进行拟合，并与试验应力-应变全曲线进行对比如图3所示。

图3 应力-应变曲线与拟合图Fig.3 Stress-strain curves and fitting curves

从图3可以看出Weibull-Lognormal统计分布模型能很好地描述混凝土加载过程应力-应变变化关系。图形形状与过镇海[15]经典单轴压缩试验曲线很相似，为混凝土应力-应变曲线不同状态、不同加载条件下应力-应变全曲线简化分析提供了重要补充。

4.2 混凝土破坏机理分析

试验得到大尺寸饱和混凝土的破坏形态如图4所示。

图4 不同应变速率下混凝土破坏形态Fig.4 Failure modes of concrete under different strain rates

图4中的(a)，(b)，(c)，(d)分别表示4种不同应变速率下的破坏形态，具体破坏原因分析如下所述。

从本文试验结果看，试件破坏时，试件两端面保存完整，从端部向中间部分形成斜裂缝，外部混凝土开裂剥落，最终混凝土试件破坏形态为多个共轭斜面剪切破坏。产生多个共轭斜面剪切破坏的原因为：混凝土试件在试验机上受压时，纵向发生压缩变形，横向产生拉应力而使试件膨胀变形，由于混凝土与压力机垫板弹性模量及横向变形存在明显的差异，即压力机垫板的横向变形会明显小于混凝土的横向变形。又因为在试验中，未对试件承压接触面上采取减摩措施，混凝土的横向变形受到摩擦力的约束，形成“箍套”作用，从而使试件与垫板的接触面局部混凝土处于三向压应力状态，试件破坏时形成2个对顶的锥形破坏面。

从另一方面分析，混凝土是由石子、沙、水泥和水按一定比例混合形成的非均匀复合材料，其破坏划分为3个层次。第1个层次，在砂浆和骨料结合处容易产生结合缝并十分薄弱，混凝土往往最先从此最薄弱部位开始破坏；第2个层次，水泥和砂二者结合处也产生结合缝，但尺寸要比砂浆和骨料处的结合缝小得多，破坏需要的力也更大；第3个层次，破坏往往发生在混凝土粗骨料有缺陷的部分。从吸能能力角度分析，高应变速率(10-3/s和10-2/s)下，混凝土吸能能力增幅分别为34.03%，44.62%，结合图4分析混凝土粗骨料破坏明显，吸收能量更多。从损伤力学的角度来看，上述混凝土不同形式的缺陷可以被称为初始损伤。混凝土在荷载作用下，其内部原始损伤得到发展并形成微裂缝，造成新的损伤，当损伤持续累积，微裂缝会贯通形成宏观裂缝，当宏观裂缝得到扩展，最终将导致混凝土体的破坏。

5 结 论

(1) 混凝土峰值应力、吸能能力随着应变速率的增大而增加，应变速率越大增加幅度越明显；峰值应变以及弹性模量随着应变速率的变化表现出一定的离散性，总体而言高应变速率下的值(10-3/s和10-2/s)要大于低应变速率(10-5/s和10-4/s)的值。

(2) 不同应变速率下应力-应变曲线具有很大的相似性，基于统计分布理论，构建了不同应变速率下饱和混凝土单轴动态压缩本构模型。该模型参数少，与应力应变曲线对比而且能较好地反映加载过程应力-应变变化关系。

(3) 本文试验混凝土的破坏形态表现为多个共轭斜面的剪切破坏。加载时由于端部摩擦力的约束，形成“箍套”作用，试件破坏时呈现出2个对顶的锥形破坏面。破坏现象上应变速率越大，粗骨料破坏比例越大，高能量破坏越明显。

[1] BARTLETT F M, MACGREGOR J G. Effect of Moisture Condition on Concrete Core Strengths [J]. ACI Materials Journal, 1994, 91(3):227-236.

[2] ROSS C A, JEROME D M, TEDESCO J W,etal. Moisture and Strain Rate Effects on Concrete Strength[J]. ACI Materials Journal, 1996, 93(3): 293-300.

[3] 王海龙，李庆斌. 饱和混凝土静动力抗压强度变化的细观力学机理[J]. 水利学报，2006，37(8): 958-962.

[4] ZHOU Ji-kai, DING Ning. Moisture Effect on Compressive Behavior of Concrete under Dynamic Loading[J]. Journal of Central South University, 2014，21(12):4714-4722.

[5] 彭 刚，王乾峰，梁春华. 有压孔隙水环境中的混凝土动态抗压性能研究[J]. 土木工程学报，2015，48(1):11-18.

[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.

[7] 闫东明. 混凝土动态力学性能试验与理论研究[D]. 大连：大连理工大学, 2006.

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[9] 翁其能，吴秉其，秦 伟. 地下结构混凝土渗透损伤研究综述[J]. 材料导报，2014,28(16):130-134.

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[13]王春来，徐必根，李庶林，等．单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构模型研究[J]．岩土力学，2006，27(1):151-154.

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[15]过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京：清华大学出版社，2013.

(编辑：王 慰)

Dynamic Performance of Large Size Saturated ConcreteUnder Uniaxial Compression Test

WANG Xiao-zheng，PENG Gang，MA Xiao-liang，DENG Yuan

(College of Civil Engineering & Architecture, Three Gorges University, Yichang 443002, China)

In order to study the dynamic properties of large size saturated concrete, we carried out uniaxial compression tests under different strain rates. By using large-scale multi-function static and dynamic triaxial test machine, we prepared cylindrical concrete specimens with diameter 300 mm and length 600 mm and obtained dynamic mechanical properties of the concretes. Then, we analyzed the failure mechanism according to failure shape. Test results show that peak stress and energy absorption capacity increased with the increase of the loading rate, so did peak strain and elastic modulus. On the basis of stress-strain relation, we established a damage constitutive model of concrete. In the model, stress-strain relation conformed with Weibull statistical distribution before peak stress; while after peak stress, the relation conformed with Lognormal statistical distribution. Shear failure at a few conjugated inclined planes were observed . According to crack expansion after specimen failure, we explained the causes of spalling failure of concrete and analyzed the failure mechanism in aspects of material composition and energy absorption ability.

large size; saturated concrete; dynamic behavior; constitutive model; failure mechanism

2015-11-30；

2016-03-10

国家自然科学基金项目(51279092)；三峡大学科研创新项目(CX2015025)

王孝政(1991-)，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震研究，(电话)15586372706(电子信箱)xzdemx@qq.com。

彭 刚(1963-)，湖南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震研究，(电话)13972604433(电子信箱)gpeng158@126.com。

10.11988/ckyyb.20151017

2017,34(3):134-138

TV431

A

1001-5485(2017)03-0134-05