采用DIC技术研究耦合冰冻-融化作用与复合盐环境作用下人工砂混凝土的弯曲力学性能及其本构模型

《Journal of Building Engineering》：Flexural Mechanical Properties and Constitutive Model of Manufactured Sand Concrete under Coupled Freeze-Thaw and Composite Salt Environments Using DIC

　　

马法榕|乔红霞|张云生|刘浩新

河西学院土木工程学院，中国张掖734000

摘要：

为了提高制造砂在西部恶劣环境下预应力混凝土桥梁结构中的应用效果，本研究探讨了复合盐冻融循环对使用两种类型制造骨料（凝灰岩和花岗岩）制成的C50混凝土抗弯性能的影响。实验进行了快速冻融试验（0-125循环）和四点抗弯试验。利用数字图像相关（DIC）技术获取荷载-位移曲线，分析了峰值荷载、峰值位移和抗弯刚度的 degradation 模式。结果表明，随着冻融循环次数的增加，两种混凝土的峰值荷载和抗弯刚度显著下降，而峰值位移略有增加。GMSC50的变形能力略高于TMSC50。力学性能的 degradation 显示出明显的非线性特征。基于实验数据，提出了一个适用于制造砂混凝土（MSC）脆性破坏特性的分段抗弯本构模型，并引入了冻融损伤因子进行修正，得到了极佳的拟合结果（相关系数为0.999）。该研究还建立了一个基于Lemaitre应变等效原理的全过程损伤本构模型，为复合盐冻融环境下制造砂混凝土结构的耐久性评估和服务寿命预测提供了理论基础。

引言

随着中国基础设施建设的快速发展，由于制造砂原材料来源广泛、成本较低且对环境有益，它逐渐成为天然砂资源匮乏地区的重要替代材料 [1]，[2]，[3]。然而，在寒冷地区或盐渍环境中，混凝土结构在长期受到冻融循环和盐侵蚀的共同作用下，其力学性能会显著退化，严重影响工程耐久性和安全性 [4]，[5]，[6]。特别是复合盐（如NaCl和Na?SO?）的存在不仅会在冻融过程中加剧孔隙溶液中的结晶膨胀压力 [7]，[8]，还会引发化学腐蚀 [9]，导致混凝土内部产生微裂纹和粘结力下降 [10]。在这种情况下，研究复合盐冻融循环对MSC抗弯力学性能的影响并建立相应的本构模型对于改善恶劣环境下的混凝土结构设计和使用寿命具有重要意义。

现有研究广泛探讨了传统天然砂混凝土在冻融和盐侵蚀耦合作用下的退化机制 [11]，[12]，[13]，[14]。例如，陈等人 [11] 使用CT扫描技术和3D重构分析研究了不同氯离子浓度环境和冻融循环下混凝土剥落深度、体积损失率、孔隙结构及CT值的变化情况。李等人 [14] 采用毛细吸水除冰剂和冻融试验（CDF方法）研究了不同冻融条件下混凝土路面的力学性能和退化特性。然而，制造砂骨料具有大量角状颗粒、显著的级配差异和高石粉含量，可能表现出不同的损伤演变模式 [15]。李等人 [16] 证明，在制造砂混凝土中加入20%的花岗岩粉可以提升其力学性能和耐久性。郑等人 [17] 通过宏观和微观实验发现，细颗粒的填充效应是提高耐久性的主要原因。对于高强度制造砂混凝土，细颗粒含量应保持在5-15%之间，10%时耐久性最佳。由于钢筋构件是混凝土结构的主要承力部分，其力学退化直接影响整个结构的承力和延性 [18]，[19]。然而，现有研究主要关注冻融循环对混凝土抗压强度和粘结性能的影响（例如，BFRP增强剂与混凝土之间的粘结-滑动模型）。例如，卢等人 [20] 系统研究了在复合载荷和冻融循环下四种损伤模式对动态抗压强度的影响，展示了混凝土抗压强度的退化趋势。杨等人 [21] 探讨了多因素复合环境下钢筋-混凝土粘结性能的研究进展，总结并分析了肋钢筋混凝土在不同工况下的粘结特性、粘结强度和应力预测公式。然而，关于制造砂混凝土抗弯力学性能的系统研究仍然不足。在本构建模方面，普通混凝土和再生骨料的损伤模型已经成熟 [22]，[23]，[24]，[25]，而制造砂混凝土的抗弯本构关系研究仍处于初级阶段。此外，复合盐环境下的冻融损伤机制尤为复杂，因为盐的类型和浓度的变化会显著改变混凝土的孔隙结构和相变行为，进而影响应力-应变响应。因此，开发适用于复合盐冻融循环的抗弯本构模型对于完善混凝土耐久性理论和指导工程设计至关重要。

数字图像相关（DIC）是一种非接触式光学测量技术，在材料力学性能测试中表现出独特优势 [26]，[27]，[28]。它能够精确获取试样表面的全场位移和应变数据。与传统应变测量方法（如应变计）不同，DIC避免了对试样的局部干扰，允许全面详细地观察复杂的变形过程。近年来，其在混凝土材料力学研究中的应用越来越普遍，为研究混凝土在各种工况下的力学响应和微观结构变化提供了强有力的技术支持 [29]，[30]，[31]，[32]。

总之，当前研究迫切需要系统探讨复合盐冻融循环对MSC抗弯力学性能的影响，同时建立能反映多因素耦合损伤的本构模型。为此，本研究利用DIC技术系统研究了MSC在复合盐冻融循环下的抗弯力学行为。通过实验研究，我们分析了不同冻融循环对混凝土抗弯强度、抗弯刚度和变形能力的影响。这些发现为后续关于MSC箱梁抗弯性能的研究奠定了基础，有助于从实验室试样向工程应用的过渡。这种方法不仅为寒冷地区和盐渍环境中的混凝土结构设计提供了理论支持，也为开发新的耐久性材料奠定了基础。

节片

实验材料

兰州生产的七里山品牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥的物理和化学性质见表1。粉煤灰为兰州西固某电厂的II级粉煤灰；矿渣为S95级高炉矿渣；制造砂骨料均来自甘肃省临洮景石矿区的制造砂生产基地，粒径分别为5～10毫米和10～20毫米，质量比为4:6。凝灰岩制造砂（TMS）的测量结果如下...

试样的典型破坏模式

如图3所示，在MSC的四点抗弯试验中，每组试样的破坏模式均为近跨度的脆性断裂，断裂过程非常迅速；观察应变云图可知，经过多次冻融循环的试样在破坏时裂缝宽度增加。云图显示表面应变值有显著膨胀，图像中的红色区域清晰可见。

结论

• (1)
  随着冻融循环次数的增加，两种制造砂混凝土（TMSC50和GMSC50）的力学性能显著恶化。表现为峰值荷载和抗弯刚度的持续非线性下降，同时峰值位移略有增加，说明材料的承载能力和变形抵抗能力受损。

CRediT作者贡献声明

马法榕：撰写——原始草案，数据整理，概念化。刘浩新：撰写——审稿与编辑，验证。乔红霞：撰写——审稿与编辑，方法论，形式分析。张云生：验证，项目管理，资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有任何可能影响本研究工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金（编号：U23A20658、U21A20150）的资助。