高温后高强混凝土单轴受压疲劳过程中细微观试验研究

赵东拂， 贾朋贺， 刘慧璇， 高海静， 刘禹辰

(1. 北京建筑大学 工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044； 2. 北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044； 3. 北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044； 4. 北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044)

高强混凝土结构有时会遭受火灾或经历其他原因引起的高温历程，也会遭受地震、车辆、风浪等循环荷载的作用。可见，高强混凝土结构可能会经历高温、疲劳等综合工况，这会给混凝土结构造成损伤。这种损伤不仅是在宏观层面上，也存在于细微观层面。

目前关于高温后高强混凝土细微观结构的研究已比较深入[1-6]，试验采用的加温范围一般从100～900 ℃不等，运用扫描电子显微镜、X射线衍射、汞压力测孔等方法研究了高温对高强混凝土的孔隙、微裂纹等细微观结构的影响，将宏观物理状态与细微观结构变化相结合。对高温后混凝土受压疲劳性能的研究相对较少，仅有周新刚等[7]对100～300 ℃高温后普通混凝土轴压疲劳性能的研究，以及高海静对100～900 ℃高温分别恒温0.5 h，1.0 h，2.0 h，3.0 h后高强混凝土的力学性能及单轴受压疲劳性能的研究。然而对于高温后高强混凝土疲劳过程中细微观结构的研究未见报导。

因此本文在文献[8]的基础上，利用超声、显微硬度检测、汞压力测孔等综合手段对高温后高强混凝土单轴受压疲劳过程中的细微观结构进行了试验研究。通过测定声时和波幅、显微硬度、孔径分布、累积进汞量等参数，对比分析了高温后高强混凝土疲劳过程中细微观结构的变化规律。建立了高温后高强混凝土疲劳残余应变与声时、显微硬度之间的关系模型，并进一步揭示了高温作用与疲劳循环荷载综合工况下高强混凝土内部细微观结构的动态演化过程及损伤机理。研究结果为遭受火灾或经其他高温历程的混凝土结构的无损检测、疲劳损伤分析及结构评估提供参考。

1 试验概况

1.1 高强混凝土高温、单轴受压疲劳试验

以C60混凝土为试验材料(配合比参照央视文化中心主体结构混凝土材料，见表1)。高温试验设计加热温度为100 ℃，400 ℃，700 ℃；每小组试件加温至指定温度后分别恒温1 h，3 h，采取室温冷却方式冷却试件。疲劳试验在PA-500电液伺服疲劳试验机上进行，试块的竖向采用500 kN作动器施加疲劳荷载。采用正弦波加载，加载频率为10 Hz，最小应力水平Smin为0.10，最大应力水平Smax分别为0.80，0.85及0.90；每个主应力方向必须垂直于试块表面，分别取疲劳过程中的试样作为研究对象。

表1 高强混凝土配合比

1.2 疲劳过程中细微观试验

细微观试验在北京建筑大学土木与交通工程学院实验中心进行。使用NM-4B非金属超声检测分析仪采用对测法进行超声波测试。将疲劳试验过程中未破坏的试块用铅笔分别画出试块两个未受火面的对角线，交点位置定为超声测试点，在测试点处均匀涂抹一层医用凡士林。用游标卡尺测量试件的测距，发射频率为50 kHz。每个测点重复测试6次，取平均值作为该测点的测试结果。

将超声测试完毕的试块，平行于未受火面沿中心线切割成大小相等的两部分，取其中一部分切割成10 mm薄片。打磨、抛光后将试件稳固放置在FM-800显微硬度计的刚性支座上，如图1所示。垂直试验面施加试验力，直至施加至规定值。从加载开始至全部试验力施加完毕为4 s，最大恒定试验力的保持时间为15 s。将显微硬度测试完毕的试件用锤子仔细敲碎规定区域的样品，挑选1 cm×1 cm×1 cm左右的试样使用Autopore 9500自动压汞仪进行压汞试验，如图2所示。

图1 FM-800显微硬度检测Fig.1 FM-800 micro-hardness test

图2 Autopore 9500自动压汞仪Fig.2 Autopore 9500 pressure mercury test

2 试验结果及分析

2.1 高温后高强混凝土单轴受压疲劳寿命

一般认为混凝土材料的疲劳寿命服从对数正态分布，因此本文以相同应力水平下试验所得的疲劳寿命均值的对数值作为该工况下的疲劳平均寿命，如表2所示。高温后高强混凝土抗压强度均是在减摩的条件下所测。

表2 高温后高强混凝土疲劳寿命试验结果

2.2 超声波检测结果及分析

采用声时、波幅两个声学参数，对高温后高强混凝土单轴受压疲劳损伤过程进行表征，试验结果如图3所示。由于加载到疲劳寿命的100%时试块已经破坏，因此相应的声时与波幅无法测得。

图3 高温后高强混凝土声时、波幅与疲劳循环次数的关系Fig.3 Relationship between sonic time, amplitude and relative fatigue cycles of HSC after high temperature

从图3可知，高温后高强混凝土在一定的疲劳荷载循环后卸载，测量此时的声时和波幅，发现与疲劳加载前相比加载到疲劳寿命的75%时，声时增大了14.56～30.1 μs，波幅减小31.40～54.21 dB;其中从疲劳前加载到疲劳寿命的25%这一阶段，声时明显增大10.85～17.21 μs，波幅明显减小18.20～37.81 dB，可知声时随疲劳循环次数的增加整体呈不断增大的趋势，而波幅呈不断减小的趋势且声时和波幅的变化幅度大致呈快-慢的趋势，说明高温后高强混凝土的疲劳损伤在开始阶段增长较大，而在疲劳寿命的第二阶段增长较缓。对比分析相同温度工况下不同应力水平对高强混凝土疲劳过程中声时、波幅的影响，可知低应力水平在达到相同寿命比时造成的混凝土疲劳损伤要较高应力水平造成的损伤大，这与文献[9]描述的定侧压下混凝土抗压疲劳损伤规律相似。相对于恒温时间，加热温度对高强混凝土疲劳过程中声时和波幅的影响更大。

声时和波幅随疲劳循环次数的变化规律与高海静描述的试件疲劳方向总应变及其残余应变的发展规律是一致的，声时增大、波幅减小与应变增长都表明高温后高强混凝土内部疲劳损伤的不断积累。

2.3 显微硬度测试结果及分析

混凝土材料骨料-水泥石界面过渡区是混凝土中最薄弱的环节，界面过渡区的显微硬度是界面诸多性能的综合反映。采用维氏硬度法对高温后高强混凝土单轴受压疲劳过程中距混凝土相邻三表面各3 cm处骨料-水泥石界面过渡区进行评价。试验结果如图4所示。

图4 高温后高强混凝土显微硬度与疲劳循环次数的关系Fig.4 Relationship between micro-hardness and relative fatigue cycles of HSC after high temperature

从图4可知，与疲劳加载前相比加载到疲劳寿命的75%时，高温后高强混凝土的显微硬度减小了15.16～20.94 GPa；其中从疲劳前加载到疲劳寿命的25%这一阶段，显微硬度明显减小9.95～15.76 GPa，可知骨料-水泥石界面过渡区的显微硬度随疲劳循环次数的增加整体呈不断减小的趋势，且减幅整体呈快-慢的趋势。对比分析相同温度工况下不同应力水平对高强混凝土疲劳过程中显微硬度的影响，同样可知低应力水平在达到相同寿命比时造成的显微硬度的降低幅度要较高应力水平造成的幅度大，这与超声试验结果具有一致性。高温后高强混凝土内骨料的硬度远远大于水泥石的硬度，骨料与水泥石界面过渡区的硬度最低，而从界面过渡区向水泥石基体内部趋于均匀。由于骨料与水泥石基体之间的界面过渡区硬度最低，因此高温后高强混凝土单轴受压疲劳破坏一般都是围绕骨料而发生的界面破坏，破坏后骨料一般能保持完整。

2.4 压汞试验结果及分析

分别取高温后高强混凝土单轴受压疲劳过程中距混凝土相邻三表面各3 cm处骨料-水泥石界面过渡区的样品进行压汞试验，对样品中孔隙特征进行定量分析研究。不同孔径范围进汞量见表3，由于工况分组较多这里只给出部分试验数据。研究中采用吴中伟等[10]提出的孔径划分原则并结合高强混凝土内部孔隙特征，将孔划分为无害孔和少害孔(孔径小于50 nm)、有害孔(孔径为50～200 nm)和多害孔(孔径大于200 nm)。

由表3和图5可知，与疲劳加载前相比加载到疲劳破坏时，最可几孔径增大了18.9～36.8 nm，累积进汞体积增大了0.009 8～0.013 5 mL/g，50～200 nm的有害孔增加了0.009 5～0.015 0 mL/g，可知疲劳循环次数的增加不仅使高温后高强混凝土内骨料-水泥石界面过渡区最可几孔径明显增大，且使总孔隙体积显著增大，孔径大于50 nm的有害孔和多害孔的数量明显增多，孔径小于50 nm的少害孔和无害孔数量有一定程度的减少。

表3 不同孔径范围进汞量

图5 高温后高强混凝土最可几孔径、累积进汞体积、有害孔与疲劳循环次数的关系Fig.5 Relationship between the most probable pore size，the total pore volume, the harmful pores and relative fatigue cycles of HSC after high temperature

从图5可知，疲劳前加载到疲劳寿命的25%这一阶段最可几孔径、累积进汞体积和有害孔的增量最快，而从疲劳寿命的25%加载到疲劳寿命的75%这一阶段各参数增量趋于平缓，从疲劳寿命的75%加载到疲劳破坏这一阶段各参数增量较快，呈明显的快-慢-快三阶段变化规律。

2.5 细微观参数与残余应变的关系模型

高温后高强混凝土单轴受压疲劳损伤，在宏观上主要通过残余应变表现出来，在细微观上通过细微观参数的变化表现出来，因此宏观残余应变与细微观参数变化都在一定程度上反映了疲劳损伤的不断累积，它们之间存在一定的量化关系。

高温后高强混凝土单轴受压疲劳残余应变与疲劳总应变一样，都呈三阶段变化规律，如图6所示。分别对图3和图6中的声时Ts、残余应变εr,T与相对疲劳循环次数N/Nf进行非线性回归，可得到不同应力水平下声时Ts和残余应变εr,T之间的关系为：

当Smax=0.80，Smin=0.10时

Ts=0.09εr,T-89.69(N/Nf)3+142.17(N/Nf)2-
93.31(N/Nf)-12.3t+72.8
100 ℃≤T≤700 ℃,R2=0.832 1

(1)

当Smax=0.85，Smin=0.10时

Ts=0.14εr,T-84.48(N/Nf)3+126.32(N/Nf)2-
90.28(N/Nf)-27.98t+50.78
100 ℃≤T≤700 ℃,R2=0.847 9

(2)

当Smax=0.90，Smin=0.10时

Ts=0.085εr,T-42.24(N/Nf)3+54.46(N/Nf)2-
59.6(N/Nf)-14.5t+57.23
100 ℃≤T≤700 ℃,R2=0.824 2

(3)

图6 高温后高强混凝土单轴受压疲劳残余应变与疲劳循环次数的关系Fig.6 Residual strain of HSC for compressive fatigue after high temperature

分别对图4和图6中的显微硬度HV、残余应变εr,T与相对疲劳循环次数N/Nf进行非线性回归，可得到不同应力水平下显微硬度HV和残余应变εr,T之间的关系为：

当Smax=0.80，Smin=0.10时

HV=-0.04εr,T+40.44(N/Nf)3-59.82(N/Nf)2+
32.6(N/Nf)+5.62t+72.67
100 ℃≤T≤700 ℃,R2=0.813 7

(4)

当Smax=0.85，Smin=0.10时

HV=-0.074εr,T+44.34(N/Nf)3-70.43(N/Nf)2+
58.8(N/Nf)+14.52t+60.45
100 ℃≤T≤700 ℃,R2=0.824 1

(5)

当Smax=0.90，Smin=0.10时

HV=-0.046εr,T+22.13(N/Nf)3-24.69(N/Nf)2+
27.7(N/Nf)+7.82t+68.24
100 ℃≤T≤700 ℃,R2=0.804 6

(6)

式中：Ts为声时；HV为显微硬度；εr,T为高温后高强混凝土的疲劳残余应变；T为加热温度；t为恒温时间， 即1 h，3 h；N/Nf为相对疲劳寿命。

2.6 高温后高强混凝土单轴受压疲劳过程中细微观结构的动态演化过程及损伤机理

声时和波幅、显微硬度、孔径分布及累积进汞量等参数的变化幅度整体呈快-慢-快的趋势，呈明显的三阶段变化规律，说明其内部微裂缝的损伤发展同样可划分为三个阶段。

疲劳加载前，高温后高强混凝土内部就存在着大量的微孔洞及微裂纹，这些初始缺陷的形成与高强混凝土的凝结硬化过程及所经历的高温历程有关。第一阶段为疲劳前加载至疲劳寿命的25%，即微裂缝迅速发展阶段。这一阶段骨料-水泥石界面过渡区的孔隙迅速吸收能量、孔径及累积进汞量急剧增大，致使过渡区内疏松多孔，声时明显增大，波幅和显微硬度显著减小，形成黏接微裂缝，此时微裂缝基本沿着骨料的边缘扩展。第二阶段从疲劳寿命的25%加载到疲劳寿命的75%，即微裂缝线性发展阶段。这一阶段的损伤主要是水泥砂浆中新的微裂缝的积累和原有微裂缝的扩展。随着疲劳循环次数的增加，声时、波幅、显微硬度、孔径分布及累积进汞量等参数的变化幅度趋于平缓，混凝土内部微裂缝持续增加。第三阶段为从疲劳寿命的75%加载到疲劳破坏。这一阶段孔径及累积进汞量的变化幅度较快，微裂缝宽度不断增大，已形成的微裂缝急剧扩展，相互联结并与骨料-水泥石之间的黏接裂缝相贯穿导致裂缝的不稳定扩展，试件很快破坏[11-15]。

高温后高强混凝土单轴受压疲劳损伤机理：刚开始加载阶段，骨料-水泥石界面过渡区内的孔隙迅速吸收能量致使孔边缘发生扩展、孔径及孔隙率急剧增大，形成黏接微裂缝，各参数变幅很快；随着疲劳循环次数的增加，这些己经形成的微裂缝由于受到其他粗骨料和水泥石的约束不能迅速发展，此时微裂缝线性稳定发展，所测各参数变幅趋于平缓；随着疲劳循环次数的进一步增加，骨料和水泥石之间的黏接裂缝以及水泥石内部的微裂缝相互贯穿，形成连续的不稳定的裂缝失稳扩展，各参数变幅较快，最终导致破坏。这可由超声、显微硬度检测及汞压力测孔三种细微观检测手段测得的参数变化规律具有一致性来证实。

3 结 论

高温后高强混凝土在疲劳循环荷载作用下的细微观结构变化与疲劳循环次数和应力水平有着密切的关系。

(1) 随着疲劳循环次数的增加，声时整体呈不断增大的趋势，而波幅和显微硬度呈不断减小的趋势；骨料-水泥石界面过渡区内的最可几孔径和总孔隙体积明显增大，孔径大于50 nm的有害孔和多害孔数量显著增多，孔径小于50 nm的孔数量有一定程度的减少；各参数的变化幅度整体呈快-慢-快的三阶段变化规律。

(2) 在相同温度工况下，高强混凝土疲劳过程中低应力水平在达到相同寿命比时造成的疲劳损伤要较高应力水平造成的损伤大。

(3) 采用的三种细微观测试手段测得的参数变化规律具有一致性且相互关联，彼此印证良好。建立了高温后高强混凝土疲劳残余应变与声时、显微硬度之间的关系模型，进一步揭示了高温作用与疲劳循环荷载综合工况下高强混凝土内部细微观结构的动态演化过程及损伤机理。

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