葉中豹，潘 銳

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

在工程實(shí)踐中，鋼纖維混凝土材料可能受循環(huán)加卸載作用以及水下結(jié)構(gòu)工程中受水的浸泡。如，風(fēng)荷載作用下的高層建筑物、飛機(jī)起降時(shí)的鋼纖維混凝土跑道、水流沖擊的水庫(kù)壩體等。因此，研究鋼纖維混凝土飽水處理后的力學(xué)特性，循環(huán)加卸載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的滯回環(huán)特性以及滯回環(huán)與耗散能的關(guān)系，對(duì)提高鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的安全性有重要意義。

目前，相關(guān)混凝土類(lèi)材料已通過(guò)試驗(yàn)建立了相應(yīng)理論體系，劉博文等[1]總結(jié)了不同圍壓下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中滯回環(huán)的變化規(guī)律，闡述了耗散能與滯回環(huán)的關(guān)系，建立了材料含損傷變量的估計(jì)模型；王四巍[2]開(kāi)展了塑性混凝土三軸循環(huán)加卸載和滲透試驗(yàn)，研究了材料的本構(gòu)關(guān)系、峰值應(yīng)力前后材料的變形以及材料的滲透特性；曾晟等[3]通過(guò)開(kāi)展飽水和干燥條件下砂巖混凝土的壓縮試驗(yàn)，闡述了材料在飽水作用下的破壞機(jī)理；王孝政等[4]開(kāi)展了一維單軸循環(huán)加卸載混凝土壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合材料的聲發(fā)射特征分析了材料強(qiáng)度變化規(guī)律；胡海蛟等[5]開(kāi)展不同應(yīng)變率下混凝土動(dòng)態(tài)循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)，得出隨著應(yīng)變率提高，材料的峰值應(yīng)力和彈性模量隨之增大，但峰值應(yīng)變表現(xiàn)出顯著的離散性；吳彬等[6]進(jìn)行了混凝土在不同應(yīng)變率下循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析了聲發(fā)射信號(hào)與應(yīng)力水平的關(guān)系，研究了混凝土損傷演化規(guī)律；王普等[7]從能量角度研究了混凝土循環(huán)加卸載損傷演化特性；Meng 等[8-9]利用混凝土、巖石類(lèi)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行能量計(jì)算，系統(tǒng)闡述了變形過(guò)程中材料能量積聚、耗散及其演化規(guī)律；彭剛等[10]進(jìn)行了不同應(yīng)變率下混凝土損傷破壞機(jī)理研究，分析材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，研究了應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)材料損傷破壞影響；孟慶彬等[11]提出用材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)面積表征循環(huán)加卸載作用下巖石能量大小，同時(shí)揭示了圍壓對(duì)受載巖樣能量演化及分配規(guī)律的作用；梁輝等[12]分析了混凝土循環(huán)加卸載歷程中單個(gè)加載和卸載規(guī)律；劉智等[13]通過(guò)混凝土循環(huán)加卸載試驗(yàn)獲得材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，并建立了含滯回效應(yīng)的混凝土損傷模型；胡善超[14]對(duì)高孔隙率混凝土進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，總結(jié)了材料破壞過(guò)程中能量耗散規(guī)律，并給出了損傷演化方程；肖杰等[15]通過(guò)開(kāi)展不同圍壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析圍壓、應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中滯回環(huán)面積的影響規(guī)律；于江等[16]利用聲發(fā)射技術(shù)，研究循環(huán)加卸載作用下再生混凝土的受壓損傷特性，分析了材料受壓損傷破壞全過(guò)程。

上述研究工作極大地推動(dòng)了混凝土類(lèi)材料理論發(fā)展及工程應(yīng)用，現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多開(kāi)展混凝土類(lèi)材料在準(zhǔn)靜態(tài)單軸循環(huán)加卸載作用下的試驗(yàn)研究：一方面集中在材料屈服點(diǎn)或峰值點(diǎn)附近區(qū)域的能量特性研究，但不易獲得混凝土類(lèi)脆性材料峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，因脆性材料的瞬時(shí)破壞特性，峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)以直線(xiàn)形式降低，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算峰后能量；另一方面通過(guò)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)積分來(lái)計(jì)算能量，但常規(guī)單軸或三軸壓縮試驗(yàn)無(wú)法分離混凝土類(lèi)材料的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，只能假定彈性模量恒定不變來(lái)求解其彈性能，則造成混凝土類(lèi)材料能量計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。而鋼纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)滯回環(huán)特性及其與能量的關(guān)系，以及飽水（未飽水）處理的鋼纖維混凝土在循環(huán)加卸載作用下的力學(xué)性能等相關(guān)研究相對(duì)較少。鑒于此，本文開(kāi)展了循環(huán)加卸載作用下的飽水（未飽水）試驗(yàn)，以及不同圍壓下循環(huán)加卸載試驗(yàn)，重點(diǎn)探討了飽水（未飽水）處理后材料的強(qiáng)度變化規(guī)律，研究了材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的滯回環(huán)特性及其與能量的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

本文中鋼纖維混凝土原材料：普通硅酸鹽水泥；瓜子片為粗骨料；細(xì)度模數(shù)2.39 中砂為細(xì)骨料；0213 型鋼纖維；自來(lái)水；適量高性能減水劑。采用以上原材料，在試件制備前，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為45 MPa。經(jīng)過(guò)多次調(diào)配，最終確定了一組合適的混凝土配合比，按照混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法，測(cè)得鋼纖維混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為46.3 MPa，故本文取材料強(qiáng)度為C45。圓柱體試件直徑50 mm、高度100 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)由安徽大學(xué)MTS816 測(cè)試系統(tǒng)完成，如圖1 所示。圖中1-液壓循環(huán)控制系統(tǒng)；2-三軸操作室；3-控制柜；4-數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)；5-液壓油；6-三軸腔；7-定位桿；8-傳感器接口；9-壓頭；10-試件；11-環(huán)向引伸計(jì)。試驗(yàn)前將試件的軸心與壓頭中心對(duì)齊，連接好軸向引伸計(jì)、環(huán)向引伸計(jì)和力傳感器。試驗(yàn)中通過(guò)MTS 伺服控制系統(tǒng)試驗(yàn)程序?qū)崿F(xiàn)圍壓改變。

圖1 MTS816 測(cè)試系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方案及程序設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)重點(diǎn)討論圍壓、飽水（未飽水）對(duì)鋼纖維混凝土材料力學(xué)性能影響，通過(guò)控制壓頭的加載速率0.01 mm/s，即各組準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)應(yīng)變率恒為ε˙ = 10-4s-1。

試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)：（1）滿(mǎn)足靜水壓狀態(tài)。軸向力和環(huán)向圍壓同步加載使得在相同的時(shí)間內(nèi)軸向與環(huán)向應(yīng)力相等；（2）保持圍壓不變，通過(guò)壓頭的位移控制，實(shí)現(xiàn)軸力加卸載。其中，峰值應(yīng)力前4 ～5次加卸載循環(huán)，峰值應(yīng)力后10 ～15 次加卸載循環(huán)；（3）卸圍壓，卸軸力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其機(jī)理分析

2.1 無(wú)圍壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)結(jié)果及分析

鋼纖維混凝土材料在無(wú)圍壓準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)加卸載條件下軸向、環(huán)向σ-ε曲線(xiàn)如圖2 所示。其中，軸向引伸計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖中黑色曲線(xiàn)所示，環(huán)向引伸計(jì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖中紅色曲線(xiàn)所示。鋼纖維混凝土材料抗壓強(qiáng)度為45.16 MPa，軸向峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?.003 6，彈性模量29.65 MPa，泊松比0.154。

圖2 軸向、環(huán)向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

試驗(yàn)完成后試件形態(tài)如圖3 所示。試件上的微裂紋從一端向另一端延伸，并未出現(xiàn)“正八字”或“倒八字”貫穿裂縫，主要呈現(xiàn)出斜剪切破壞，試件完整性較好，裂縫寬度較小，且無(wú)混凝土明顯脫落。由此可知，試件在多次循環(huán)加卸載作用下孔隙率不斷降低，材料逐漸壓密，這是導(dǎo)致試件破壞形態(tài)的根本原因。

圖3 循環(huán)加卸載鋼纖維混凝土試件破壞形態(tài)

2.2 飽水與未飽水（干燥）試件循環(huán)加卸載試驗(yàn)結(jié)果及分析

在圍壓分別為5 MPa、30 MPa、40 MPa 下，飽水10 天/未飽水（干燥）鋼纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4 ～6 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同圍壓條件下飽水與干燥材料的峰值應(yīng)力（MPa）

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)/圍壓5 MPa

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)/圍壓30 MPa

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)/圍壓40 MPa

由試驗(yàn)曲線(xiàn)和表1 中試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)在相同圍壓下，飽水與未飽水試件有著明顯差異，主要體現(xiàn)在飽水試件峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變稍大，且有較明顯的體積壓縮現(xiàn)象[17]，但鋼纖維混凝土材料強(qiáng)度降低。

由于未飽水試件顆粒與顆粒、顆粒與鋼纖維之間結(jié)構(gòu)致密，礦物顆粒、鋼纖維與膠凝填充物緊密。但是，飽水試件顆粒與顆粒、顆粒與鋼纖維之間結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松且多孔，在水的溶蝕作用下使得膠凝材料形成溶蝕孔，減弱了膠凝材料的膠結(jié)作用。由于水弱化和孔隙水壓力雙重作用，對(duì)鋼纖維混凝土試件微裂紋的開(kāi)裂條件以及裂紋擴(kuò)展等影響，是導(dǎo)致飽水鋼纖維混凝土試件強(qiáng)度降低的根本原因。

2.3 不同圍壓循環(huán)加卸載試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了揭示不同圍壓循環(huán)加卸載作用下鋼纖維混凝土材料從初始變形直至破壞過(guò)程中的能量演化及分配規(guī)律，開(kāi)展了恒應(yīng)變率下不同圍壓條件的系列試驗(yàn)，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7 ～9 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同圍壓條件下材料峰值應(yīng)力（MPa）

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)/圍壓5 MPa

圖8 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)/圍壓10 MPa

圖9 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)/圍壓20 MPa

由圖7 ～9 和表2 中試驗(yàn)結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

（1）鋼纖維混凝土材料在三軸循環(huán)加卸載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)滯回環(huán)效應(yīng)，原因在于鋼纖維混凝土是非均質(zhì)理想彈性材料，考慮材料本身的微裂紋、微孔洞等因素，當(dāng)試件加載到某一應(yīng)力值時(shí)再卸載，卸載時(shí)應(yīng)力路徑與加載應(yīng)力路徑不重合，則形成應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的封閉環(huán)形滯回環(huán)。滯回環(huán)的面積表征試件從受載時(shí)的裂紋出現(xiàn)、擴(kuò)展、閉合、貫穿直至破壞全過(guò)程所消耗的能量，面積越大，則說(shuō)明試件破壞所需耗散能越多，試件破損越嚴(yán)重。

（2）滯回環(huán)最大面積通常出現(xiàn)在材料的峰值應(yīng)力附近，即說(shuō)明試件此時(shí)出現(xiàn)較大宏觀裂縫或破壞所需的耗散能較大。隨著圍壓的增大，面積最大的滯回環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)隨之推遲出現(xiàn)，原因在于圍壓有效地抑制了裂縫的發(fā)展，同時(shí)增強(qiáng)了材料的塑性力學(xué)特性。

（3）隨著圍壓值提高，材料峰值應(yīng)力后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變得平緩，材料的塑性變形特征明顯。隨著圍壓值不斷增大，峰值應(yīng)力后應(yīng)變明顯變大，但應(yīng)力變化不大，體現(xiàn)材料弱延性破壞特征；且材料的峰值應(yīng)力提高明顯，表明圍壓能有效提高材料的強(qiáng)度和抑制變形。

2.4 三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)?zāi)芰坑?jì)算

鋼纖維混凝土三軸試驗(yàn)，軸向應(yīng)力1σ做正功，試件因軸向壓縮變形而吸收和儲(chǔ)存能量，同時(shí)試件側(cè)向膨脹體積變大，側(cè)向圍壓 3σ因抑制環(huán)向變形做負(fù)功，故試件因環(huán)向膨脹變形而消耗能量。考慮到試件在試驗(yàn)過(guò)程中恒溫?zé)o熱交換，則由能量守恒原理可得：

圖10 循環(huán)加卸載試件能量密度計(jì)算示意圖

3 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展準(zhǔn)靜態(tài)三軸循環(huán)加卸載鋼纖維混凝土材料系列試驗(yàn)，獲得了各組不同試驗(yàn)條件下材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)飽水處理的鋼纖維混凝土材料，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變稍大，且表現(xiàn)出明顯的體積壓縮現(xiàn)象，但材料強(qiáng)度降低。

（2）鋼纖維混凝土材料在三軸循環(huán)加卸載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)閉合環(huán)形區(qū)域亦即滯回環(huán)效應(yīng)。

（3）滯回環(huán)最大面積通常出現(xiàn)在材料的峰值應(yīng)力附近，隨著圍壓增加，面積最大的滯回環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)隨之推遲出現(xiàn)。

（4）隨著圍壓值不斷增大，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變后，應(yīng)變?cè)黾用黠@，但應(yīng)力變化不大。材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)趨向平緩，體現(xiàn)出塑性變形的特征，且材料的峰值應(yīng)力明顯增大。