公路水泥混凝土的粘弹性特征研究

李明欣，王选仓，张 翼

(1.长安大学公路学院， 陕西 西安 710064；2.中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024)

公路水泥混凝土的粘弹性特征研究

李明欣1，王选仓1，张 翼2

(1.长安大学公路学院， 陕西 西安 710064；2.中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024)

为研究适用于公路路面的水泥混凝土材料粘弹性特征，通过室内制备道路水泥混凝土试件，采用控制位移法进行一次加载、循环加载试验，分别测试了C30水泥混凝土试件分别在0.1、0.3、0.5 mm·min-13种加载速率下的σ-ε曲线。通过对3种加载速率下的σ-ε曲线变化规律并采用割线模量Es表征水泥混凝土的粘弹性。研究结果表明：水泥混凝土试件σ≤0.8σmax时，σ-ε曲线近似线性增长，该范围可认为是水泥混凝土的弹性工作阶段；当σ≥0.8σmax时，试件出现出较大的粘性变形特征，当应力超出屈服应力后发生脆性破坏。加载速率的不同会影响σ-ε曲线的弹性模量Ec和最大破坏应力σmax；Ec随着加载速率的增大而减小，σmax随着加载速率v的增大而增大。

道路工程；水泥混凝土；割线模量；粘弹性

水泥混凝土路面是道路工程中广泛采用的道路类型之一，应用非常广泛[1-2]。水泥混凝土是一种高强度、非均质、内部各向异性的材料，对力学作用的响应主要取决于各组分本身和组分之间的相互作用[3-4]。利用水泥作为稳定剂具有成本低、获取方便、操作简便等优势，符合中国工程实际和经济发展的要求[5-7]。目前，研究者对沥青与沥青混合料的流变特性研究较多，相对应的流变模型的数值模拟方面有较为深入的研究[8-10]，并认为材料的粘弹性特征在路面结构数值模拟领域具有重要的参考价值[11]。材料流变学特征的研究需要采用理论和试验相结合的方式进行，对材料给予恰当的力学激励，获取材料所表现出来的力学响应，建立激励与响应之间的相关关系[12-15]。本研究对水泥混凝土材料采用位移控制法分别进行一次加载和循环加载试验，测试了水泥混凝土试件在3种加载速率下的σ-ε曲线，并对不同的σ和ε区间段采用割线模量Es来研究水泥混凝土的粘弹性特征。

1 试件的准备

按照《普通水泥混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)制备水泥混凝土试件[16]，水泥采用秦岭牌硅酸盐水泥，强度等级42.5 MPa，具体技术指标见表1。所用集料的技术性能见表1，所用集料为花岗岩，集料技术性能见表2，水泥混合料级配组成见表3，水泥混凝土配合比见表4。采用机械拌合方式，一次拌料50 kg，机械拌合之后进行塌落度试验验证，塌落度合格的混合料倒入模具之中在振动台上振动成型。振动成型之后将试模在温度为(20±5)℃的室内环境下静置24 h，拆模、编号，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

表1 水泥的技术性能 Table 1 Basic technical properties of cement

表2 集料技术性能 Table 2 Basic technical properties of aggregates

表3 混合料级配组成 Table 3 Gradation of cement concrete mixture

表4 新制备水泥混凝土配合比 Table 4 The proportions of cement concrete

将制备的试件放到(20±2)℃、相对湿度95%的标准养护室中，试件之间间隔1 cm以上，养护28 d。使用钻芯机械从立方体试件的侧面钻取芯样，钻取之后将试件表面擦拭平整并标号。

2 加载试验方法

单静力加载试验的加载类型有位移控制、力控制和力-位移联合控制的加载模式。其中，控制位移的加载是以加载过程中位移变化作为控制量，变换位移量进行循环加载，即设置不同的加载速率进行压力试验，研究混凝土试件在整个加载过程中的σ-ε曲线的变化规律。在此基础上研究混凝土试件的弹塑性规律，还需要进行循环加载试验，加卸载的控制方式采用控制压力法，设定合理的循环加卸载压力范围。压力初始值设为0.05 kN，要求试件承载面与压头良好接触。压力峰值的设定要求试件在循环加卸载过程能够反映出试件在承受较大力后的弹性变形情况，是否会产生粘塑性改变，以及改变幅度有多大等问题。因此，将循环加卸载的峰值设置为试件平均破坏压力的2/3，即加卸载力的范围为0.05 kN～2/3Fa(试件平均破坏压力Fa由实测计算获得，根据本次加载试验所用试件性能，确定2/3Fa为150 kN)。加卸载循环次数设为5次，第6次加载直至试件破坏。

本试验采用的加载方式有2种。加载方式a：一次加载试验，设定不同的加载速率，将水泥混凝土试件匀速加载至破坏，得到各个试件的最大破坏力Fmax，分别求出各组水泥混凝土试件的平均破坏压力Fa；加载方式b：循环加卸载试验，分别设定新旧水泥混凝土试件循环加卸载的初始值和峰值，初始值设为0.05 kN，峰值设为2/3Fa。循环加卸载5次后，第6次加载试件至破坏。

采用新三思公司生产的CMT5000系列精密型微机电子万能试验机，通过对本试验加载类型、加载方式和加载速率的分析，最终确定水泥混凝土材料粘弹性特征的试验研究方案为：采用控制位移法加卸载试验，设定不同的加载速率，加载方式a：一次加载至破坏试验；b：循环加卸载试验。加载速率为3种，分别是0.1、0.3、0.5 mm·min-1。

试验中选取10组混凝土试件进行试验，一次加载试验和循环加载试验各5组，具体试验方案见表5。

表5 新水泥混凝土试件试验方案表 Table 5 Testing procedures of cement concrete samples

注：“数据记录编号”一列中，a为一次加载试验，b为循环加卸载试验。

Notes: In the table above, a stands for single loading test, while b stands for repeat loading test.

3 结果与分析

3.1 一次加载试验

水泥混凝土试件一次加载试验分别是在0.1、0.3、0.5 mm·min-1的加载速率下进行，3种加载速率下一次加载至破坏试验的σ-ε关系曲线见图1。

图1 试件一次加载试验对比Fig.1 Comparison of σ-ε curves of each sample under single loading

加载速率在0.1 mm·min-1的情况下，σ-ε曲线在应力达到25 MPa之前是一个线性增长的过程，超过25 MPa之后曲线斜率发生突变，强度不再增长而变形减小，说明试件在破坏后发生了一定程度回弹，即加载速率较小时，水泥材料表现出一定的粘塑性特征。在0.3 mm·min-1的加载速率下，σ-ε曲线在27 MPa之前呈现线性增长趋势， 27 MPa之后曲线的斜率减小，达到30.5 MPa时试件破坏。在0.5 mm·min-1的加载速率下，曲线在35 MPa之前基本呈线性增长，应力超过35 MPa之后，曲线斜率明显减小趋缓。由试验结果分析可知，水泥混凝土试件在3种加载速率下一次加载至破坏得到的平均最大破坏极限应力为34 MPa，平均破坏应变为1.5×10-3。当材料应力处于0～28 MPa之间时，试件的σ-ε曲线呈现较为规律的线性关系，当应力超过28 MPa之后，σ-ε曲线的斜率即发生明显变化，呈现非线性特征。各种加载速率下，材料线弹性阶段结束时所对应的应力σ均大致相当于0.8倍的极限破坏应力σmax，σmax且随加载速率的增大而略有提高。

为进一步研究各试件在不同加载速率下的σ-ε曲线变化规律，采用分析不同σ、ε范围内的σ-ε曲线割线斜率，即割线模量Es来探究水泥混凝土的粘弹性特征，分别绘制不同分段σ、ε范围的Es曲线图(图2和图3)。

由图2和图3可知，加载速率的变化对不同σ、ε范围内的Es曲线变化均有一定影响。当加载速率分别为0.1、0.3、0.5 mm·min-1时，则加载速率越大，Es的线性变化规律越明显，也说明当加载速率较大时，水泥混凝土材料的σ-ε曲线的线弹性特征更为显著，当加载速率较小时，水泥混凝土材料表现出粘塑性特征。

图2 不同σ范围内Es的变化曲线 Fig.2 Es curves within different σ ranges

图3 不同ε范围内Es的变化曲线 Fig.3 Es curves within different ε ranges

3.2 循环加卸载试验

水泥混凝土试件的循环加卸载试验分别在0.1、0.3、0.5 mm·min-1的加载速率下进行，根据单次加载试验结果，确定试件加载范围0.05～150 kN，加载至150 kN之后立即卸载至0.05 kN，随即开始下一个循环加载，并反复进行5个循环后，第6次加载直至试件破坏。3种加载速率下循环加卸载试验的材料σ-ε关系见图4～图6。

图4 0.1 mm·min-1循环加卸载试验结果 Fig.4 Repeat loading test results with 0.1 mm·min-1 loading rate

图5 0.3 mm·min-1循环加卸载试验结果 Fig.5 Repeat loading test results with 0.3 mm·min-1 loading rate

图6 0.5 mm·min-1循环加卸载试验结果 Fig.6 Repeat loading test results with 0.5 mm·min-1 loading rate

由图4可知，当循环加载速率在0.1 mm·min-1时，水泥混凝土试件的σ-ε曲线为重复循环的闭合回路。由图5可知，当循环加载速率为0.3 mm·min-1时，循环曲线为向上略微突起的曲线。由图6可知，当加载速率为0.5 mm·min-1时，循环曲线近似为直线,且由于设备加卸载速度较快,导致测量精度误差较大,应变出现负值，并非由于材料出现膨胀引起，且不影响计算结果。根据试验结果分析得出，当加载速率较小时，水泥混凝土试件表现出微量粘性变形；当加载速率较大时，水泥混凝土试件更多表现出弹性特征。表6为以上5条曲线循环加卸载阶段的弹性模量值Ec以及第6次加载至破坏时的σ、ε值的大小。

通过数据分析可以看出，水泥混凝土试件循环加卸载阶段测得的弹性模量Ec随加载速率的增大而增大。试件经过循环加卸载后继续加载至破坏，水泥混凝土的平均破坏应力为σmax为31.9 MPa，小于一次加载破坏时的平均破坏应力34.4 MPa。平均破坏应变εmax为1.30×10-3，也小于一次加载破坏时的平均破坏应变1.34×10-3。

表6 试件循环加卸载数据分析表 Table 6 Analysis of repeat loading test results

4 结论

1)水泥混凝土试件的σ-ε曲线在一定范围内(σ≤0.8σmax)呈近似线性增长，该应力范围为水泥混凝土的弹性工作阶段，在这一范围内加载速率的变化几乎不会影响σ-ε曲线的特性。割线模量Ec随加载速率v的增大而略微减小，平均最大破坏应力σmax随加载速率的增大而略微增大，这说明水泥混凝土具有一定的粘性特征。当应力超出材料屈服应力后，水泥混凝土试件产生较大变形，进而迅速发生脆性破坏。

2)当σ≤0.8σmax时，水泥混凝土材料主要表现为弹性变化规律，粘性特征表现不明显；当σ≥0.8σmax时，试件出现较大的粘性变形，表面开始出现裂缝，迅速发生脆性破坏。所以在σ≤0.8σmax范围内，水泥混凝土可以按照线弹性材料来处理。由此可认为，当水泥混凝土路面工作荷载较小，尚未达到临近材料破坏强度时，弹性地基板体系理论假设是成立的，混凝土材料的弹性分析与计算也是具有科学依据的。然而，当水泥混凝土路面处于加大工作荷载条件下，应适当考虑材料的粘性特征。

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Researchofviscoelasticityofcementconcreteusedinpavement

LI Mingxin1， WANG Xuancang1， Zhang Yi2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China；2.China Building Material Test & Certification Group Co., Ltd., Beijing 100024, China)

To study the viscoelastic characteristics of cement concrete pavement, the C30 concrete samples were prepared tested ofσ-εcurves in the loading rates of 0.1, 0.3 and 0.5 mm·min-1, respectively. The samples were tested with single loading mode and repeat loading mode, separately, under the condition of load displacement control. The change rules ofσ-εcurves were simulated and the viscoelastic characteristics of cement concrete were investigated by using the secant modulusEs. The result shows that theσ-εcurves increase linearly in general under the condition ofσ≤0.8σmaxwhile the samples can be considered as elastomer material. Theσ-εcurves increase non-linearly under the condition ofσ≥0.8σmaxwhile the samples can be considered as a brittle material. The loading rate can affect the secant modulusEsand the ultimate failure stress limitσmax. As the loading rate increases, the ultimate failure stressσmaxincreases while the secant modulusEsdecreases.

road engineering；concrete；secant modulus；viscoelasticity

2017-03-19

交通运输部建设科技项目 (2013318J08220)；河北省交通运输厅科技计划项目(Y-201302007)

李明欣(1988-)，男，河南三门峡人，博士研究生，主要从事路基路面工程研究。

王选仓(1956-)，男，陕西西安人，教授，博士研究生导师。

1000-2340(2017)04-0536-05

U414

A

(责任编辑：蒋国良)