摘要:为探究氯盐腐蚀后混凝土动力学特性，利用100mm分离式霍普金森压杆试验系统，对置于NaCl溶液中浸泡侵蚀后混凝土试件动力学特性进行研究。试验结果表明:氯盐腐蚀后试件动态抗压强度明显下降，且应变率效应显著;整体上，试件受腐蚀后的峰值应变有所降低，变形性能减弱;比能量吸收显著降低，吸能能力受到严重削弱。说明氯盐对混凝土动力学特性具有显著的弱化效应。
关键词:分离式霍普金森压杆;动态抗压强度;峰值应变;比能量吸收
1引言
自19世纪20年代波特兰水泥出现后，混凝土的强度和耐久性得到了显著提升，并且由于其原材料便于获取、造价低廉、能耗较低，被广泛应用于建筑结构领域。但是，处于某些极端环境条件下的混凝土结构，其耐久性则面临着巨大挑战，如:沿海或者近海地区的混凝土结构常年遭受氯离子侵蚀，导致混凝土结构难以承受正常使用时的荷载，并且海水的冲刷、海风的冲击会对结构产生动荷载作用，造成结构过早损坏，对结构的安全性、可靠性带来极大危害。因此，盐腐蚀环境下混凝土动力学特性损伤研究对结构的耐久性评估、强度及耐腐蚀设计具有重要的指导作用。本文利用100mm分离式霍普金森压杆［1］(SplitHopkinsonPressureBar;SHPB)试验系统，在应变率为40～120s－1范围内，对受氯盐腐蚀后的混凝土试件进行冲击压缩试验，研究了混凝土的动态力学性能，包括动态抗压强度、变形能力和比能量吸收。将混凝土试件置于质量分数为15%的NaCl溶液中进行浸泡侵蚀，为期60d，同时设置一组空白对照组，空白对照组浸泡于自来水中，其它外部环境保持不变。溶液中的试件标为S组，空白对照组标为N组。
2试验
2．1材料和试件试验原材料包括:42．5Ｒ级普通硅酸盐水泥;泾阳县石灰岩碎石，平均粒径为5～20mm;灞河的中砂，堆积密度1450kg/m3，细度模数为2．8，表观密度2550kg/m3;自来水;西安渭河粉煤灰销售公司的I级粉煤灰。混凝土配合比如表1所示，强度等级为C30。本试验采用“裹砂石法”机制制备混凝土试件。具体步骤如下:(1)将砂倒入搅拌机中，加入一半水，搅拌30s，使砂湿润;(2)倒入石灰岩碎石，搅拌30s，使粗细骨料混合均匀;(3)加入水泥和粉煤灰，搅拌30s;(4)剩余水全部倒入，搅拌120s;(5)搅拌好的混凝土装入模具中振捣密实，然后移入养护室，静置1d后拆模;(6)试件进行标准养护(温度为(20±2)℃，相对湿度ＲH≥95%)28d。试验使用的试件尺寸为100mm×50mm，养护结束后对试件打磨加工，以满足试验精度要求，并进行分组标号，而后置于质量分数15%的NaCl溶液中进行为期60d浸泡腐蚀，腐蚀后用抹布擦干，进行冲击力学试验。2．2试验设备图1分离式霍普金森压杆试验系统Fig．1SHPBsystem本试验所用试验设备是100mm分离式霍普金森压杆试验系统(见图1)，该试验系统由主体实验设备、数据测试系统、能源提供设备三部分组成。主体实验设备包括:发射装置、吸能装置、发射炮管、杆件、调整支架及操纵台等;测试系统包括:弹速测试系统及动态应变测试系统;能源系统包括:空气压缩机、高压容器及管道。混凝土是破坏性极小的准脆性材料，内部有较大的孔隙和裂缝，且传统的SHPB试验技术难以获得可靠的应力-应变关系。此外，在传播过程中，矩形加载波容易发生弥散，导致混凝土试件在破坏前应力不均匀，因此在试验中采用波形整形技术［2-3］，延长加载时间，保证试件在破坏前达到应力均匀，同时可以实现近似恒应变率加载。整形器为H62铜片，厚度1mm，直径根据加载的速率由大到小的顺序依次为30、27、25、22、20mm。为了减小甚至消除摩擦效应，确保试验精确，在接触面涂抹薄薄一层润滑剂和石墨的混合物。(3)式中:E-压杆的弹性模量，A-压杆的横截面积，C-压杆的弹性波波速，AS-试件的初始横截面积、lS-试件的初始初始长度，εi(t)、εr(t)、εt(t)分别表示杆中的入射应变、反射应变和透射应变。
3试验结果
3．1试验原数据SHPB试验系统对标准养护28d后混凝土试件进行动力试验，试验数据见表2。3．2强度特性动态抗压强度是试件破坏时所承受的最大荷载，能够反映混凝土的强度特性，也是评判混凝土在冲击荷载作用下强度规律的主要指标。试验测速系统测量5组不同弹速，每一弹速对应一个应变率。动态抗压强度和平均变率的关系如图2，可以看出，两组试件动态抗压强度随应变率的增大而增大，应变率效应［7-8］显著;N组试件的强度明显高于S组，说明氯盐腐蚀后的混凝土试件，其动荷载承受能力减小幅度较大;同一应变率条件下，S组试件的动态抗压强度损失量随平均应变率的升高而增大。动态抗压强度增长率指单位时间内动态抗压强度的变化量，图3为动态抗压强度增长率与平均应变率的关系，由图可知，随应变率增大，动态抗压强度增长率逐渐降低，说明应变率越大，试件强度损失越大。3．3变形特性如前节所述，动态抗压强度是试件受荷过程中达到的最大应力，又称峰值应力，而峰值应变则为峰值应力对应的应变，能够反映动荷载作用下混凝土的变形规律和变形特性。图4为峰值应变与平均应变率的关系，由图可知，虽然本试验中峰值应变与应变率无明显线性规律，但是，S组试件峰值应力整体上低于N组试件，表明氯盐腐蚀后混凝土试件的变形能力有所下降。事实上，关于峰值应变与平均应变率间的关系，目前并没有形成统一的认识，如:Wang［9］，Zhidan［10］，andWei［11］认为峰值应变随着应变率的升高而升高，但是HatanoandTsutsumi［12］，Cowell［13］认为峰值应变随着应变的升高而保持不变，此外，Dilger［14］andDhirandSangha［15］认为峰值应变随着应变率的升高而降低。极限应变是混凝土试件发生破坏时的应变，变化规律如图5，由图可知，极限应变随应变率增大而增大，表现出显著的应变率增强效应;S组试件曲线斜率大于N组，说明氯盐腐蚀后混凝土率敏感性增强。
4分析
从材料强度的角度分析，氯盐对混凝土动态抗压强度的影响主要归因于两个方面。一方面，由于混凝土为多孔材料，导致氯盐溶液中部分NaCl在混凝土孔隙中结晶，产生结晶压力，致使混凝土产生裂缝，强度降低。另一方面，NaCl与水泥水化产生的Ca(OH)2结合生成CaCl2，当混凝土中残存的CaO与CaCl2溶液并存时，平衡固相是，造成不同程度的隆胀型腐蚀［17］，同时CaCl2能够加速Ca(OH)2的溶解、扩散和结晶，促进水泥水化生成的Ca(OH)2得以加强从反应表面向着低浓度地区输出，水泥石中的水化产物3CaO•2SiO2•3H2O和3CaO•Al2O3•6H2O发生水解反应，失去稳定，最后溶出，产生溶出型腐蚀［17］，水化产物的溶出破坏了原胶凝体的孔隙结构，此外，氯盐溶液中容易产生电极反应，加速对混凝土的侵蚀，混凝土强度进一步下降。从材料变形的角度分析，混凝土中存在大量微裂纹，动荷载作用下裂缝增长速度较快，且平均应变率越大，裂缝扩展越快;氯盐渗入混凝土后，增加了对混凝土的溶解侵蚀，水化物质进一步水解，失去原有胶凝作用，混凝土更易破碎，强度显著降低，试件在较低荷载作用下便破坏，此外，氯盐增加了混凝土表面的析水与集料的离析，增加混凝土中有害孔隙的含量，降低了混凝土的密实度，增高了Cl－的渗透能力，致使混凝土强度降低，裂缝增长速度加快。因此，腐蚀后混凝土的变形能力受到削弱。从材料能量吸收的角度分析，在动荷载作用下，材料的微裂纹处产生应力集中，致使材料中的细观裂纹变大，细观裂纹的发展降低了混凝土结构传递荷载的能力和比例，使得材料性能下降，导致吸能能力降低。此外，比能量吸收与材料的强度、变形能力有关，强度越小，所能抵抗荷载能量越小，即动态抗压强度越小，变形能力越小，能够用于抵消外荷载产生变形的能力越小，即吸能能力越小。
5结论
本文利用100mm分离式SHPB试验系统，对置于质量分数15%的NaCl溶液中浸泡腐蚀60d后的混凝土试件动态力学性能进行研究，主要结论如下:(1)氯盐腐蚀后混凝土动态抗压强度下降明显，且同一应变率条件下，其损失量随着应变率水平的升高逐渐增大;(2)整体上，混凝土受腐蚀后的峰值应变有所降低，材料变形能力受到一定的削弱;(3)腐蚀后混凝土试件比能量吸收显著降低，材料吸能能力明显减弱。
作者：邢小光 陈震 许金余 白二雷 聂良学 单位：空军工程大学机场建筑工程系 中国人民解放军 西北工业大学力学与土木建筑学院
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