水灰比对冻融后混凝土动态力学性能的影响★

黄子辰，薛刚宏，吴开侠，朱大亮，梁帅锋

(1.深圳市坪山区建筑工务署,广东 深圳 518000； 2.中建科工集团有限公司，广东 深圳 518000)

我国西北、西南、四川西部、东北以及内蒙古东北部等地区分布着大面积的寒区。在这些寒区内，气温变化剧烈，平均温度约在-10 ℃～0 ℃，因此建筑结构不可避免的要长期受到冻融循环的影响。长期的冻融过程将加剧建筑结构的劣化，削弱建筑结构的力学性能和耐久性能。此外，近年来，地震、滑坡、泥石流等自然因素以及化学品爆炸、交通事故、恐怖袭击等人为因素导致的建筑结构承受极端外部冲击荷载的事件频发，处于寒区内的建筑也不可避免。因此，研究寒区混凝土建筑结构在冲击荷载作用下受力性能、破坏特征及损伤机理就显得非常迫切且重要。

许多学者也对冻融环境下混凝土的动态力学性能开展了大量研究。薛文等[1]的研究结果表明陶粒混凝土的强度与冻融循环次数呈正相关关系。LI等[2]分析了混凝土在冻融和冲击荷载作用下的破损机制，并基于筛分统计方法和分形理论，研究了破碎块的尺度质量分布规律和分形维数特征。REN等[3]的研究结果表明，在冲击载荷下，混凝土冲击破碎分形维数随应变速率的增加而增加。CHEN和施冠银等[4-5]的结果表明，反复冻融会加剧陶粒混凝土在冲击荷载下损伤程度。周涛等[6]的研究结果表明，冻融循环会加速劣化钢纤维混凝土内部结构，导致其力学性能降低。范梦婷等[7]的研究结果表明，尽管冻融循环加速了橡胶混凝土动强度的退化进程，但其在冲击荷载下的韧性和能耗都有所提高。牛建刚等[8]的研究表明，在冻融循环作用下，6 kg/m3塑钢纤维的掺入可以显著提高轻骨料混凝土的动态力学性能。龚升等[9]采用落锤冲击试验对冻融后碾压混凝土的抗冲击性能进行了研究，并同时考虑了橡胶掺量和钢纤维掺量的影响，他们指出橡胶对混凝土在冻融环境中的质量损失影响不大，但钢纤维可以有效控制质量损失率的增长，并能提高试样的抗冲击性能。

尽管目前对冻融后混凝土动态力学性能的研究较多，但关于不同水灰比对冻融后混凝土的动态力学性能影响的研究相对较少。水灰比会对混凝土的性能产生显著影响[10-12]。BISCHOFF等[13]指出水灰比是影响混凝土力学性能的核心原因之一。董玉文等[14]也指出水灰比会对冻融后混凝土的质量损失率和弹性模量产生显著影响，水灰比越大，冻融后混凝土试样的质量损失率越高，弹性模量越低。

基于此，本文设置了3种不同水灰比，利用快速冻融机和分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对混凝土试样进行了冻融和冲击试验，讨论了水灰比对冻融后混凝土动态力学性能及冲击破碎分形特征的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验中水泥标号为P.O42.5。粗骨料为碎石，细骨料为中粗河砂。碎石粒度约为5 mm～10 mm，河砂细度模数为2.87。试验水源为常规自来水。外加剂为聚羧酸高效减水剂。根据试验目的，配制了3种不同水灰比的混凝土试样。表1为各组试样的具体配比。

表1 混凝土试样配合比 kg/m3

1.2 试验仪器

冲击试验试样的直径为50 cm，高度为35 cm。模具使用的是聚氯乙烯(PVC)圆管。待混凝土拌合物入模振动密实后静置24 h后脱模入水养护28 d。待试样完成养护后进行冻融循环试验。

冻融循环试验仪器为快速冻融机(如图1所示)。试样依据GB/T 50082—2009[15]开展，一次冻融循环所需时间为4 h，其中冻结温度为(-18±2) ℃，耗时3 h，溶解温度为(5±2)℃，耗时1 h。最高冻融循环次数设置为50次，每隔25次测试一次试样的动态力学性能。

动态力学性能试验所用SHPB仪器如图2所示。在试验前，先给试样的两个端面涂抹了凡士林，降低试样与SHPB杆件之间的摩擦力，然后将试样放置在两杆之间，调节试样轴心与接触杆轴心一致。为减小试验过程中波形产生弥散效应，经过多次尝试和比较，最终采用对折两次的A4纸对波形进行调整。

试验时，将冲击气压分别调整为0.40 MPa，0.50 MPa，0.60 MPa对混凝土试样进行了冲击压缩。为了保证试验数据的可靠性，相同工况下的试样开展了5次冲击试验。冲击试验后，收集破碎试样在标准振筛机上进行了筛分试验，筛分结果用以研究冻融后混凝土试样的冲击破碎分形特征。

1.3 试验原理

SHPB试验时，在杆件上布置了应变片。试验后根据测得的应变通过式(1)计算了冻融后混凝土试样的动态力学性能[16]：

(1)

其中，σ(t)为试样的应力；ε(t)为试样的应变；&(t)为试样的应变率；A0为杆件横截面积；C0为杆件中应力波速；E为杆件杨氏模量；As为试样横截面积；L为试样的长度；t为应力波持续时间。

2 试验结果与讨论

2.1 应力-应变曲线分析

SHPB冲击试验后试样的动态应力-应变曲线图如图3所示。由图3可知冻融后混凝土试样在冲击荷载作用下的应力-应变曲线的变化可分为弹性、屈服和破坏三个阶段。在第一阶段，应力与应变都呈增大趋势，曲线斜率基本恒定；在第二阶段，应力快速增长，应变略微增长，曲线斜率不断降低；在第三阶段，应力随应变的增大快速减小。

图3还表明当循环次数增大时，混凝土的峰值应力不断下降，试样的应力-应变曲线整体向右下方移动，说明试样的脆性增加。但当提高冲击气压时，混凝土的峰值应力又随之增大，说明试样的动态力学得到显著提升。

不同水灰比混凝土冻融后DIF变化规律见表2。

表2 不同水灰比混凝土冻融后DIF变化规律

2.2 动态抗压强度

图4为根据应力-应变曲线统计的动态抗压强度变化趋势。由图4可知，混凝土试样的动态抗压强度与冲击气压呈正相关关系，而与冻融循环次数则呈负相关关系。

考虑水灰比对冻融后混凝土试样的动态抗压强度的影响发现，当试样经受的冻融循环和冲击气压不变时，水灰比低的混凝土试样的动态抗压强度高于水灰比高的混凝土试样。

分析原因：反复的冻融过程在混凝土试样孔隙内部产生膨胀力和渗透力会导致孔隙不断的劣化，加速了试样内部裂隙的扩展程度，使得混凝土试样的动态抗压强度的降低。由于冲击荷载作用时间短，试样内部微裂纹会按照能量释放最快路径直接贯穿骨料[17]，从而使得试样的动态抗压强度有所提高。但是，水灰比较低的混凝土试样相比于水灰比较高的试样而言，其内部孔隙水较少，因而在冻融过程中产生膨胀力和渗透力也相对较小。因此试样的冻融损伤程度相对较弱，故而抗冲击性能较好，动态抗压强度较高。

为进一步探究不同水灰比混凝土冻融循环后动态抗压强度的变化机理，本文统计了混凝土试样动态强度增长因子(DIF，动态抗压强度与其静态抗压强度比值)，计算结果如表2所示。

由表2可知，反复冻融会导致混凝土在动态荷载作用下的受力性能不断退化。分析原因：冻融循环过程中试样内部孔隙水的反复冻结和融化会加速试样内部微裂纹的扩展，降低试样内部各相界面的黏结性和密实度，导致其抗冲击能力降低。以A组混凝土试样为例，在0.4 MPa的冲击气压下，当试样经历了50次冻融循环后，试样的DIF值为1.12，与25次循环相比降低了8.9%；在0.6 MPa的冲击气压下，当经历了50次循环后，试样的DIF值为1.38，与25次循环相比降低了15.85%。

此外，当冻融作用恒定不变时，试样的力学性能随着外部冲击荷载的增大而显著提高，表现出明显的应变率强化效应。以C组混凝土试样为例，冻融前，当冲击气压为0.6 MPa时，试样的DIF值为1.85，与在0.4 MPa和0.5 MPa的冲击气压下相比分别增长了20.92%和9.47%。在50次冻融循环后，C组试样的DIF值在0.6 MPa的冲击气压下为1.52，与在0.4 MPa和0.5 MPa的冲击气压下相比分别增长了28.8%和13.43%。应变率对试样动态抗压强度提高的原因在于冲击荷载下，初始裂纹没有足够的时间寻找试样内最为薄弱的界面进行发展，而是选择直接穿透阻碍其发展的骨料，导致试样发生粉碎性破坏(如图5所示)。相比于裂纹沿着界面缓慢扩展所消耗的能量而言，骨料破坏消耗的能量更多，这是造成混凝土试样在冲击荷载下动态抗压强度上升的主要原因。

同时，对比不同水灰比试样的DIF发现，水灰比较低的试样在相同冻融和冲击气压下的DIF值较高，这是因为冻融损伤主要是膨胀力和渗透力所致，水灰比较小的混凝土内部孔隙水较少，孔隙在冻结过程中承受的膨胀力及在溶解过程中承受的渗透力都相对较小，导致其冻融损伤程度较低，因此抗冲击能力较高。比如，较低水灰比的C组混凝土试样经历50次冻融后，在0.4 MPa冲击荷载作用下的DIF值为1.18，比水灰比较大的A组混凝土试样高5.36%；在0.6 MPa的冲击荷载下，试样的DIF值为1.52，比同等工况下的A组混凝土试样提高了10.14%。

2.3 冲击破碎分形特征

为了进一步研究水灰比对冻融后混凝土动态力学性能的影响，本文对冲击试验后混凝土试样的破碎块进行了筛分、统计和分形计算(如图6所示)，并根据分形维数的变化探讨了冻融循环作用后不同水灰比混凝土的冲击破碎损伤机理。

冲击荷载作用下混凝土碎片的分布满足式(2)要求[18]：

(2)

其中，r为粒径；rm为最大粒径；D为分形维数；Mr为小于r的破碎块质量；M为破碎试样质量。

因此，筛分后通过统计破碎块lnr-ln(Mr/M)曲线的斜率K(K=3-D)，便可得冻融后混凝土试样的动态冲击破碎分形维数D(D=3-K)。结果如图7所示。

由图7可知，随着冻融次数和冲击速率的增大，混凝土试样的冲击破碎分形维数不断增大。但在同等的外部荷载作用下(冻融次数与冲击速率不变)，低水灰比试样的分形维数比高水灰比试样的分形维数小。

混凝土微观结构的变化是其宏观力学性能变化的内因，而破碎形貌则是其宏观力学性能变化的。低水灰比试样内部各组分之间的黏结性能比高水灰比试样的黏结性能好(如图8所示)，因此其对外部冻融侵蚀的抵抗力强，冻融后在冲击荷载作用下的破碎程度小，分形维数小，说明低水灰比的混凝土试样具有更好的抗冲击能力，这与动态力学性能的计算结果一致。

3 结论

1)在冲击载荷下，冻融后混凝土试样的动态抗压强度、DIF值和分形维数随着冲击气压的增大而增大，这是因为在冲击荷载下，试样的破坏形态为裂隙贯穿骨料而导致的材料失效破坏，外部荷载越大，试样破碎程度越高，强度也就越高。

2)在冻融循环作用下，混凝土的动态抗压强度、DIF值和分形维数随着冻融循环次数的提高而降低，这是因为冻融循环会加速混凝土内部裂纹的扩展及界面的劣化，导致混凝土试样的抗冲击性能降低。

3)试样所处的冻融环境和外部冲击载荷相同时，水灰比较低的混凝土试样的动态抗压强度和DIF值较大，而分形维数则较小，这是因为水灰比较低的试样相对于高水灰比试样，在冻融过程中分别产生的裂隙膨胀张力和渗透力都较小，造成的内部损伤也较小，因此其抗冲击能力较高。