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2 0 1 0 年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r l i n 2 01 0 ( T o t a l No 2 43) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 0 4 颗粒冲击引起混凝土材料的损伤 岳汉威 ，马振珠 ，包亦望 ， ，刘叶栋 ，张立君 ， ，蔡亚楠 ( 1 中国建筑材料检验认证 中心 ，北京 1 0 0 0 2 4 ；2 中南大学 资源加工与生物工程学院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ) 摘要 ： 利用冲击球压法对标 准养护室 、 室外 、 水以及 5 Na 2 s O 溶液环境下的 C3 0混凝土试件进行了试验 。对混凝土应力一压痕 尺寸 关系和压痕形 貌进行 了评价和描述 。试验结果表 明： 当冲击应力一压痕尺寸关系超过某一临界点后， 压痕增 大的速率远远大 于应力 的增 长 ， Na ： S O , 溶液 和水环境 中的试件尤为 明显 ； 对压痕形貌 的观察发现 ， 室外和 Na ， s 0 溶液中的试件其损伤最为强烈 ， 具体表现为压痕周围 发生 了较为剧烈 的颗粒脱落和松动 。 关键词 ： 冲击球压 ；混凝土 ；损伤；压痕 中图分类号 ： T U5 2 8 O l 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 l 一 0 叭O 一 0 2 Dama ge o f c onc r e t e c aus ed b y par t i cl e i mp ac t i ng I f UE Ha n we i ， MA Zh e n - z h u ， BA O Yi wa n g ， L I U Ye d o n g ， ZHANG L u n ， CAIY a - n a n。 ( 1 C h i n a Bu i l d i n g Me t e r i a l s T e s t i n g&C e r t i fi c a t i o n B e ij i n g 1 0 0 0 2 4 C h i n a ； 2 S c h o o l o f Mi n e r a l s P r o c e s s in g a n d Bi o e n g i n e e ri n g ， C e me r S o u t h U n i v e r s i t y ， Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ： Co nc r e t e wi l l b e a f f e c t e d i n s t a n d a r d c u rin g r o o m o u t d o o r s i n wa t e r a n d in 5 Na 2 S 04 s o l u t i o n C3 0 c o n c r e t e i n t h e s e e n v i r o n me n t wa s e x p e r i me n t a l i z e d b y s p h e r e i mp a c t i n g Th e r e l a t i o n o f c o n c r e t e i mp a c t i n g s t r e s s v e r s u s i n d e n t a t i o n s iz e a n d t h e i n d e n t a t i o n mo r p h o l o g y we r e e v a l u a t e d a n d c h a r a c t e riz e d Ex p e ri m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e r a t e o f i n d e n t a t i o n s i z e i n c r e a e xc e e d s mu c h l a r g e r th a n tha t o f s t r e s s i n c r e a s e wh e n s t r e s s i n d e n t a t i o n s i z e s u rp a s s e s c e r t a i n c rit i c a l p o i n t ， e s p e c i a l l y i n Na 2 S O4 s o l u t i o n a n d wa t e r Th e o b s e r v a t i o n o f ind e n t a t i o n m o h o l o g y s h o ws that t h e s tro n g e s t s p e c i me n d a ma g e h a p pe n s o u t d o o r s a n d i n NS O4 s o l u t i o n， m a n i f e s t e d a s i n t e n s e pa r t i c l e d e t a c h m e n t a n d l o o s e n e s s a r o u nd t h e i n d e n t a t i o n Ke y w o r ds ： s p h e r e i mp a c t i n g； c o n c r e t e ； d a ma g e； i n d e n ta t i o n 0 引言 混凝土作为应用最广泛的工程材料往往曝置于 自然环境中， 服役期间会不同程度地受到环境、 气候等因素的影响而导致性能 下降 ； 此外 ， 应用于交通 、 道路工程的混凝土常常会遭遇如下情况 ： ( 1 ) 车辆 的碾压 ； ( 2 ) 小颗粒小石子的冲击 ； ( 3 ) 其他人 为的或间接人 为的影响 。 损、 环境等因素的继续作用下自发地进行扩展 、 并合， 因此这些 损伤无疑是侵蚀介质侵入混凝土内部的首选通道。在这些因素 的协 同作用下 ，混凝 土的力学性能和耐久性 必然会加速地 恶 化 。值得注意的是 ， 大部分人对颗粒损伤引起 混凝 土破 坏的现 象报 以轻视的态度 ， 想 当然地将颗 粒损伤混凝土看做是 “ 以卵 击石” 的效果 ， 大大阻碍了这方面的研究。 1试验 这些颗粒与混凝土接触的问题可以近似于小球与半无限 1 1 体的接触问题I l 1 ， 即球头冲击。混凝土是准脆性材料， 受到这些 原材料 水泥 ： 冀 东水泥 厂生产 的普通硅 酸盐水 泥 ； 砂 ： 标 准天然 颗粒作用时很容易产生局部的表面损伤 ，产生的损伤会在磨 砂； 石： 碎石； 水 ： 自来水。配合比见表 1 。 表 1 混凝土配合 比 混凝土由单卧轴强制式搅拌机拌合 ， 搅拌 3 rai n后装入 1 0 0 m mx l 0 0 m m的试模中振动成型， 每组 6 个试件。养护 2 4 h 后拆模， 将其分别移置标准养护室、 水中、 室外以及质量分数为 5 的 Na ， S O , 溶液直至所需龄期 。 1 2冲 击球 压试验 进行试 验前先对试 件进行 打磨和抛光 。利 用 自制 的弹簧 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 7 - 2 2 基金项目：国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 2 0 0 7 A A 0 3 Z 5 2 6 ) 1 O 冲击锤在试件表面进行球头冲击试验， 弹簧压缩量随高度的 不同共设 6个档位 ， 试点的选取尽量距试件边缘较远以确保 压人不受到试件边缘的影响； 每组试件布置 3 6个测点 ， 选取 合理的测点记录冲击力值和压痕尺寸， 压痕的尺寸取横纵两 次测量的平均值。利用数码照相机对压痕的宏观形貌进行 拍摄 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 结果与讨论 2 1 冲击应力和压痕尺寸的关 系 混凝土的性能随着所处环境的不同而各异。混凝土中， 水 泥的水化作用将会延续 很长的过程 ， 在这 个过程 中， 混凝 土需 要足够的水资源 和温 度条件 ： 水分不 足 ， 水化 反应就会受 到制 约 ； 温度过低 或过高 ， 都将影 响水 化反应 的进行 和混凝土密实 度的降低。室外环境缺少充足的水源和适宜的水化温度， 对混 凝土的性能影响较大。值得注意的是 ， 虽然混凝土在水中能得 到充足的水源， 但是随着时间的推移混凝土内部水化反应基本 完成， 水会溶出水化产物， 反而使混凝土密实度下降； 硫酸盐溶 液参与混凝土水化反应时将会形成体积较大的钙矾石 ， 这对混 凝土 的密 实和强度是有益 的 ， 当反应继续进行 ， 过 量的钙矾石 将导致混凝土 内部的过度膨胀 ， 最终破坏混凝土的结构 。 不同环境下混凝土冲击应力一 压痕尺寸关系如图 1 所示。 不同的弹簧压缩量 与球头 冲击 的速度 、 应力息息相关 。随着冲 击应力 的增大 ， 冲击形 成的压痕 的尺寸也迅速增 大 ， 当压痕尺 寸增大至一定 尺寸后 ， 压痕尺寸的增量远远大于冲击应力 的增 压痕 尺寸 ， l n l lfl ( a ) 标 准条件 压痕 尺寸 1 1 1 1 1 ( b ) 水中 2 、 量 压 痕尺寸 mm ( c ) 室外 压痕 尺寸 mm ( d ) 5 N a S O 溶液 图 1 不同环境 下混凝土 的冲击应力一 压痕尺寸关 系 量， 这是由混凝土材料的蠕变特性所决定的， 也表明冲击系统 对试件表面做的功很大程度上转化为试件表面完成塑性变形 的塑性功。图 1 ( b ) 和( d ) 出现了7 d 龄期的数值曲线超越或持平 2 8 d龄期 曲线 的情况 ： 起 初水 的存 在增 进了混凝 土内部的水化 反应， 水化后期水化产物以及小部分细骨料就会随着水的流动 而溶出混凝土， 水分则取代了溶蚀物的位置， 从而在受力后产生 了较大的损伤变形； 体积较大的钙矾石不断生成使得混凝土过 度密实， 造成混凝土的缓慢膨胀 ， 产生了为数众多的微裂纹， 当 受到应力作用时， 微裂纹同压痕合并产生尺寸较大的损伤区。 另外 ， 通过图 1 可以发现， 达到相同尺寸的压痕损伤， 标准养 护室中的试件所需的应力最大， Na S O 溶液和水中试件次之， 室外 放置的试件最小。这也反映了养护制度对混凝土硬化的重要性。 2 2压 痕形 貌评 价 与玻璃等脆性材料不同， 混凝土材料在球压作用下所产生 的压痕是一个球冠形的小坑 ， 小坑周 围常常 由于拉压应力 而导 致破 坏。 图2 2 1为试件表面产生赫兹压痕时接触应力的分布。试件 受到法向应力的作用时， 接触区域的径向应力为拉应力 ， 拉应 力主要集中在较窄的表面区域， 并且在接触圆周线上有最大值， 随着离接触中心距离的增大 ， 拉应力在压痕深度增加的同时迅 速衰减而转化为压应力。因此， 在压头下面的材料将保持残余 受压 ， 压痕之外的表面则包含了径向受压和周向受拉。值得注 意的是， 尽管球压产生了较为明显的塑性变形 ， 但是材料的弹 性在塑性压人时起到的作用也是非常重要的。超过屈服点时 ， 塑性区很小并被仍然保持弹性的材料所包围， 因此塑性应变与 周 围弹性应变 的量级是相 同的。在此基础上 ， 压头挤出的材料 将受到周 围材料 的弹性膨胀 的制约 。压头荷载增加时 。 需要在 压头下方增加压力 以产生必要的膨胀 。最终塑性 区挤 出自由表 面 ， 挤 出的材料受塑性 流动作用而 自由流向压头周 围3 。 1J 1 豳 r 一 _ 盯 图 2赫 兹 接 触 应 力 图 3是从为数众 多的照片 中挑选出来 的。不论 处于何种环 境， 混凝土表面在应力作用下均产生了球冠小坑 ， 小坑内表面 的密实度得到了提高； 由于拉应力大于混凝土抵抗变形而产生 的压应力以及混凝土本身的缺陷 ，在压痕周围产生了径向裂 纹， 随着拉应力的增大和这些裂纹扩展 ， 混凝土表面产生的表 面碎屑造成了表面的材料损失。这些损伤是 不可逆的 ， 这也说 明了损伤对混凝土材料侵蚀的重要性 。 虽然压痕周围损伤的产生都服从赫兹接触应力理论 ， 但是 由于环境的不同所产生的压痕形貌却不尽相同， 这和混凝土内 各组分之间的黏结程度和密实度密切相关： 黏结程度好 ， 混凝 土整体性就好 ， 产生的损伤小； 黏结程度低 ， 混凝土各组分在外 力作用下容易脱落， 产生的损伤大。密实度较好的试件， 球头产 生压痕的时候没有足够的空间去容纳压痕， 所产生的压痕也会 下转第 1 4页 1 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 钢纤维体积率对钢纤维橡胶高强混凝土的超声波声 速及抗压强度有一定的影响。当钢纤维体积率在 0 1 5 范 围时， 随着钢纤维体积率的增大 ， 其抗压强度提高 ， 超声声速 也增大 。 ( 3 ) 钢纤维橡胶高强混凝土在加载过程中， 其超声声速随 荷载的增加呈下降趋势。应力与声速变化曲线的三个阶段表现 为稳定一 缓慢下降一 加速下降， 其与裂缝产生、 发展及贯通三个 阶段相对应。因此 ， 可以用超声脉冲法检测分析钢纤维橡胶高 强混凝土结构裂缝的开展情况。 ( 4 ) 由于钢纤维橡胶高强混凝土结构的复杂性 ， 仅用超声 声速来分析强度和内部裂缝的发展具有一定的误差和局限性， 为提高测试精度及正确性可考虑采用振幅、 频率及衰减等多参 数综合判断。 上接第 1 1页 ( a )标 准条件 参考 文献 ： 【 l 】 陈智泽 橡胶改性高强混凝土基本性能试验研究【 D 广州： 广东工业 大学 ， 2 0 0 7 【 2 】 陈传锋， 朱江， 朱志文， 等 冈 纤维增强橡胶高强混凝土抗拉强度试 验研究fJ 1 铁道建筑， 2 0 0 9 ( 4 ) 【 3 】朱金颖， 陈龙珠， 严细水 混凝土受力状态下超声波传播特性研究 J 1 工程 力学 ， 1 9 9 8 作者简 介 单位地址 联 系电话 朱志文( 1 9 8 5 一 ) ， 女， 硕士研究生， 主要研究方向： 新材料、 新技术、 新结构体系在土木工程中的应用研究。 广东省广州大学城外环西路 1 0 0 号 厂东工业大学东十四 2 6 1 房 ( 5 1 0 0 0 6 ) 1 5 9 2 01 7 6 9 7 4 ( b ) 室外 ( c ) 水 中 ( d ) 5 N a 2 S O 溶液 图 3 不 同环境作用后混凝土 2 8 d压痕形貌 在拉压应力作用下沿着圆周方向高于试件原表面； 如果试件的 度过弹性阶段后更多地将能量转化为了塑性变形功， 以水中和 密实度差 ， 球头在应 力作用下挤压缺陷和孔隙从而形成与原表 N a 2 S O 溶液中的试件尤为明显 。 面基本齐平的压痕。 ( 2 ) 对压痕形貌的观察可知， 标准养护室和水环境中的试 图3 ( a ) 的压痕在圆周方向突出于试件表面， 同试件原表面 件破坏程度较小 ， 室外和 N a S O 溶液环境下的试件破坏较为 发生了脱离， 其下部产生了众多的裂纹。压痕圆周附近的破坏 剧烈。但是原因却不相同： 标准养护室和水环境对于混凝土来 区域由脱落的颗粒群、 径向裂纹以及脱落颗粒原来所处的空间 说是相对较为理想的环境， 室外试件产生破坏是因为其结构过 构成， 整个破坏区域近似于圆形， 粗骨料和骨料一 浆体破坏较少。 于疏松， N a 2 S O 溶液试件则是其内部结构过于密实而产生的膨 图 3 ( b ) 的压痕尽管在圆周方向没有出现突出于原表面的现象， 胀应力所致。 但是在距压痕较远的地方形 成了围绕压痕 的裂纹 ， 压痕 和裂纹 之间的材料发生 了松动 ， 甚至在压痕左侧可以观察 到有一个 相 当大的破损 区， 原来处于破损 区的砂浆在应力的作 用下已剥离 骨料表面 ， 从而造成了距压痕最近的骨料 的松动 。图 3 ( C ) 得到 的压痕类似于前两个压痕，压痕周边也未出现较大的损伤， 但 是在隆起于原表面的圆周下部发现了较多的细小颗粒， 这些颗 粒同水对试件的溶蚀作用以及水分作用下的塑性流动不无关 系。图3 ( b ) 的压痕在圆周上也产生了一定的隆起 ， 圆周附近出 现了较大的损伤， 原本的砂浆和粒径较小的粗骨料在应力作用 下脱落和松动 ， 整个损伤 区呈辐射状 。 3结论 通过对硬化阶段 C 3 0混凝土的冲击球压试验 ， 可以得到以 下结论 ： 在标准条件、 室外 、 水中以及 5 N a 2 S O 溶液 4种环境下： ( 1 ) 随着龄期的增长， 混凝土的冲击应力一 压痕尺寸关系起 初随着应力的增加而增大 ； 继续提高弹簧的压缩量 ， 压痕尺寸 随应力缓慢增加而剧烈增大， 这是因为在球头冲击下混凝土 1 4 参考文献 ： 【 l 】 陈志诚j 昆 凝土材料的接触损伤及球压法无损评价研究 D 】 北京： 中 国建筑材料科学研究总院硕士， 2 0 0 1 ： 1 - 3 2 RO B E R T S S G， L A WR E N C E C W， B I S R A T Y D e t e r mi n a t i o n o f s u r f a c e r e s i d u a l s t r e s s i n b r i t t l e ma t e r i a l s b y h e z i a n i n de n t a t i o n： T h e o r y a n d E x p e r i m e n t J J A m C e r a mS o c ， 1 9 9 9 ， 8 2 ( 7 ) ： 1 8 0 9 1 8 1 6 【 3 】 J O H N S O N K L 般 触力学 M 】 徐秉业 ， 等译 北京： 高等教育出版社， 1 9 9 2： 1 9 5 1 9 7 【 4 J 张福初 ， 等译 无机非金属材料断裂力学 M I 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 8 2 ： 1 8 0 1 8 7 作者简 介 单位地址 联系电话 岳汉威( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事建筑材料测试、 评价和表征。 北京市朝阳区管庄东里 1 号 中国建筑材料科学研究总院 南楼建工部 ( 1 0 0 0 2 4 ) 1 3 81 1 3 6 9 7 9 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m