混凝土冻融循环下动态破损机理的试验研究

田 威， 韩 女， 张鹏坤

(长安大学 建筑工程学院, 西安 710061)

混凝土冻融循环下动态破损机理的试验研究

田 威， 韩 女， 张鹏坤

(长安大学 建筑工程学院, 西安 710061)

对冻融环境下混凝土试样进行了不同加载速率下的单轴压缩试验，得到了混凝土材料经历不同冻融循环次数下的质量损失及破损形态，分析了冻融循环下混凝土试样的全应力—应变曲线，并给出了其单轴极限抗压强度、峰值应变随加载速率的变化特征。通过运用CT细观试验的方法初步对经历不同加载速率下的试样进行了细观结构分析。试验结果表明：在相同加载率下，混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低；在相同冻融循环次数下，混凝土单轴动态极限抗压强度随加载速率的增大而提高;冻融循环作用下，在低加载速率下，混凝土试样破坏时，裂纹数目较少，主要沿砂浆和交界面处扩展，破坏时呈现出集中式的分布；而在高加载速率下，裂纹逐渐变得分散，破坏时呈现弥散状分布式的裂纹，随着加载率的提高，裂纹穿过骨料的现象增多，骨料破坏数目呈指数形式增长。以此，通过试验系统地研究了冻融循环下混凝土动态破损机理。

混凝土； 冻融循环； 加载速率； 细观结构

在土木工程中，各类混凝土结构经常受到动荷载作用。由于混凝土是由水泥砂浆、粗细骨料和孔隙等构成的具有复杂结构的非均质复合材料体系，使得混凝土材料在动荷载作用下，其物理力学性能和变形能发生显著改变,呈现出明显的加载率效应[1-2]。而在我国西部寒区, 混凝土材料还受到温度,荷载等多种因素的影响, 其中冻融循环作用是导致混凝土各项力学性能退化及承载力降低的主要原因。因此研究低温冻融循环下混凝土的动态力学性能具有重要的理论意义和工程实践价值。

目前国内外许多学者对冻融循环后混凝土的物理力学性质以及破坏机理等方面开展了大量研究。商怀帅等[3]基于疲劳累积损伤理论，对混凝土的冻融损伤特性进行了可靠性分析。李金玉等[4]对冻融环境下混凝土破损机理进行了深入的研究。牛荻涛等[5]通过对混凝土冻融损伤特性的分析建立了冻融环境下混凝土损伤量与冻融循环次数的概率关系曲线, 并得到不同保证率下冻融循环累积损伤模型。为冻融环境下混凝土寿命预测提供了参考依据。施士升[6]对冻融循环下混凝土力学性能的影响进行了研究, 并用细观方法研究了混凝土承受不同冻融循环后的结构，以此研究了高强混凝土和普通混凝土力学性能的损伤和细观性下的一种状态失稳现象。宋玉普等[7]对全级配及湿筛混凝土进行快速冻融循环试验，结果表明全级配混凝土的抗冻性明显低于湿筛混凝土。随着冻融循环次数的增加，全级配混凝土与湿筛混凝土的抗压强度与抗拉强度均明显降低，但全级配混凝土的降低值较湿筛混凝土的降低值大，特别是抗拉强度，降低幅度更大。王立成[8]以混凝土冻融损伤后的单轴抗压强度衰减规律为参数，对不同种类混凝上建立了考虑冻融循环次数影响的双轴压统一强度准则，并与前人试验研究结果做了对比分析。闫东明等[9]研究了低温条件下的混凝土在不同应变速率(10-5～10-2s-1) 下的动态压缩试验,系统研究了低温度条件对混凝土材料动态抗压强度特性的影响,探索了混凝土材料产生应变速率敏感性的内在机理，发现动态抗压强度随应变速率增加而增加。施冠银等[10]对陶粒混凝土的动态力学性能进行了研究，得出随着冻融循环周次增加陶粒混凝土的动态力学性能进而弱化, 动态压缩强度随着应变率的增加而增大, 并给出了冻融循环周次对陶粒混凝土动态压缩强度的变化规律。陈有亮等[11]采用液压伺服试验系统对不同裂纹条数、经历不同冻融循环次数后混凝土的力学性能进行试验研究，分析不同裂纹条数、不同冻融循环次数对混凝土的抗压强度、弹性模量和应力—应变关系等力学性能的影响。王海涛等[12]对全级配混凝土进行不同冻融循环次数的冻融循环试验及不同应变速率的单轴动态抗压试验得到了全级配混凝土质量损失率与冻融循环次数呈二次曲线关系；在相同应变速率下，全级配混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低；在相同冻融循环次数下，全级配混凝土单轴动态极限抗压强度随应变速率的增大而提高。

目前对冻融循环下混凝土的研究大多集中在冻融循环后的力学特性和损伤可靠度等方面，其中对混凝土力学特性的研究主要集中在静力学层面上，而对冻融循环下混凝土的动态力学特性研究仍较少。基于此,本文对冻融循环作用下混凝土试样进行了4种不同加载速率下的单轴压缩试验，通过对试验中测得的不同加载率下应力—应变全过程曲线的分析，研究了冻融循环下混凝土主要力学性能随加载速率的变化规律。

1 试验方法与步骤

1.1 试样制备

试验所用水泥为大同冀东42.5级普通硅酸盐水泥，砂子采用山西阳高白登砂,骨料采用山西阳高大王石料场石子，粒径为5～40 mm；试验所用水为山西省饮用自来水；本次试验的对象是规格为100 mm×100 mm×100 mm的二级配混凝土立方体试样。表1为混凝土的配合比。

1.2 试验设备和试验方法

冻融设备采用山西省水利工程局实验中心的北京大冷机电设备有限公司生产的KDR-111型混凝土快速冻融试验机，如图1所示。冻融试验方法按照普通混凝土长期性能和耐久性试验方法[13]中抗冻性能试验的“快冻法”进行，提前4天将试样浸泡在温度为(20±2)℃的水中，试样中心温度应分别控制在(-18±2) ℃和(5±2) ℃。每次冻融循环应在2～4 h内完成，冻融循环次数分别为0, 25, 50, 75, 100次。对达到特定冻融循环次数后的混凝土试样进行不同加载速率下的单轴压缩试验。

混凝土力学性能试验采用SHT4605型微机控制电液液压伺服试验机试验系统，如图2所示。单轴抗压试验采用轴向位移控制，选定0.005 mm/s、0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s四个加载速率。试样加载面与加载板之间采取减摩措施，将两层聚四氟聚乙烯塑料板减磨垫片粘贴到试样表面，塑料板中间涂抹一层碳粉，以减小端面摩擦效应。试验前预压到2 kN，之后按照预定的加载速率对试样进行逐组加载，直至破坏。试验中确保每组至少有3个试样，以保证试验数据的准确性。

图1 KDR⁃1快速冻融试验机Fig．1 Rapidfreeze⁃thawtester图2 电液液压伺服试验机Fig．2 Theelectric⁃fluidservocompressionmachine

2 试验表观特征

2.1 冻融循环试样表观破坏特征

经历25次冻融循环时混凝土试样表面出现微小孔洞并伴有少量的水泥浆颗粒脱落，导致试样表面发毛(粗糙)；经历50次冻融循环时试样表面变得粗糙，表面的水泥浆剥落严重，掉渣较多，部分细骨料外露，同时试样表面砂浆出现肉眼可见的细微裂纹；经历75次冻融循环时混凝土试样表面骨料与水泥砂浆逐渐剥离、骨料外露并伴有棱角块落现象，并且试样棱角处表面砂浆伴有酥化的迹象，试样变得疏松；经历100次冻融循环时试样表面粗骨料与砂浆的剥离、露出大量粗骨料并大范围的出现块落和角落现象，裂纹呈现多方向的快速扩展如图3所示。

图3 不同冻融循环次数下混凝土表观特征

Fig.3 Failure appearance characteristics of sample subjected to different F-T cycles

2.2 单轴动态压缩试验下试样的破坏特征

试样加载时因采用了减磨措施，削减了加载板对混凝土试样加载端面的箍束作用，单轴受压破坏形态均为明显的柱状破坏。当加载速率为0.005 mm/s时，试样端部开始出现大致平行于加载方向的微裂纹，但只有少数裂纹贯通上下截面，如图4(a)所示；随着加载速率的增大，竖向裂纹逐渐增多并向中部扩展，贯通的裂纹数目明显增多，并伴有大量试样碎屑的剥落，如图4(b)和4(c)所示；当加载速率达到1 mm/s时，试样破坏呈劈裂状，表面布满了贯通的纵向裂纹，试样被全部压碎，破坏严重，如图4(d)所示。通过观察试样表面还可以发现文献[14]中提出的加载速率提高时裂纹面出现的桥接现象，即材料表面裂纹是相互搭接、交错分布的，并存在裂纹分支，如图5所示。裂纹面的桥接使得混凝土试样完全破裂后仍具有一定的承载能力。

混凝土在高加载率下的破坏形态同低加载率相比截然不同，同一冻融循环次数下随着加载速率的增大混凝土试样的破碎程度逐渐加剧，同时混凝土破裂面上的骨料被拉断的比例随着加载速率的增大而逐渐增大。加载速率为0.005 mm/s时，试样骨料几乎没有出现拉断现象；加载速率为0.1 mm/s时，试样骨料出现部分拉断现象；加载速率为1 mm/s时，试样骨料大范围的被拉断，如图6所示。原因正如作者在文献[15-16]中分析的：试样在低加载速率下裂纹可以有较充分的时间选择破裂路径—骨料和砂浆之间的薄弱面起裂，然后沿着薄弱面在砂浆中扩展、贯通；而随着加载速率的提高，裂纹来不及选择最薄弱的破坏界面而直接穿透骨料，骨料被拉断比例与加载速率关系曲线如图7所示。此外随着加载速率的增大混凝土试样破坏时爆裂声更清脆、响亮。说明随着加载速率的增大骨料被迅速拉断，材料的脆性也在不断地增加。

图4 50次冻融循环下不同加载速率单轴受压表面破坏形态

图5 不同加载速率下混凝土试样裂纹面搭接现象

通过试验数据得出50次冻融循环时3个试样中骨料破坏数目和加载速率的回归曲线和相关系数，由相关系数R2=0.952 2知回归曲线与本文的试验数据吻合较好。

(a)0．005mm/s(b)0．1mm/s

图6 50次冻融循环下不同加载速率混凝土破坏断面形态

图7 骨料破坏数目与加载速率关系曲线

(1)

式中:Fn为骨料断裂数目，s为不同加载速率。

3 试验结果与分析

3.1 质量损失

质量损失率是评价混凝土抗冻性能的主要冻融性能指标之一，可以用来描述混凝土材料抗冻性能的大小，质量损失率越小，表明材料的抗冻性能越好。图8给出了质量损失率随冻融循环次数的变化规律。

图8 质量损失率与冻融循环次数的关系

由图8可知，冻融后混凝土试样的质量损失率总体上呈现出先减小后逐渐增加的趋势。在经历25次冻融循环时，质量损失率出现减小的现象，原因主要是冻融循环初期由于孔隙水的作用，使得内部微孔隙充满水，导致试样在饱和状态下的含水率有所提高，质量有所增加；随着冻融循环次数的不断增加，经历50次冻融循环时试样质量损失率出现上升的趋势，表明试样表面的微小损伤逐渐由外向内扩展，试样的表面变酥引起了片落甚至成块的剥落出现，从而导致试样的质量损失值大于内部孔隙含水量增加值，试样的质量降低；尤其是冻融循环次数超过100次后，众多的微小裂纹已经扩展为较宽的裂纹，块落掉渣现象显著，留下裸露的骨料以及大的砂砾，结构变得疏松，质量损失率上升明显。

通过试验数据得出质量损失率和冻融循环次数的回归关系如下式所示：

Dm=[-0.013 5-0.004 34n+0.000 1n2]

(2)

式中:Dm为质量损失率，n为循环冻融次数，利用式(2)可估算具体循环冻融下混凝土的质量变化情况。

3.2 冻融循环下单轴动态抗压强度特征

3.2.1 冻融循环作用下不同加载速率的试样应力-应变曲线

由图9可以发现，加载速率在0.005～1 mm/s时，混凝土的应力-应变曲线变化规律经历3个阶段：① 压密阶段；其曲线呈上凹形状，随应力增加变形发展较快，这是由于试样内的微裂纹和微孔洞被压密而产生闭合；② 弹性变形阶段；试样中裂隙闭合的程度存在差异，所以各曲线的线性部分长度也不尽相同；③ 塑性变形到破坏阶段；当轴向应力继续增加，试样中的应力超过了其强度值时，应力—应变曲线呈下降趋势，破坏表现为峰值应力点的突然脆性破坏。从图中还可以发现：随着冻融循环次数的增加，峰值点荷载不断降低，相应的峰值应变也显著地增大。

3.2.2 冻融循环下加载速率对极限抗压强度的影响

单轴抗压强度是衡量混凝土材料力学特性的重要指标之一，能够比较直观地反映加载速率、冻融循环等因素对其力学特性的影响。

图9 加载率1 mm/s时不同冻融循环次数应力应变曲线

表2 单轴动态极限抗压强度平均值

从表2可以看出，以75次冻融循环为例，4种不同加载速率下混凝土试样的极限抗压强度均值分别为36.03 MPa、41.46 MPa、42.38 MPa、43.34 MPa，说明相同冻融循环次数下混凝土单轴动态极限抗压强度随着加载速率的增大而逐渐增大；而在加载速率相同的情况下，随着冻融循环次数的增加，单轴动态极限抗压强度降低。可见加载速率与混凝土材料的单轴动态极限抗压强度有着密不可分的关系。

图10给出了不同加载速率下单轴动态极限抗压强度损失率与冻融循环次数之间的关系，图中以0次冻融循环下加载速率的数据为基准。由图可以看出，混凝土在25、50、75、100次冻融循环后单轴动态极限抗压强度在加载速率为0.1 mm/s时损失最多，冻融循环100次后单轴动态极限抗压强度损失率为30.82%。在同一加载速率下，混凝土单轴动态极限抗压强度损失率随着循环冻融次数的增加而逐渐提高。

图11给出了不同冻融循环下混凝土单轴动态极限抗压强度增长率与加载速率之间的关系，图中以不同冻融循环次数下加载速率为0.005 mm/s的数据为基准。由图可知，混凝土单轴动态极限抗压强度在加载速率为0.1 mm/s时强度提高较快，特别是75次冻融循环时，极限抗压强度增长率出现骤增，增长率为15%。在同一加载速率下，0次～75次冻融循环时混凝土单轴动态极限抗压强度增长率随着冻融循环次数的增加而大体呈现增大的趋势。在同一冻融循环次数下，动态极限抗压强度随着加载速率的增大而逐渐增大。

图10 单轴动态极限抗压强度损失率随冻融循环次数的关系

图11 单轴动态极限抗压强度增长率随加载速率的关系

3.2.3 冻融循环下加载速率对峰值应变的影响

通过试验获得0次、25次、50次、75次、100次冻融循环下的混凝土试样在不同加载速率下的峰值应变，文中以75次冻融循环的峰值应变随不同加载速率的变化规律为例进行分析。从图12可以看出：随着加载速率的增大，峰值应变呈现逐渐减小的趋势。当加载速率从0.005 mm/s 增大至1 mm/s 时，混凝土的峰值应变从2.12×10-3降低到1.071×10-3，降低幅度约为49%，降幅非常显著。

3.3 冻融循环下的细观破损结果分析

CT试验利用太原市医院的SIEMENS16排螺旋CT机， 试验参数：电压140 kV,电流313 mA。扫描方案：每次在不同速率加载下立即进行CT 扫描,试验立方体试样沿横断面以层厚0.6 mm进行连续扫描，获取了170幅二维断层扫描CT图像。图像尺寸为512像素×512像素，由于断面较多，限于篇幅本文仅选取试样中典型扫描断面图像进行分析，如图13所示。

图12 75次冻融循环峰值应变与加载速率变化的关系

图13 扫描断面随冻融次数变化的CT图像

对获得的CT 图像进行等密度分割(见图14)，其中定义CT 均值在0-1000区域为黑色,代表孔洞及裂纹区域。1001-1900区域为灰白色, 实质上是代表砂浆区域。1901-3295 区域为灰黑色, 实质上是代表高强骨料区域。从等密度分割图中可以发现：在低加载速率下，裂纹数目较少，主要沿砂浆和交界面处扩展，破坏时呈现出集中式的裂纹分布；而在高加载速率下，裂纹逐渐变得分散，破坏时呈现弥散状裂纹分布式，随着加载速率的提高，裂纹穿越骨料的现象明显增多。结果印证了文献[17]中提出的：“一个系统发生破坏总是选择单位时间内消耗能量最小的方式进行。由于骨料的不规则性，相同时间内裂纹扩展绕过骨料比直接穿过骨料需要更快的速度，裂纹扩展的速度越快，需要消耗的能量就越大。”的观点。说明当低加载速率时，裂纹扩展需要消耗的能量较小，裂纹追随结构最薄弱面向前发展；当加载速率增加导致裂纹绕过骨料需要消耗更多的能量，裂纹会追随能量释放最快路径扩展,即直接穿过骨料发生破坏。随着加载速率的提高，这种速度效应越加明显，因此有更多的裂纹穿过骨料，使得混凝土动强度提高。

图14 扫描断面随冻融次数变化的等密度分割图像

4 结 论

本文以冻融循环下混凝土在不同加载速率的单轴压缩试验为基础，将冻融与动态力学研究进行结合，对冻融循环下不同加载速率下的混凝土强度特性进行了研究，分析了混凝土单轴动态极限抗压强度与加载速率及冻融循环次数的关系，得出以下结论：

(1) 冻融循环作用时不同加载速率下试样应力-应变曲线变化规律经历压密阶段；弹性变形阶段；塑性变形到破坏阶段；随着冻融循环次数的增加，峰值点荷载不断降低，相应的峰值位移也显著的增大。

(2) 在加载速率相同的情况下，随着冻融循环次数的增加，混凝土单轴极限抗压强度降低；冻融循环次数相同时，混凝土单轴极限抗压强度随加载速率的增大而提高。

(3) 冻融循环作用下，混凝土试样在低加载速率破坏时，裂纹数目较少，主要沿砂浆和交界面处扩展，破坏时呈现出集中式的分布；而在高加载速率下，裂纹逐渐变得分散，破坏时呈现弥散状分布，随着加载速率的提高，裂纹穿过骨料的现象明显增多，骨料破坏数目呈指数形式增长。

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Experimental study on the dynamic damage mechanism of concrete under freeze-thaw cycles

TIAN Wei, HAN Nü, ZHANG Pengkun

(School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

The concrete specimen under freeze-thaw environment was experimentally studied through uniaxial compression test with different loading rates. The mass loss of specimen was measured after different freeze-thaw cycles. The complete stress-strain curve of specimen was analyzed. And the variation characteristic of uniaxial compressive strength, peak strain varying with loading rate was given. A preliminary study on the meso-structure of specimen with different loading rates was analyzed by the application of CT technology. The results indicate that the dynamic ultimate compressive strength decreases with the increasing of freeze-thaw cycles under the same loading rates, and that the dynamic ultimate compressive strength raises with the increasing of loading rates under the same freeze-thaw cycles. Cracks appearing in these specimens under low loading rates are less and propagate mainly along the weak interface, which present centralized formation. On the contrary, cracks gradually become scattered at high loading rates, which become reticular formation as well. The cracks penetrate the aggregates evidentially increase with loading rates and the number of aggregating fracture increase at exponential speed. Based on the above data, the dynamic damage mechanism of concrete was systematic studied under freeze-thaw cycles.

concrete; F-T cycle; loading rate; meso-structure

国家自然科学基金项目(51009010;51379015;51579013)；陕西省博士后科学基金资助项目(110413); 陕西省自然科学基金资助项目(2015JM5160)

2016-01-07 修改稿收到日期：2016-03-28

田威 男，博士，副教授，1981年生

TU48

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.013