王靖榮，陳有亮,2，傅 喻

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.柏林工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用地質(zhì)研究所，柏林 10115-14199)

1 研究背景

混凝土作為工程中使用廣泛的多相復(fù)合材料，具有原材料豐富、價(jià)格低、施工工藝簡(jiǎn)易多變、節(jié)能高效和較高的耐久性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，同時(shí)它也是一種準(zhǔn)脆性材料，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，具有多尺度性[2]，研究混凝土耐久性一直是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的突出問題。1991年Mehta[3]在報(bào)告中提出：“混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞的主要原因包括：鋼筋的腐蝕、凍結(jié)、物理和化學(xué)作用。”由此可見，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性受凍害作用嚴(yán)重影響[4-5]。

我國北部及西部地區(qū)長期處于低溫環(huán)境，位于這些地區(qū)的混凝土建筑經(jīng)常不可避免地暴露于凍融條件下。在反復(fù)凍融作用下，混凝土易脹裂產(chǎn)生裂縫。裂縫一旦形成并逐漸擴(kuò)展，其強(qiáng)度、斷裂能等都會(huì)受到很大的影響，結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性能降低，造成寒冷地區(qū)邊坡工程、隧道工程、建筑物基礎(chǔ)工程等的凍害問題[6-7]。不僅如此，根據(jù)全國水工建筑物耐久性調(diào)查資料[8]，位于東部地區(qū)的建筑物也常受到凍害作用。

許多學(xué)者針對(duì)凍融環(huán)境下混凝土凍融損傷問題進(jìn)行了研究[9-13]，然而工作重點(diǎn)多數(shù)在宏觀層面上，對(duì)凍融作用后混凝土的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)以及其損傷劣化規(guī)律的研究還不多。但是凍融環(huán)境下混凝土的破壞過程主要源于初始缺陷微空隙及微裂縫的萌生、擴(kuò)展、貫通的裂化過程，其間伴隨著空氣中的 CO2、氯離子等在混凝土中的加速侵蝕，導(dǎo)致產(chǎn)生更寬的裂縫，形成了反復(fù)交替的耐久性損傷[14-15]。因此裂縫會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。故研究混凝土在凍融環(huán)境下的斷裂性能，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本文結(jié)合材料的宏觀力學(xué)特性以及細(xì)觀損傷特征，加強(qiáng)斷裂裂縫特性研究，分析其影響因素，探究混凝土凍融環(huán)境下的斷裂損傷破壞規(guī)律。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)所用原材料有上海海螺水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥；粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配的石灰石質(zhì)碎石，壓碎指數(shù)4.8%，表觀密度2 700 kg/m3；普通江砂，細(xì)度模數(shù)2.8，密度2 650 kg/m3；YSP萘系高效減水劑，減水效率18%，膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。

2.2 試件的制備

制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件共5組(編號(hào)為A～E)，每組20塊。其中，A、B、C、D、E組分別對(duì)應(yīng)相對(duì)切口深度a0/h為0、0.1、0.2、0.4、0.6的試件(切口深度以2倍確定，相對(duì)切口深度為0.6時(shí)達(dá)到容易質(zhì)變的點(diǎn))。試件組A～E用以探究相對(duì)切口深度對(duì)凍融環(huán)境下混凝土斷裂性能的影響。

根據(jù)傅喻等[16]的研究，選用合適的試件配合比(見表1)。按照不同相對(duì)切口深度a0/h、不同凍融循環(huán)次數(shù)n對(duì)試件進(jìn)行分組，分組情況及編號(hào)見表2。其中，數(shù)字0、25、50、75、100表示凍融循環(huán)次數(shù)，字母A、B、C、D、E分別表示相對(duì)切口深度為0、0.1、0.2、0.4、0.6。每組至少取4個(gè)試件作為平行試驗(yàn)，以減少因試塊離散型而造成的誤差。

按照表1的配比，計(jì)算用量并稱重；按規(guī)范順序?qū)⒃牧戏湃牖炷翑嚢铏C(jī)使其攪拌充分；將攪拌好的混凝土裝入模具，采用厚0.7 mm鋼板制作預(yù)制裂縫(因不規(guī)則的裂縫在試驗(yàn)中無法保證對(duì)照組之間的統(tǒng)一，為減少誤差，選用同一種規(guī)則的裂縫，將實(shí)際可能極限化)，鋼板兩側(cè)涂上潤滑油，插入模具，鋼板及預(yù)制裂縫試件示意圖如圖1所示。將混凝土振搗直至密實(shí)并置于試驗(yàn)室空氣中養(yǎng)護(hù)，24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中(溫度20±3℃，相對(duì)濕度90%以上)養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比

表2 試件分組及編號(hào)

圖1 鋼板及預(yù)制裂縫試件示意圖

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn) 凍融試驗(yàn)采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)KDR-V)。采用快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法依據(jù)規(guī)范要求：?jiǎn)未蝺鋈谘h(huán)所需時(shí)間為2～4 h，且用于試件融化的時(shí)間應(yīng)不少于整體時(shí)長的1/4。

凍融過程中,試件的中心溫度在(-18±2)～(5±2)℃之間，試件質(zhì)量損失率超過5%或其相對(duì)動(dòng)彈性模量小于60%時(shí)，停止試驗(yàn)。

2.3.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn) 試驗(yàn)采用SANS萬能試驗(yàn)機(jī)。在完成凍融循環(huán)試驗(yàn)后，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。將試塊沿著其長度方向兩邊緣75 mm處畫線，將其放在試驗(yàn)機(jī)下的兩個(gè)支撐柱上，畫線處與支撐柱對(duì)齊，并將試塊水平放置。以100 N/s的恒定速率對(duì)混凝土試件自動(dòng)施加連續(xù)荷載，直至試件開裂破壞，得到試件破壞時(shí)的峰值荷載Pmax。

2.3.3 裂縫的擴(kuò)展路徑觀察 利用掃描電子顯微鏡(SEM)和立體顯微鏡觀察凍融前后混凝土內(nèi)部微孔隙及微裂紋以及裂紋擴(kuò)展路徑，從微觀層面上闡明凍融作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷劣化機(jī)理。利用IPP軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理，分析在不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的孔隙率變化規(guī)律。將微缺陷和動(dòng)彈性模量作為混凝土損傷依據(jù)，定義損傷變量，建立混凝土的凍融損傷演化方程，探討凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土損傷的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 凍融循環(huán)后試件表觀劣化形態(tài)分析及混凝土質(zhì)量損失率

3.1.1 凍融循環(huán)后試件表觀劣化形態(tài)分析 凍融試驗(yàn)后不同深度切口的試件外觀破壞情況如圖2所示。由圖2可看出，在25次凍融循環(huán)后，混凝土表面幾乎完好，用肉眼只能觀察到有略微孔隙，無明顯變化；50次循環(huán)后，各試件表面微孔隙明顯增多；75次循環(huán)后，劣化開始明顯，表現(xiàn)為微裂縫產(chǎn)生、試件表面掉皮、微顆粒水泥漿脫落，導(dǎo)致試件表面粗糙；100次循環(huán)后出現(xiàn)微裂縫擴(kuò)展、表面掉渣、邊角缺失的現(xiàn)象，切口a0/h=0.4的試件在100次凍融循環(huán)后，在切口處出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。綜上所述，凍融循環(huán)次數(shù)越多，混凝土試件表觀劣化程度也越大，且凍融劣化形態(tài)呈現(xiàn)出多種形式相結(jié)合的特征。

圖2 不同切口深度的棱柱體試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下外觀損傷圖片

3.1.2 混凝土質(zhì)量損失率 混凝土質(zhì)量損失受凍融循環(huán)的影響主要體現(xiàn)在試件表面的剝落以及邊角的損壞。對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度棱柱體試件進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定，取各組平均值，計(jì)算質(zhì)量損失率，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，在25次凍融循環(huán)后，各切口深度的試件質(zhì)量損失均較小，在0.16%左右，與未凍融情況相差甚少；50次循環(huán)后，各組試件的質(zhì)量損失率略微增大，上升趨勢(shì)非常平緩，均在0.95%左右；75次循環(huán)后，A組及B組的損失率在2.2%，而C、D、E組的損失率在2.7%左右；100次凍融循環(huán)后，質(zhì)量呈現(xiàn)急劇變化，A、B組損失率分別為5.36%及5.61%，C組為7.52%，而D、E在8.30%左右。通過以上分析得到，凍融循環(huán)次數(shù)較少情況下，相對(duì)切口深度對(duì)混凝土的質(zhì)量損失影響較小。隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，相對(duì)切口深度越大，混凝土的質(zhì)量損失率越大。這說明帶有初始長裂縫的混凝土不適于長期作業(yè)于凍融環(huán)境下。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度混凝土質(zhì)量損失率

3.2 凍融環(huán)境下預(yù)制裂縫深度對(duì)混凝土斷裂性能的影響

3.2.1 抗彎強(qiáng)度 不同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同相對(duì)切口深度棱柱體的抗彎強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度損失率計(jì)算結(jié)果如表3所示，其關(guān)系曲線如圖4、5所示。100次凍融循環(huán)后，由于相對(duì)切口深度為0.6的試件已破壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度混凝土三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度混凝土抗彎強(qiáng)度

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度混凝土抗彎強(qiáng)度損失率

由圖4、5可以看出，凍融循環(huán)作用對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響非常明顯。在0次循環(huán)下，不同相對(duì)切口試件的抗彎強(qiáng)度都較為接近，在5.4 MPa左右。在25次循環(huán)作用后，相對(duì)切口為0的試件抗彎強(qiáng)度損失率在27%，而相對(duì)切口深度0.6試件的損失率已高達(dá)50%，說明切口的存在會(huì)導(dǎo)致試件抗彎強(qiáng)度損失率增大。凍融作用循環(huán)次數(shù)越大，抗彎強(qiáng)度越小，有預(yù)制裂縫的試件抗彎強(qiáng)度下降趨勢(shì)較接近，在50次循環(huán)前下降幅度較大。75次循環(huán)后，各試件的損失率平均高達(dá)80%，此時(shí)有無切口對(duì)試件抗彎強(qiáng)度的影響并不明顯。通過縱向比較可以發(fā)現(xiàn)，在0次凍融循環(huán)下，各試件的抗彎強(qiáng)度均在5 MPa左右，隨著循環(huán)次數(shù)增加至75次后，均下降至1 MPa以下，各試件抗彎強(qiáng)度損失率變化規(guī)律相近。說明凍融作用對(duì)于混凝土抗彎性能有較顯著的影響，且其傷害作用呈現(xiàn)先急后緩的趨勢(shì)；在凍融循環(huán)狀態(tài)下，有無初始裂縫對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定影響，其影響在凍融初期比較明顯，而相對(duì)切口深度的變化對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響并不顯著。

3.2.2 斷裂韌度 計(jì)算所得斷裂韌度數(shù)據(jù)詳見表4。試件斷裂韌度與凍融循環(huán)次數(shù)以及試件相對(duì)切口深度關(guān)系曲線如圖6、7所示。根據(jù)斷裂韌度，以各組0次凍融為對(duì)照組，求得各凍融循環(huán)次數(shù)下試件斷裂韌度損失率，如表5所示，其關(guān)系曲線見圖8。

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度試件斷裂韌度 (MPa·m1/2)

表5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度試件斷裂韌度損失率 %

圖6 混凝土斷裂韌度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖7 混凝土斷裂韌度與相對(duì)切口深度關(guān)系曲線

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同相對(duì)切口深度混凝土斷裂韌度損失率

通過圖6、8可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的斷裂韌度不斷減小。在25次循環(huán)時(shí)，減小趨勢(shì)較大，其中，相對(duì)切口深度0.4、0.6的試件損失率高達(dá)近50%。25次凍融循環(huán)后，試件斷裂韌度持續(xù)減小，但減小速率逐漸降低，50次循環(huán)時(shí)的試件斷裂韌度在25次循環(huán)后的基礎(chǔ)上損失了30%左右。50次循環(huán)后，斷裂韌度減小幅度呈現(xiàn)出線性狀態(tài)，以10%左右的損失率遞減，100次循環(huán)后，斷裂韌度均減小90%以上。這說明凍融環(huán)境對(duì)于混凝土試件的斷裂韌度具有重要影響，循環(huán)次數(shù)越多，斷裂韌度越小。

通過圖7可以看到，在無凍融循環(huán)條件下，不同相對(duì)切口試件的斷裂韌度相差不大，均在1.25 MPa·m1/2左右，只有0.6相對(duì)切口試件略微偏小。在50次凍融循環(huán)次數(shù)后，隨著相對(duì)切口深度的增加，斷裂韌度無明顯增減變化，整體穩(wěn)定于同一水平線上。這說明在凍融環(huán)境下，0.6及以下相對(duì)切口深度對(duì)混凝土斷裂韌度無明顯影響，也就是斷裂韌度是材料本身固有斷裂特性的表征，與初始裂縫深度無關(guān)。

3.2.3 斷裂韌度與抗彎強(qiáng)度相關(guān)性分析 以往的研究表明,混凝土材料強(qiáng)度與韌度之間存在著一定的聯(lián)系，斷裂韌度與強(qiáng)度參數(shù)的相關(guān)性研究具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。根據(jù)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),描繪出不同相對(duì)切口深度試件的斷裂韌度與抗彎強(qiáng)度曲線關(guān)系,如圖9所示。

圖9 不同相對(duì)切口深度混凝土抗彎強(qiáng)度與斷裂韌度關(guān)系及擬合曲線

由圖9可看出，斷裂韌度KICn與抗彎強(qiáng)度Rn呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，不同相對(duì)切口深度的擬合關(guān)系式如公式(1)～(4)。

a0/h=0.1試件擬合關(guān)系式：

KICn=0.2295Rn+0.0045R2=0.9978

(1)

a0/h=0.2試件擬合關(guān)系式：

KICn=0.2515Rn-0.0011R2=0.9998

(2)

a0/h=0.4試件擬合關(guān)系式：

KICn=0.2407Rn+0.000003R2=1

(3)

a0/h=0.6試件擬合關(guān)系式：

KICn=0.2041Rn-0.00007R2=1

(4)

因此,在實(shí)際工程中,可以根據(jù)易于測(cè)得的抗彎強(qiáng)度Rn來估算斷裂韌度KICn，用以評(píng)估混凝土抵抗脆性斷裂的能力。

3.3 凍融環(huán)境下混凝土細(xì)微觀結(jié)構(gòu)及損傷分析

3.3.1 混凝土細(xì)觀分析 為研究?jī)鋈谘h(huán)作用后混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，用顯微鏡對(duì)其進(jìn)行表觀結(jié)構(gòu)的觀察,結(jié)果見圖10。

通過圖10可以發(fā)現(xiàn)，混凝土表面有大量的孔洞存在,這些孔洞代表了試件所受損傷的程度,孔洞的數(shù)量越多、尺寸越大，受到的凍融損傷也就越大。在0次凍融循環(huán)下，不同水灰比試件表面相對(duì)平整，均分布著少量孔隙，其數(shù)量及大小沒有明顯差異。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，25次凍融時(shí)，試件表面的孔洞的數(shù)量明顯增多且尺寸變大,即所受的損傷增大。說明隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土表面的孔隙數(shù)量增多且尺寸增大。

3.3.2 混凝土微觀分析 為研究混凝土遭受凍融循環(huán)作用后的微觀結(jié)構(gòu)變化，對(duì)破壞后碎片進(jìn)行SEM電鏡掃描，探究其內(nèi)部微裂紋及孔隙結(jié)構(gòu)特征變化。圖11為混凝土試件在不同循環(huán)次數(shù)作用后兩種放大倍數(shù)(×100、×2000)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀圖。

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土表面細(xì)觀圖

圖11 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀圖

通過對(duì)圖11(a)、11(c)、11(e)的比較可以直觀地發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件孔隙增多且擴(kuò)大，密集處形成貫通微裂縫。在2000倍觀察下，可以清晰看到微裂縫集中、不同尺寸微裂縫開展、未水化產(chǎn)物粘結(jié)面開裂等現(xiàn)象，如圖11(b)、11(d)、11(f)所示。這說明凍融循環(huán)作用下混凝土材料的細(xì)觀損傷過程是循序漸進(jìn)的，可歸結(jié)為：微孔隙受孔隙水作用→孔隙體積膨脹→凍脹力作用于孔隙周圍→孔隙增多變大→表面微裂紋萌生→試件表面掉渣、表皮剝落→微裂紋擴(kuò)展、貫通→結(jié)構(gòu)松散。

為了更好地說明混凝土凍融環(huán)境下微觀損傷演化過程，運(yùn)用軟件IPP(Image-Pro Plus)對(duì)各水灰比試件SEM微觀圖像進(jìn)行處理，用以定量地分析凍融環(huán)境下水灰比對(duì)混凝土孔隙率的影響，以探究混凝土凍融損傷狀況。求得不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的孔隙率，如表6所示。由表6可看出，隨著凍融次數(shù)由0次增加至100次，混凝土孔隙率逐漸增大，試件孔隙率由2.295%增大到5.288%，說明凍融作用會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙率造成顯著影響，孔隙率越高，凍融環(huán)境下混凝土遭受的損傷也越嚴(yán)重。所得結(jié)果與肉眼觀察、顯微鏡細(xì)觀觀察、SEM微觀觀察等結(jié)果一致。

表6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件孔隙率 %

3.3.3 混凝土損傷演化分析

(1)基于微缺陷面積的凍融損傷演化。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，損傷變量是描述材料損傷狀態(tài)的場(chǎng)變量，它可以根據(jù)損傷過程來定義，用以建立材料損傷演化方程，反映其真實(shí)損傷狀態(tài)。在微觀層面，損傷是產(chǎn)生非連續(xù)的微表面；在細(xì)觀上，任一平面的微孔隙形態(tài)或斷裂鍵數(shù)目都能近似于微缺陷在這個(gè)平面上的截面積。因此，可用細(xì)觀體積單元微缺陷的失效效應(yīng)來表征損傷變量。根據(jù)損傷力學(xué)理論的定義，可建立以下?lián)p傷評(píng)價(jià)公式：

(5)

式中：DSn為n次凍融循環(huán)時(shí)混凝土損傷變量；S0為細(xì)觀體積單元原始截面積；Sn為細(xì)觀體積單元n次凍融循環(huán)后微孔隙截面積。

結(jié)合IPP軟件分析結(jié)果，可得到S0、Sn。根據(jù)公式(5)，計(jì)算求得混凝土損傷變量DSn，見表7。凍融循環(huán)次數(shù)與損傷變量關(guān)系如圖12所示。

表7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件損傷變量(W/C=0.4)

圖12 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土損傷變量變化曲線

如圖12所示，混凝土試件(W/C=0.4)在不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下基于微孔隙的損傷變量DSn與凍融循環(huán)次數(shù)n之間的擬合關(guān)系式如下：

DSn=-0.000002n2+0.0005n+0.0229

(6)

R2=1

根據(jù)圖12可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)觀層面上混凝土在初始未凍融條件下就帶有初始缺陷，它與其制作過程及本身材料特性有一定的關(guān)系。根據(jù)擬合關(guān)系式(6),可以看出凍融循環(huán)次數(shù)與混凝土損傷變量之間滿足二次多項(xiàng)式的函數(shù)關(guān)系，且完全擬合。

(2)基于動(dòng)彈性模量的凍融損傷演化?；炷梁懈鞣N類型的微裂縫與微孔洞，它們可以被看成分布在材料內(nèi)部的損傷場(chǎng)。經(jīng)過凍融循環(huán)作用,微缺陷開始萌生、發(fā)展，產(chǎn)生不可逆的變化，使混凝土材料的整體強(qiáng)度、剛度、韌度等宏觀力學(xué)性能以及剩余使用壽命降低。凍融作用下混凝土結(jié)構(gòu)失效的實(shí)質(zhì)為內(nèi)部逐漸劣化的過程,其失效機(jī)理與材料的損傷特點(diǎn)相關(guān)。

假設(shè)在凍融環(huán)境下,混凝土材料內(nèi)部的微缺陷分布及變化為均勻且各向同性。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，由于凍結(jié)和融化的重復(fù)作用,降低了混凝土損傷階段中的動(dòng)彈性模量,故其內(nèi)部的變化特征可以用混凝土動(dòng)彈性模量的變化來表征。宏觀層面上以動(dòng)彈性模量代表損傷變量,在凍融循環(huán)過程中便能夠通過混凝土動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律來分析并對(duì)比其內(nèi)部的劣化現(xiàn)象。

由損傷力學(xué)理論[19]可知,損傷變量定義為公式(7):

(7)

式中：Dn為n次凍融循環(huán)后混凝土損傷變量；Ed0為未凍融循環(huán)時(shí)試件彈性模量；Edn為n次凍融循環(huán)后試件彈性模量。

試件凍融循環(huán)試驗(yàn)前后的彈性模量可采用V-METERⅢ型超生脈沖速度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)混凝土試件測(cè)量?jī)山M對(duì)立面，得出兩個(gè)彈性模量數(shù)值并取平均值。

測(cè)得試件凍融前后彈性模量，根據(jù)公式(7)求得基于彈性模量的混凝土損傷變量，見表8。凍融循環(huán)次數(shù)與損傷變量關(guān)系與其擬合曲線如圖13所示。

表8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件損傷變量(a0/h=0)

圖13 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土損傷變量變化曲線

圖13表示混凝土試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下基于彈性模量的損傷變量Dn與凍融循環(huán)次數(shù)n之間的擬合曲線，兩者之間的擬合關(guān)系式如下：

Dn=-0.0000007n3+0.0001n2+0.0044n-0.0017R2=0.9994

(8)

由式(8)可以看出凍融循環(huán)次數(shù)與混凝土損傷變量之間滿足三次多項(xiàng)式的函數(shù)關(guān)系,且擬合關(guān)系式的相關(guān)性高。

由表8及圖13可知，隨著凍融循環(huán)的作用，混凝土損傷變量Dn增大。100次循環(huán)后，a0/h=0試件的損傷變量達(dá)到0.7左右。說明凍融環(huán)境的影響會(huì)加劇混凝土的損傷狀況。

4 結(jié) 論

(1)混凝土凍融循環(huán)損傷是初始缺陷發(fā)展、劣化并累積的過程；凍融循環(huán)次數(shù)增大，混凝土?xí)尸F(xiàn)出微缺陷擴(kuò)展貫通、表面骨料脫落、表皮剝落、邊角缺失等多種形式循序漸進(jìn)的損傷劣化及破壞模式。

(2)凍融循環(huán)次數(shù)越多，混凝土的質(zhì)量損失率越大；在同一循環(huán)次數(shù)下，混凝土相對(duì)切口深度越大,質(zhì)量損失就越嚴(yán)重。

(3)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，混凝土的斷裂裂紋由預(yù)制切口尖端起裂，向中心加載點(diǎn)延伸，貫通整個(gè)試件后導(dǎo)致破壞，擴(kuò)展路徑呈現(xiàn)出不規(guī)則曲折型。凍融循環(huán)次數(shù)和相對(duì)切口深度對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑無明顯影響。然而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，斷裂裂紋寬度增加，破壞時(shí)間明顯縮短。

(4)混凝土抗彎強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低；在凍融循環(huán)狀態(tài)下，有無初始裂縫對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定影響，其影響在凍融初期比較明顯，而相對(duì)切口深度變化對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響并不顯著。

(5)隨著凍融循環(huán)作用的進(jìn)行，混凝土斷裂韌度降低，抵抗脆性斷裂的能力減弱；在同一循環(huán)次數(shù)條件下，斷裂韌度隨相對(duì)切口深度的增大則無明顯增減變化。說明斷裂韌度是材料本身固有的斷裂表征。混凝土斷裂韌度和抗彎強(qiáng)度具有良好的線性相關(guān)性。在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用易于測(cè)得的抗彎強(qiáng)度來估算斷裂韌度。

(6)通過顯微鏡及SEM觀察混凝土表面與斷裂面情況，可以發(fā)現(xiàn)凍融次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致混凝土表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)微孔隙和微裂縫逐漸增多乃至貫通，凍融損傷加劇。

(7)根據(jù)混凝土的損傷理論,定義了混凝土基于微缺陷及動(dòng)彈性模量的損傷變量。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合了凍融環(huán)境下?lián)p傷變量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系式。