崔?健，鹿?羿，張惠申，蔡潤杰

飽和度對(duì)混凝土三軸抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)研究

崔?健1, 2，鹿?羿1，張惠申1, 2，蔡潤杰1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；2. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300350)

混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境非常復(fù)雜，其孔隙中自由水飽和度和受力狀態(tài)因服役環(huán)境不同而有較大的區(qū)別．為研究不同含水飽和度混凝土在三向受力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)，本文通過干燥、真空飽水、自然蒸發(fā)3個(gè)步驟制作了0、50%和100% 3種飽和度、2種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件．試驗(yàn)采用了長徑比2∶1的圓柱體和邊長50mm的立方體兩種形狀的試件．對(duì)總共60余個(gè)混凝土試件進(jìn)行了無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)和不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著飽和度的增加，混凝土材料的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且普通強(qiáng)度混凝土的下降幅度比高強(qiáng)度混凝土高；在圍壓條件下，不同含水飽和度的混凝土試件軸向抗壓強(qiáng)度均有所提高，普通強(qiáng)度混凝土的三軸強(qiáng)度比高強(qiáng)混凝土提高的幅度更大，且飽和度高的試件對(duì)側(cè)向壓力更為敏感，這主要是由于多向應(yīng)力條件下產(chǎn)生的孔隙水壓力作用；根據(jù)所得到的試驗(yàn)結(jié)果，基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了考慮飽和度影響的混凝土強(qiáng)度模型，用于指導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)在不同濕度服役環(huán)境下的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的可靠性.

混凝土；孔隙水；飽和度；三軸壓縮；抗壓強(qiáng)度

混凝土作為用量最大的建筑材料廣泛應(yīng)用于住宅、橋梁、大壩、交通樞紐等基礎(chǔ)設(shè)施中．混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間所處的自然環(huán)境復(fù)雜多樣，例如：干燥少雨的沙漠、潮濕的熱帶雨林或湖泊等．不同濕度環(huán)境下的混凝土材料飽和度有所差異，其力學(xué)特征也顯著不同．

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同含水率混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究．Yurtdas等[1]認(rèn)為潮濕環(huán)境下的混凝土強(qiáng)度會(huì)降低，但是彈性模量和泊松比會(huì)增加．劉保東等[2]發(fā)現(xiàn)同樣標(biāo)號(hào)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而降低，對(duì)于自然養(yǎng)護(hù)的試塊，抗壓強(qiáng)度隨含水量的增加而下降的速度大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊．鄧友生等[3]發(fā)現(xiàn)混凝土的極限應(yīng)變隨其含水率的增加而逐漸變大，呈現(xiàn)出一定“延性破壞”的特征．Zhao等[4]通過對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料(ultra high toughness cementitious composites，UHTCC)的研究發(fā)現(xiàn)了自由水對(duì)UHTCC準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度有軟化效應(yīng)，并且UHTCC的軟化系數(shù)受應(yīng)變速率的影響．王海龍?等[5-6]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下飽和混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，并認(rèn)為混凝土受壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力，從而對(duì)混凝土受壓性能產(chǎn)生影響，并使用斷裂力學(xué)的方法來探討濕態(tài)混凝土在承受單軸壓縮荷載時(shí)孔隙水壓力對(duì)混凝土開裂、擴(kuò)展和抗壓強(qiáng)度的影響．綜上所述，一般認(rèn)為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低，這主要是因?yàn)樗畬?duì)骨料界面的潤滑作用[7-9]以及水“楔入”作用加速了裂縫開展[10-11]．但是針對(duì)三軸應(yīng)力狀態(tài)下飽和度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響少有研究．Vu等[12]開展了偽三軸條件下混凝土材料的高壓力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在圍壓不是非常高的情況下(小于100MPa)含水率對(duì)其軸向抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響，但是在高圍壓下飽和混凝土的強(qiáng)度降低．

含水飽和度較高的大壩常處于高水壓狀態(tài)，跨海橋梁的橋墩受到船舶撞擊時(shí)也處于三向受力狀態(tài)，若使用正常環(huán)境下的混凝土強(qiáng)度理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有可能會(huì)出現(xiàn)安全隱患．因此，針對(duì)缺少考慮含水飽和度影響的混凝土強(qiáng)度模型的現(xiàn)狀，本研究使用真三軸試驗(yàn)機(jī)開展了兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在不同飽和度和不同圍壓下的試驗(yàn)．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了考慮飽和度的混凝土強(qiáng)度方程，為不同濕度環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考．

1?試件制備

為研究含水飽和度對(duì)不同強(qiáng)度混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響，本文使用了兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，即普通強(qiáng)度混凝土(ordinary strength concrete，OSC)和高強(qiáng)度混凝土(high strength concrete，HSC)．表1給出了兩種混凝土的配合比．OSC選用P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥，HSC選用P·O 52.5級(jí)硅酸鹽水泥．由于澆筑的混凝土試件截面尺寸較小，選用最大粒徑不超過8mm的連續(xù)級(jí)配的碎石作為粗骨料，細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.97．

表1?混凝土配合比

Tab.1?Mix proportion ofconcretes

本文中單軸壓縮試驗(yàn)的混凝土試件選用70mm×140mm的圓柱體試件及50mm×50mm×50mm的立方體試件，三軸壓縮試驗(yàn)選用50mm×50mm×50mm的立方體試件，如圖1所示．圓柱體試件制備時(shí)選用內(nèi)徑70mm、長度為150mm的PVC管作為模具，立方體試件則使用標(biāo)準(zhǔn)50mm立方體三聯(lián)塑料模具．澆筑后靜置24h后拆模，并放入溫度為22℃、相對(duì)濕度90%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d．圓柱體試件養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)其進(jìn)行切割、打磨平整至預(yù)定尺寸，立方體試件僅對(duì)澆筑面打磨．

圖1?不同形狀的混凝土試件

通過烘干、真空飽水和自然蒸發(fā)3個(gè)步驟，得到了飽和度為0、50%和100%的試件．為控制烘干過程中溫度對(duì)試件的影響，本試驗(yàn)采用對(duì)試件抗壓強(qiáng)度影響較小的105℃恒溫持續(xù)干燥48h的方法[13]，之后稱量其質(zhì)量．繼續(xù)干燥4～6h后再次稱重，若試件質(zhì)量不再改變則認(rèn)定試件達(dá)到完全干燥狀態(tài)．在完全烘干后，使用塑料薄膜將其密封，避免空氣中的水分與試件二次接觸．在所有試件均烘干至恒重后，記錄下試件干燥狀態(tài)質(zhì)量，記為dry，隨后進(jìn)行飽水操作以制備完全飽和的試件．考慮到使用常規(guī)浸泡法制備飽和試件所耗費(fèi)的時(shí)間漫長，且在此過程中混凝土內(nèi)部可能產(chǎn)生再次水化的現(xiàn)象[14-15]，以及無法保證試件內(nèi)部夾帶的空氣完全排出，試件很難達(dá)到真正的飽和狀態(tài)[16]．因此，本文使用了NEL-VJH型混凝土智能真空飽水機(jī)進(jìn)行飽水操作．試件達(dá)到完全飽和狀態(tài)后(繼續(xù)飽水質(zhì)量不再增加)，記錄下完全飽和混凝土的質(zhì)量sat，之后覆蓋上塑料薄膜防止水分散失．制備飽和度為50%的試件采用的是自然蒸發(fā)的方法．

(1) 隨機(jī)選取10個(gè)完全飽和試件稱量其質(zhì)量(完全干燥時(shí)的質(zhì)量已被記錄)并置于溫度約15℃、濕度低于40%的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行自然蒸發(fā)．

(2) 每隔8h對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將每次稱量的平均質(zhì)量記為m(＝1，2，…，10)，根據(jù)每次記錄的數(shù)據(jù)繪制混凝土自然蒸發(fā)的時(shí)間-質(zhì)量曲線，如圖2所示．

圖2?飽和混凝土自然蒸發(fā)質(zhì)量變化曲線

(3) 由飽和度計(jì)算公式(1)計(jì)算50%飽和度時(shí)試件質(zhì)量，并根據(jù)圖2查得自然蒸發(fā)至該質(zhì)量的時(shí)間，以此時(shí)間作為飽和混凝土自然蒸發(fā)至半飽和狀態(tài)時(shí)所需時(shí)間．最終得到飽和度分別為0、50%和100%的3種試件.

式中：為混凝土飽和度，%；為試件質(zhì)量，g．

2?試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

2.1?單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)使用YAW-2000D微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示．通過控制作動(dòng)器位移速度來保證準(zhǔn)靜態(tài)加載，最大量程為3000kN，位移加載速度可控制在0.1～200mm/min之間．本次試驗(yàn)采用0.5mm/min的加載速度，實(shí)際應(yīng)變率為5.95×10-5/s．

圖3?單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)置

2.2?三軸壓縮試驗(yàn)

靜態(tài)三軸試驗(yàn)在中南大學(xué)真三軸實(shí)驗(yàn)室完成，使用的是由中南大學(xué)和長春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司聯(lián)合研制的真三軸電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)．該系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、伺服控制器、加載器、傳感器等組成的閉環(huán)數(shù)控測(cè)試系統(tǒng)，可通過電腦控制實(shí)現(xiàn)3個(gè)主方向(、、3個(gè)正交方向)上獨(dú)立恒定的位移或力加載速率，如圖4所示．垂直()方向上的極限加載能力為3000kN，水平(和)方向?yàn)?000kN．三軸加載時(shí)首先對(duì)、、三軸同時(shí)進(jìn)行加載，加載速度為500N/s，當(dāng)圍壓達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值時(shí)停止加載并保持2min，然后將方向加載控制形式更換為位移控制，以0.1mm/min的速度對(duì)軸方向進(jìn)行豎向加載，直到試件破壞為止．

圖4?三軸加載

3?試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1?單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

每種工況的測(cè)試重復(fù)3次以減小試驗(yàn)誤差，圓柱體試件單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果詳見表2和圖5．表中編號(hào)各符號(hào)含義為：CQ表示準(zhǔn)靜態(tài)抗壓；O表示普通強(qiáng)度混凝土；H表示高強(qiáng)度混凝土；0、50、100分別代表飽和度為0、50%、100%；數(shù)字1表示該組第1次試驗(yàn)，依此類推．

表2?單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2?Results of uniaxial compression test

由圖5可以看出，混凝土試件的準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度隨著飽和度的增加而降低．考慮孔隙水影響的混凝土抗壓強(qiáng)度公式為

圖5?不同飽和度混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明，OSC在完全干燥狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為20.89MPa，比50%飽和度時(shí)的強(qiáng)度18.22MPa高14.65%，比100%飽和度時(shí)的強(qiáng)度17.13MPa高21.95%；對(duì)于HSC，當(dāng)飽和度從0增加到100%時(shí)，試件的單軸抗壓強(qiáng)度從51.94MPa下降到46.99MPa，降低了約10%．準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)中，自由水的存在顯著降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，這與國內(nèi)外學(xué)者的研究一致[1-3]．這主要是因?yàn)椋阂环矫?，自由水的存在降低了混凝土類材料顆粒間的摩擦作用[7-9]；另一方面，混凝土內(nèi)的自由水受壓縮流入裂縫尖端，形成類似于“楔形體楔入”作用，在裂縫尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，加快裂縫擴(kuò)展，降低了混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度[10-11]．

3.2?三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

表3 不同飽和度的普通強(qiáng)度混凝土在不同圍壓下的軸向強(qiáng)度

Tab.3 Axial strength of OSC with different saturations under different confining pressures

表4?不同飽和度的高強(qiáng)度混凝土在不同圍壓下的軸向強(qiáng)度

Tab.4?Axial strength of HSC with different saturations under different confining pressures

圖6和圖7給出了不同飽和度普通強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度混凝土試件在不同圍壓下的軸向強(qiáng)度關(guān)系，可以看出隨著圍壓的增加，混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度顯著增加，并且相比于HSC，OSC強(qiáng)度的壓力相關(guān)性更為顯著．不同飽和度混凝土圍壓下的軸向抗壓強(qiáng)度有明顯差異．普通強(qiáng)度完全干燥的混凝土試件在受到6MPa和12MPa的圍壓時(shí)，其軸向抗壓強(qiáng)度分別為57.46MPa和81.12MPa；而完全飽和的混凝土對(duì)圍壓效應(yīng)更加敏感，隨著圍壓增加到6MPa時(shí)，強(qiáng)度增加到59.77MPa，圍壓達(dá)到12MPa時(shí)，強(qiáng)度增加到91.69MPa．HSC同樣具有相似的規(guī)律．

需要說明的是，本研究對(duì)于無側(cè)限單軸強(qiáng)度采用了兩種混凝土試件，長徑比為2∶1的混凝土試件由于端部摩擦效應(yīng)更弱而強(qiáng)度低于立方體混凝土試?件[17]，為了與三軸抗壓強(qiáng)度的試件一致，本節(jié)分析采用立方體混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度．相較于圓柱體試件，立方體試件同樣表現(xiàn)出隨著飽和度的增加單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸下降的規(guī)律，飽和度由0提高到100%，OSC單軸抗壓強(qiáng)度下降了26.19%，HSC單軸抗壓強(qiáng)度下降了14.2%.下降幅值略高于圓柱體試件.

圖6 不同圍壓下普通強(qiáng)度混凝土軸向強(qiáng)度與飽和度關(guān)系

在三軸加載條件下飽和的混凝土對(duì)圍壓效應(yīng)更敏感，可能是因?yàn)榧虞d過程中孔隙里的自由水無法排出，產(chǎn)生了孔隙水壓力作用在孔壁上，相比空氣，水的壓縮產(chǎn)生的孔隙水壓力在一定程度上限制了混凝土基體向孔隙的塌縮變形，從而在宏觀上表現(xiàn)出強(qiáng)度的增加[18-19]，如圖8所示．另一方面，飽和混凝土的泊松比和彈性模量更高[1, 20]，這也可能是造成其圍壓下強(qiáng)度更高的原因．

圖7 不同圍壓下高強(qiáng)度混凝土軸向強(qiáng)度與飽和度關(guān)系

Vu等[12]的三軸試驗(yàn)研究認(rèn)為在圍壓低于100MPa的情況下，不同飽和度混凝土圍壓下的軸向強(qiáng)度區(qū)別不大，在高圍壓下，高飽和度的混凝土強(qiáng)度有所降低．其試驗(yàn)的最低圍壓為所用混凝土單軸強(qiáng)度的1.75倍，遠(yuǎn)高于本研究采用的側(cè)向壓力，高圍壓產(chǎn)生的高孔隙水壓力對(duì)水泥砂漿基體的水力劈裂作用可能是其強(qiáng)度降低的原因．另外，其試驗(yàn)采用的是圓柱形試件，加載速率也有明顯區(qū)別，與本文試驗(yàn)工況區(qū)別較大，也導(dǎo)致了其試驗(yàn)結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)論存在?差別．

圖8?圍壓作用下孔隙水壓力的產(chǎn)生

3.3?考慮飽和度影響的混凝土三軸抗壓強(qiáng)度模型

Richart等[21]基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則提出了混凝土三軸壓縮時(shí)軸向破壞強(qiáng)度公式，即

式中為常數(shù)．

圖9和圖10給出了不同飽和度的混凝土試件在三軸靜態(tài)加載條件下圍壓與軸向強(qiáng)度的關(guān)系．

按照式(4)，在進(jìn)行無量綱化處理后，擬合出不同飽和度下混凝土三軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，OSC在飽和度0、50%和100%時(shí)的O值分別為4.912、6.897和8.882，同樣不同飽和度HSC的H值分別為4.723、6.063和7.403．

通過對(duì)的線性插值，得到式(5)和式(6)為OSC分別在不同飽和度下的三軸抗壓強(qiáng)度公式，式(7)和式(8)為HSC分別在不同飽和度下的三軸抗壓強(qiáng)度公式．在本研究中通過參數(shù)可以考慮孔隙水的影響，孔隙水飽和度越高，值越大．根據(jù)參數(shù)還可以看出，OSC的三軸強(qiáng)度受飽和度的影響更大，這是因?yàn)镺SC的孔隙率高，在飽和狀態(tài)下含水量更大，因此其強(qiáng)度受飽和度影響更大．

式中：σtri,O為OSC三軸抗壓強(qiáng)度；σtri,H為HSC三軸抗壓強(qiáng)度．

圖10 不同飽和度高強(qiáng)度混凝土圍壓與軸向強(qiáng)度的關(guān)系

4?結(jié)?論

本文通過對(duì)OSC和HSC在0、50%和100%飽和度下的試件進(jìn)行靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)和靜態(tài)三軸壓縮試驗(yàn)，揭示了孔隙水對(duì)混凝土三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下．

(1) 飽和度的降低提高了混凝土靜態(tài)無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，且OSC更為明顯．從完全飽和到完全干燥，OSC單軸抗壓強(qiáng)度提高了約22%，HSC單軸抗壓強(qiáng)度提高了約11%．這主要是因?yàn)樽杂伤臐櫥饔煤褪艿綁嚎s后的“楔形體楔入”作用．

(2) 不同飽和度的混凝土都具有壓力敏感性．即隨著圍壓的增加，混凝土材料的軸向強(qiáng)度顯著增強(qiáng)．且在相同的圍壓條件下，隨著試件飽和度的增加，混凝土三軸抗壓強(qiáng)度提升幅度更為明顯，例如12MPa圍壓下100%飽和的OSC三軸強(qiáng)度比50%飽和的試件提高約6%．

(3) 在相同圍壓和飽和度的條件下，OSC的三軸抗壓強(qiáng)度相較于HSC提高幅度更大．這與OSC的孔隙率更高、在飽和狀態(tài)下自由水含量更大有關(guān)．

(4) 本研究提出了不同飽和度條件下普通強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)度混凝土在不同圍壓下的強(qiáng)度準(zhǔn)則，為復(fù)雜服役環(huán)境下混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考．

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Experimental Study on Influence of Saturation on Tri-Axial Compressive Strength of Concrete

Cui Jian1, 2，Lu Yi1，Zhang Huishen1, 2，Cai Runjie1

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300350，China)

The service environment of concrete structures is complex, and the free water saturation in pores and the stress state of concrete vary greatly due to different service environments. To study the mechanical properties of concrete with different water saturations under tri-axial loads, two grades of concrete specimens with 0, 50% and 100% saturations were fabricated by oven drying, vacuum suction and natural evaporation processes. Two forms of specimens were used, i.e., cylindrical specimens with a slenderness ratio of 2∶1 and cubic specimens with a side length of 50 mm. Uniaxial compressive tests without lateral confinements and tri-axial compressive tests under different confining pressures were carried out on more than 60 concrete specimens. Test results show that the uniaxial compressive strength of concrete gradually decreased with the growing saturation, and the decline degree of ordinary strength concrete (OSC) was higher than that of high strength concrete (HSC). Under confining pressures, the axial compressive strength of concrete specimens with different saturations all increased, the improvement in the triaxial strength of OSC was higher than that of HSC, and the specimens with high saturations were more sensitive to the lateral pressure, which was contributed to the effect of pore water pressure under the condition of multi-axial stress state. According to the obtained test data, a strength model of concrete which is based on the Mohr-Coulomb criterion and takes into account the influence of water saturation is established to guide the design of concrete structures under service environments with different humidities, thereby improving the reliability of structural design.

concrete；pore water；saturation；tri-axial compression；compressive strength

10.11784/tdxbz202209007

TU528

A

0493-2137(2023)08-0870-08

2022-09-06；

2022-10-28.

崔?健（1989—??），男，博士，副研究員，jian.cui@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

鹿?羿，luyi1680@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51908405).

the National Natural Science Foundation for Young Scholars of China(No. 51908405).

(責(zé)任編輯：武立有)