梁 甲，王乾峰，張修文，肖 洋

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者以孔隙水為切入點(diǎn)，開(kāi)展了孔隙水壓作用和含水量的變化對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的研究。王海龍等[1]研究了孔隙水對(duì)濕態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度影響，結(jié)果表明孔隙水壓力削弱了混凝土的抗壓強(qiáng)度和開(kāi)裂應(yīng)力；杜守來(lái)等[2]開(kāi)展了不同孔隙水壓對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)；劉博文等[3-4]研究了混凝土在循環(huán)孔隙水壓力下的力學(xué)性能及損傷破壞特性；Chen等[5]對(duì)干燥和飽水狀態(tài)的混凝土進(jìn)行了真實(shí)水環(huán)境下的加載試驗(yàn)；李慶斌等[6]為了研究濕度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了干燥和飽和兩種濕度混凝土的三軸壓縮試驗(yàn)；Liu等[7]研究了混凝土含水量對(duì)靜態(tài)壓縮彈性模量的影響；杜修力等[8]基于三相球模型理論和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則推導(dǎo)得到了飽和混凝土的有效體積模量與孔隙率間的關(guān)系，以及飽和混凝土的有效抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與孔隙率之間的關(guān)系；Rossi[9]考慮含水量和應(yīng)變率因素建立了飽和混凝土拉伸斷裂強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型；汪瀟等[10]研究了不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土靜態(tài)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土強(qiáng)度先增后減；崔正龍等[11]研究了粉煤灰摻量對(duì)不同骨料混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰對(duì)混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不斷降低。

混凝土在微觀層次上是由骨料、砂漿、孔隙和微裂紋組成的典型多孔多相材料，孔徑大小分布跨越了宏觀、微觀和細(xì)觀，粉煤灰的加入會(huì)使混凝土的孔徑細(xì)化[12]。在水環(huán)境中，粉煤灰混凝土受到動(dòng)荷載作用時(shí)，小孔中的孔隙水引起的黏滯應(yīng)力相比于普通混凝土更加顯著[9]，更容易產(chǎn)生超孔隙水壓力，進(jìn)而影響混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

從以上分析可知，在大氣自然環(huán)境中，水環(huán)境因素、粉煤灰摻量對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響較大，但目前關(guān)于水圍壓環(huán)境中粉煤灰混凝土力學(xué)特性的研究幾乎沒(méi)有。為此，本文開(kāi)展了粉煤灰摻量為0、20%和40%的混凝土試件在恒定水圍壓（1、3和5 MPa）作用下的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件制備

本試驗(yàn)中混凝土試件尺寸Φ150 mm×300 mm。水泥選用宜昌三峽水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能符合普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)；細(xì)骨料選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.3；粗骨料是5～40 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，包含粒徑5～20 mm的小石與粒徑20～40 mm的中石；拌合水為飲用自來(lái)水；減水劑選用萘系高效減水劑；粉煤灰采用I級(jí)灰，其摻量分別為0、20%和40%?；炷恋乃z比為0.45。

混凝土采用機(jī)械攪拌，先干拌后濕拌，攪拌完成后將混凝土倒入鋼模，在自然條件下靜置24 h后拆模編號(hào)，并將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，再放置大氣環(huán)境中養(yǎng)護(hù)62 d。對(duì)于粉煤灰摻量為0、20%和40%的不同孔隙結(jié)構(gòu)混凝土分別命名為F00、F20和F40。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用三峽大學(xué)的10 MN大型多功能液壓伺服靜動(dòng)力三軸儀，對(duì)混凝土試件進(jìn)行水飽和力學(xué)加載。利用圍壓桶使混凝土水飽和，其最大圍壓和最大孔隙水壓力值為30 MPa，通過(guò)加載框架系統(tǒng)對(duì)混凝土試件進(jìn)行力學(xué)加載，豎向最大動(dòng)、靜力負(fù)荷分別為5 000和10 000 kN。通過(guò)電腦系統(tǒng)可以獨(dú)立控制圍壓桶的水壓力和軸向的加載速率，保證加載水壓力變化幅度小于0.01 MPa，軸向控制的應(yīng)變速率恒定，其變化范圍為 10?5/s～10?2/s，關(guān)于設(shè)備的更多詳細(xì)情況見(jiàn)文獻(xiàn) [3-4]。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)主要分為如下3個(gè)步驟：

(1)大氣環(huán)境下飽水。將打磨后的試件放入容器中注水，每24 h注入3 cm高的水，直到水面高出整個(gè)混凝土頂面3 cm，消除混凝土內(nèi)部氣泡。

(2)含水量試驗(yàn)。將大氣環(huán)境下飽水的混凝土試件安裝后密封圍壓桶，再將圍壓桶充滿水反復(fù)開(kāi)關(guān)排水閥排除空氣。通過(guò)水圍壓控制系統(tǒng)，使圍壓到達(dá)設(shè)定值（1、3和5 MPa），并維持恒定18 h，此時(shí)通過(guò)伺服電機(jī)水泵推送到圍壓桶內(nèi)的水體積幾乎為0，可認(rèn)為水壓力使混凝土內(nèi)部飽和，伺服電機(jī)水泵在18 h內(nèi)推送到圍壓桶內(nèi)的水體積即混凝土體積含水量。

(3)力學(xué)加載試驗(yàn)。先施加 20 kN 的初始荷載，按目標(biāo)設(shè)定的應(yīng)變速率（10?5、10?4、10?3和 10?2/s）加載，直至試樣完全破壞。加載過(guò)程保持圍壓穩(wěn)定，其變幅控制在0.01 MPa以內(nèi)；對(duì)干燥無(wú)水壓試驗(yàn)，直接按設(shè)定的應(yīng)變速率對(duì)試件單軸加載。

2 粉煤灰摻量對(duì)混凝土含水量的影響

2.1 不同粉煤灰摻量混凝土的含水量分析

采用混凝土在水圍壓條件下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所吸收水的體積表示混凝土的含水量特征，并定義混凝土在自然飽水狀態(tài)下的含水量為0，通過(guò)試驗(yàn)得到3種粉煤灰混凝土在不同水圍壓下（0、1、3和5 MPa）的含水量見(jiàn)表1，由表1可以得出以下結(jié)論：

(1)在相同水圍壓條件下，F(xiàn)00混凝土含水量最大，F(xiàn)40混凝土含水量次之，F(xiàn)20混凝土含水量最小。

表1 不同水圍壓下的混凝土含水量Tab. 1 Water contents of concrete under different confining pressures

(2)當(dāng)粉煤灰摻量相同時(shí)，含水量隨著水圍壓增加而增加。在水圍壓較低（1 MPa）時(shí)，混凝土含水量增加顯著；在水圍壓較高（3和5 MPa）時(shí)，混凝土含水量增幅減小。水圍壓為3 MPa時(shí)，F(xiàn)00、F20和F40混凝土含水量相比1 MPa時(shí)，含水量增長(zhǎng)率分別為?0.3%、14.8%和14.0%；而在水圍壓為5 MPa時(shí)，F(xiàn)00、F20和F40混凝土含水量相比其在3 MPa水圍壓時(shí)分別增長(zhǎng)20.1%、82.3%和16.4%。

2.2 含水量機(jī)理分析

混凝土的含水量與混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知3種粉煤灰混凝土的總孔隙率大小關(guān)系為F00>F20>F40，但從表1可以發(fā)現(xiàn)，在相同水圍壓條件下，有F00> F40> F20，出現(xiàn)這種情況主要原因是在粉煤灰摻量較高（40%）時(shí)，一部分粉煤灰填充到孔隙中，另一部分粉煤灰作為混凝土組成的材料，而粉煤灰自身的吸水率比水泥的吸水率大[13]，即使混凝土的孔隙率下降，但含水量卻不斷增加。

依據(jù)表1中3種粉煤灰混凝土在不同圍壓下的含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合含水量ws與水圍壓P的關(guān)系見(jiàn)式（1）。

式中：a1、a2和a3均為擬合方程常數(shù)。F00混凝土的參數(shù)a1=19.04，a2=?7.64，a3=0.88，F(xiàn)20 混凝土的參數(shù)a1=7.86，a2=?3.21，a3=0.41，F(xiàn)40混凝土的參數(shù)a1=13.93，a2=?5.23，a3=0.59。

圖1為3種粉煤灰混凝土在不同圍壓下含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線。

由圖1可知，式（1）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，可用于不同粉煤灰混凝土在不同圍壓下的含水量預(yù)測(cè)。由圖1還可知，當(dāng)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)相同時(shí)，隨著水圍壓的增加，混凝土的含水量先增加后減小再顯著增加。

圖1 不同圍壓下含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig. 1 Experimental data and fitting curves under different confining pressures

3 粉煤灰摻量對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響

3.1 不同粉煤灰摻量混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析

通過(guò)試驗(yàn)得到3種粉煤灰混凝土在不同應(yīng)變速率（10?5、10?4、10?3和 10?2/s）、不同加載環(huán)境（干燥組和水圍壓1、3和5 MPa）下的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2。

從表2可以發(fā)現(xiàn)：隨應(yīng)變速率的增加，3種粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度增大，且在水圍壓為5 MPa時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加最顯著。為了表述水圍壓、應(yīng)變速率對(duì)不同孔隙結(jié)構(gòu)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響，將混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下強(qiáng)度增加值與含水量的比值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)研究水圍壓與不同孔隙結(jié)構(gòu)混凝土率效應(yīng)之間的關(guān)系，其計(jì)算式如式（2）。

式中：ΔVd為混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增加值與混凝土含水量的比值，其含義是單位體積含水量所對(duì)應(yīng)的混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增加值；Δσ為相同水圍壓下，混凝土在動(dòng)態(tài)荷載下的強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)下的強(qiáng)度差值；σd、σs分別為動(dòng)態(tài)荷載下的強(qiáng)度和準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度。

表2 不同圍壓和應(yīng)變速率下混凝土的抗壓強(qiáng)度Tab. 2 Compressive strength of three kinds of fly ash concrete under different confining pressures and different strain rates

對(duì)表2和表1數(shù)據(jù)按式（2）處理，得到3種粉煤灰混凝土在不同應(yīng)變速率下的ΔVd值，其變化趨勢(shì)如圖2。

從圖2可以看出，在不同圍壓下，3種粉煤灰混凝土的ΔVd值隨應(yīng)變速率的增加而增加；在高水圍壓（3和5 MPa）下，3種粉煤灰混凝土ΔVd值隨應(yīng)變速率增加成近線性增長(zhǎng)，且在水圍壓5 MPa時(shí)，3種粉煤灰混凝土的ΔVd值隨應(yīng)變速率變化無(wú)顯著差異。

圖2 不同圍壓下3種粉煤灰混凝土ΔVd值試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig. 2 Experimental data and fitting curves of ΔVd values of three kinds of fly ash concrete under different confining pressures

從圖2（a）可以看出，在水圍壓為1 MPa時(shí)，3種粉煤灰混凝土的ΔVd值隨應(yīng)變速率的增加而增加，在應(yīng)變速率小于10?3/s時(shí)，3種粉煤灰混凝土的ΔVd值隨應(yīng)變速率變化差異不大，但在應(yīng)變速率大于10?3/s時(shí)，3種粉煤灰混凝土的ΔVd值隨應(yīng)變速率變化差異顯著。在水圍壓為1 MPa、應(yīng)變速率為10?3/s時(shí)，相比于加載速率為10?4/s，F(xiàn)00、F20和F40混凝土的ΔVd值增長(zhǎng)率分別為32.4%、44.7%和64.6%；在水圍壓為1 MPa、應(yīng)變速率為10?2/s時(shí)，相比于加載速率為10?3/s，F(xiàn)00、F20和F40混凝土的ΔVd值增長(zhǎng)率分別為?2.1%、294.6%和3.7%。

3.2 擬合分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合ΔVd與 lg ε˙的預(yù)測(cè)方程見(jiàn)式（3），擬合方程參數(shù)見(jiàn)表3。

式中：A、B和C均為擬合方程常數(shù)。

表3 不同水圍壓下3種粉煤灰混凝土ΔVd與lgε˙的擬合參數(shù)Tab. 3 Fitting parameters of ΔVd and lgε˙ of three kinds of fly ash concrete under different water confining pressures

圖2為不同圍壓下3種粉煤灰混凝土ΔVd值試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線。由圖2可知，式（3）計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，可以用于不同水圍壓下不同粉煤灰混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下的ΔVd值預(yù)測(cè)。由圖2還可知，在不同圍壓下，粉煤灰混凝土的ΔVd值與lg成二次關(guān)系，且隨著應(yīng)變速率的增大，F(xiàn)20的ΔVd值增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大，F(xiàn)00和F40的ΔVd值增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小。

將式（1）和（3）代入到式（2）中得到混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增加值Δσ、應(yīng)變速率ε、水圍壓P之間的關(guān)系如式（4）。

3.3 力學(xué)機(jī)理分析

根據(jù)表3和圖2可知，相比于應(yīng)變速率為10?3/s時(shí)的情況，在應(yīng)變速率為10?2/s時(shí)，F(xiàn)20混凝土對(duì)應(yīng)的ΔVd值在水圍壓為1、3和5 MPa分別提高294.6%、56.8%和88.1%，增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于同條件下F00和F40混凝土，主要原因是F20混凝土的粗毛細(xì)孔和氣孔率最低，最密實(shí)，含水量也最低。根據(jù)Stefan效應(yīng)[9]推導(dǎo)得到的黏滯應(yīng)力（如式（5）），可知同一單位體積的孔隙水其形態(tài)越扁平，高寬比越小，所能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力學(xué)效應(yīng)越大。當(dāng)應(yīng)變速率越高，其孔隙水所能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力學(xué)效應(yīng)也最大，故在應(yīng)變速率為10?2/s時(shí)，F(xiàn)20混凝土強(qiáng)度顯著增加。

式中：σv為黏滯應(yīng)力；V為流體的體積；?為液體的黏滯系數(shù)；h為裂縫間距離；為裂縫開(kāi)裂速度。

在水圍壓為1 MPa時(shí)，從圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)00和F40混凝土的ΔVd值隨應(yīng)變速率變化規(guī)律一致，但F00混凝土的ΔVd值低于F40混凝土。主要原因是粉煤灰摻量為40%時(shí)，粉煤灰除了填充孔隙外，還要作為混凝土的組成成分，當(dāng)混凝土在受到動(dòng)態(tài)加載時(shí)，粉煤灰自身表現(xiàn)出類似水泥一樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，使得F00和F40混凝土的ΔVd值的變化趨勢(shì)一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究對(duì)水圍壓環(huán)境下的3種摻量粉煤灰的混凝土進(jìn)行了含水量試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了混凝土含水量的變化規(guī)律、應(yīng)變速率和水圍壓對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加值的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在相同水圍壓條件下，F(xiàn)00混凝土含水量最大，F(xiàn)40混凝土含水量次之，F(xiàn)20混凝土含水量最小。

（2）在粉煤灰摻量相同時(shí)，混凝土的含水量隨著水圍壓的增加呈現(xiàn)出先增加后減小再顯著增加的變化規(guī)律，二者表現(xiàn)為三次函數(shù)關(guān)系。

（3）在相同水圍壓條件下，隨著應(yīng)變速率的提高，F(xiàn)00混凝土和F40混凝土中單位體積含水量所引起的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加值（ΔVd）的增長(zhǎng)緩慢，而F20混凝土的ΔVd增長(zhǎng)較快，且水圍壓條件下粉煤灰混凝土的ΔVd與應(yīng)變速率對(duì)數(shù)（lg）之間的關(guān)系可以用二次函數(shù)表示。