混凝土在壓應(yīng)力狀態(tài)下的抗凍性試驗(yàn)分析*

王海軍， 高　勇， 魏　華， 谷長葉

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 沈陽 110006)

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混凝土在壓應(yīng)力狀態(tài)下的抗凍性試驗(yàn)分析*

王海軍1， 高勇1， 魏華1， 谷長葉2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 沈陽 110006)

為了分析壓應(yīng)力對混凝土抗凍性的影響，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對C45混凝土試件施加應(yīng)力比為0、0.4、0.5、0.6的軸向壓力，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)快速凍融試驗(yàn)，每50次測量其動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度的變化.結(jié)果表明：應(yīng)力比為0時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量下降較壓應(yīng)力迅速，未達(dá)到抗凍標(biāo)號F300；應(yīng)力比為0.4、0.5的混凝土衰減趨勢基本一致，抗凍性較無應(yīng)力狀態(tài)混凝土有所提高；應(yīng)力比為0.6的混凝土，其抗凍性在兩者之間，在一定應(yīng)力比下軸向壓應(yīng)力可以提高混凝土的抗凍性能；對混凝土凍融壽命預(yù)測模型進(jìn)行修正，修正后的模型具有一定的工程價(jià)值.

壓應(yīng)力； 凍融循環(huán)； 應(yīng)力比； 抗凍性； 無粘結(jié)鋼絞線； 預(yù)測模型； 動(dòng)彈性模量； 質(zhì)量損失

對于混凝土的耐久性問題，國內(nèi)外無論在工程實(shí)際中還是在學(xué)術(shù)科研中都進(jìn)行了非常多的研究，其中針對混凝土材料的抗凍性能也從各個(gè)方面做了大量的工作，確定了評價(jià)混凝土抗凍性能的一般方法，但為了更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，符合混凝土在具體工作過程中的狀態(tài)，研究雙因素或多因素共同作用下混凝土的耐久性對于準(zhǔn)確判斷混凝土的使用壽命具有更重要的意義.

國內(nèi)外對混凝土抗凍性研究較多，但大多是無應(yīng)力狀態(tài)下的研究[1-5]，應(yīng)力狀態(tài)下混凝土抗凍性研究較少.余紅發(fā)[6]研究了在彎曲荷載作用下混凝土的抗凍性；羅小勇[7]和鄒超英[8]研究了在壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的抗凍性能，然而得出的結(jié)論相駁.羅小勇認(rèn)為當(dāng)壓應(yīng)力比在0.5以下時(shí)，隨著壓應(yīng)力增加，混凝土凍融壽命提高，應(yīng)力比在0.5～0.75時(shí)，隨著壓應(yīng)力增加，混凝土凍融循環(huán)壽命降低；而鄒超英認(rèn)為試件質(zhì)量損失率和相對動(dòng)彈性模量損失率隨所受應(yīng)力的增加而增大，鑒于此，本文對軸壓力下混凝土的抗凍性進(jìn)行了試驗(yàn)分析.

1　試　驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料與配合比

混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45，采用42.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用人工砂，其細(xì)度模數(shù)為2.60；粗骨料是人工碎石，最大粒徑約為31.5 mm；減水劑采用萘系高效減水劑FDN-A，摻量為水泥用量的0.7%，減水率為10%～25%；引氣劑摻量為水泥的0.015%，試驗(yàn)測得混凝土試件的含氣量為2.5%.混凝土的配合比如表1所示.

表1　混凝土配合比Tab.1　Mix proportion of concrete　kg/m3

1.2試件制作

通過在模具中心處開洞，放入帶橡膠管的1×7φs15.2的鋼絞線，澆筑制作了9個(gè)100 mm×100 mm×400 mm的試塊，同時(shí)制作了零應(yīng)力對比試件.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，之后每3個(gè)一組使用穿心千斤頂施加應(yīng)力比σc/fc(σc為外部壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力值；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)為0.4、0.5、0.6的軸向壓應(yīng)力并標(biāo)號，加載時(shí)依次在鋼絞線兩邊套上墊片、錨具和夾片后加載，通過油表讀數(shù)控制壓力大小，完成后將多余鋼絞線剪掉.加載過程及試件樣式如圖1所示.

1.3凍融試驗(yàn)

將在軸向力作用下和3個(gè)無應(yīng)力狀態(tài)的試件以及定期測定抗壓強(qiáng)度的試塊放入試驗(yàn)機(jī)，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB-T50082-2009)中的快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)，采用天津港源生產(chǎn)的HDD型混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)，試件中心溫度在(-18±2) ℃～(8±2) ℃，約4 h循環(huán)一次，動(dòng)彈儀使用DY-18型，壓力機(jī)使用電液伺服壓力機(jī)，直到試件滿足混凝土抗凍性破壞標(biāo)準(zhǔn)，停止凍融試驗(yàn).

圖1　試件和加載過程Fig.1　Specimen and loading process

1.4數(shù)據(jù)處理方法

每50次對試件的質(zhì)量和橫向基頻進(jìn)行測量，并測量小試塊的抗壓強(qiáng)度，通過式(1)、(2)計(jì)算每一個(gè)試件的相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失，然后再按每一個(gè)應(yīng)力比平均得到不同應(yīng)力比下的最終值，其表達(dá)式為

(1)

Wni=[(m0i-mni)/m0i]×100%

(2)

式中：Pni為50次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件相對動(dòng)彈性模量；fni、f0i為50次凍融循環(huán)后和循環(huán)前第i個(gè)混凝土試件橫向基頻；Wni為50次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量損失率；m0i為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量；mni為50次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量.

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1不同應(yīng)力比下混凝土試件的表面變化

經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后，不同應(yīng)力比下混凝土試件最終破壞表面情況如圖2所示，所有試件在整個(gè)過程中沒有因?yàn)檩S向壓力的作用而出現(xiàn)裂縫，不同的是試件的抗凍性能及破壞時(shí)表面破壞嚴(yán)重程度不同.在循環(huán)過程中，試件表面的砂漿如泡發(fā)狀逐漸剝落，繼續(xù)循環(huán)砂漿變松軟，粗骨料外露，這時(shí)試件已經(jīng)破壞，但沒有達(dá)到質(zhì)量損失為5%的程度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力作用下相同凍融次數(shù)混凝土表面破壞情況較無應(yīng)力破壞緩慢，應(yīng)力比為0.6的混凝土在凍融破壞后表面破壞較其他應(yīng)力比的情況嚴(yán)重.

圖2　試件凍融破壞表面Fig.2　Freezing-thawing damage surfaces of specimens

一般情況下，試件表面剝落明顯，側(cè)面次之，底面變化較小，這是由于在振搗時(shí)，粗骨料向下滑動(dòng)，以致上表面水泥砂漿粗骨料少，密度小，說明密度對混凝土抗凍性有一定影響，凍融破壞主要作用在水泥砂漿.

2.2抗壓強(qiáng)度變化

混凝土的抗壓強(qiáng)度值如表2所示.每循環(huán)50次取3個(gè)試件進(jìn)行普通混凝土抗壓試驗(yàn)，通過觀察破壞試件的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)150次時(shí)內(nèi)部才完全濕潤，也就是說前100次循環(huán)試件內(nèi)部仍然干燥，說明試件仍在進(jìn)行水化作用，外部水沒有滲入，強(qiáng)度有所增長.混凝土抗壓強(qiáng)度在200次以前呈下降趨勢，幅度較小，循環(huán)300次時(shí)抗壓強(qiáng)度下降明顯.

表2　混凝土抗壓強(qiáng)度Tab.2　Ultimate compressive strength of concrete

2.3質(zhì)量變化

規(guī)范規(guī)定在凍融試件中混凝土試件質(zhì)量損失達(dá)到5%就可停止試驗(yàn)，本試驗(yàn)混凝土的質(zhì)量損失均未達(dá)到5%，其隨凍融次數(shù)變化規(guī)律如圖3所示.相對質(zhì)量為每循環(huán)50次時(shí)試件平均質(zhì)量與初始時(shí)的比值.圖3中，PCF45-4(5，6)代表壓應(yīng)力比為0.4(0.5，0.6)狀態(tài)下C45混凝土平均數(shù)值.從圖3中可以看出，試件的質(zhì)量呈緩慢下降趨勢，質(zhì)量損失是由砂漿剝落造成，質(zhì)量隨著砂漿損傷程度而變化.150次以前質(zhì)量受壓狀態(tài)的試件質(zhì)量有所上升，說明試件仍在緩慢吸水，隨著循環(huán)進(jìn)行，由外向內(nèi)開始破壞，表面砂漿脫落，質(zhì)量才開始下降.總體來說，壓應(yīng)力作用對混凝土質(zhì)量損失影響不明顯.

圖3　不同試件相對質(zhì)量變化Fig.3　Relative mass variation of different specimens

2.4相對動(dòng)彈性模量變化

各應(yīng)力比下混凝土相對動(dòng)彈性模量變化情況如圖4所示.對于快凍法，混凝土的抗凍等級利用滿足相對動(dòng)彈性模量下降不低于60%、質(zhì)量損失不超過5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)來表示.本試驗(yàn)是通過相對動(dòng)彈性模量最終確定混凝土的抗凍等級，各應(yīng)力比下的混凝土相對動(dòng)彈性模量都呈不同程度的下降趨勢，從圖4中可以看出：

1) 無應(yīng)力混凝土動(dòng)彈性模量下降最快，混凝土抗凍性最差，在循環(huán)300次時(shí)破壞；

2) 應(yīng)力比為0.4、0.5狀態(tài)下的混凝土動(dòng)彈性模量下降幅度相似，并未發(fā)現(xiàn)有梯度規(guī)律，并且抗凍等級達(dá)到了F350，說明在較低應(yīng)力水平下的壓應(yīng)力能夠提高混凝土的抗凍性；

3) 應(yīng)力比為0.6的混凝土動(dòng)彈性模量在凍融前期損失量和0.4、0.5應(yīng)力比下?lián)p失量差距不大，但當(dāng)循環(huán)達(dá)到200次后，動(dòng)彈性模量下降幅度較大，未達(dá)到抗凍等級F350.

圖4　不同試件相對動(dòng)彈性模量變化Fig.4　Variation in relative dynamic elastic modulus for different specimens

2.5結(jié)果分析

混凝土的凍融循環(huán)破壞都是微裂縫在應(yīng)力作用下積累、發(fā)展到一定程度所致，混凝土在單獨(dú)壓應(yīng)力荷載下，當(dāng)壓應(yīng)力比分別為小于0.30～0.50，0.75～0.90和大于0.75～0.90時(shí)，其內(nèi)部微裂縫處于相對穩(wěn)定期、穩(wěn)定發(fā)展期和不穩(wěn)定發(fā)展期[9]，因此，當(dāng)施加應(yīng)力比為0.4和0.5時(shí)，混凝土內(nèi)部裂縫是處于穩(wěn)定期，所加壓應(yīng)力抑制了混凝土澆筑完成形成的微裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展.現(xiàn)有混凝土凍脹破壞原理認(rèn)為內(nèi)部孔隙水是造成混凝土凍融破壞的直接原因[10]，而所加壓應(yīng)力抑制了裂縫的繼續(xù)開展，也就阻擋了外部水繼續(xù)進(jìn)入混凝土中對其造成凍脹影響，所以對混凝土的抗凍性有了促進(jìn)作用.

高應(yīng)力的混凝土前期對混凝土的抗凍性有促進(jìn)作用，原理同低應(yīng)力比抑制裂縫開展，但隨著凍融次數(shù)增加，混凝土的強(qiáng)度在降低，開始所加應(yīng)力比為0.6，之后應(yīng)力水平必然超過0.6，更高的應(yīng)力作用會(huì)將微裂縫貫通，形成大裂縫，甚至直接導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，則外部水將更快更多地滲入混凝土中，加速混凝土凍脹破壞，大大削弱混凝土的抗凍性.羅小勇及本文都是在混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度基礎(chǔ)下施加比例應(yīng)力，鄒超英所用試件是圓柱形，并且所加應(yīng)力以試件標(biāo)準(zhǔn)值的倍數(shù)換算為相同立方體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，相當(dāng)于其1.5倍之多，應(yīng)力較大，鑒于此認(rèn)為這是其結(jié)果相駁的原因.

混凝土的凍融破壞主要作用于水泥砂漿，是對水泥砂漿的凍脹破壞，所以選擇合適的水灰比、砂率以及性能優(yōu)越的水泥，級配良好的砂子是提高混凝土抗凍性的有效途徑.

3　混凝土抗凍壽命預(yù)測模型修正

文獻(xiàn)[7]通過對李金玉抗凍性預(yù)測模型的修正建立了不同預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下混凝土耐久性指數(shù)的數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式為

N=ηξ(A+1)1.5e-11.188(W/C-0.794)-0.013 07f

(3)

式中：N為混凝土能經(jīng)受的最大抗凍融(快凍)次數(shù)；η為差異系數(shù)；ξ為預(yù)壓應(yīng)力對凍融循環(huán)次數(shù)的影響系數(shù)；A為混凝土含氣量；W/C為水膠比；f為粉煤灰摻量.

將本試驗(yàn)結(jié)果帶入式(3)計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)果有較大出入，本文直接引入壓力影響系數(shù)ω，計(jì)算方法為應(yīng)力狀態(tài)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與零應(yīng)力混凝土循環(huán)壽命比值，具體值如表3所示.通過影響系數(shù)來確定不同大小壓應(yīng)力對混凝土抗凍性的影響.采用多元回歸分析得到ω與應(yīng)力比的關(guān)系式，即

ω=1+2.515(σ/f)-4.045(σ/f)2-

7.516(σ/f)3+21.9(σ/f)4+

10.44(σ/f)5-39.92(σ/f)6

(4)

式中，σ/f為壓應(yīng)力比.修正后的混凝土凍融壽命預(yù)測模型表達(dá)式為

N=ω(A+1)1.5e-11.188[W/(C+f)-0.794]-0.013 07f

(5)

將試驗(yàn)參數(shù)A=2.5%，W/C=0.45，f=0及應(yīng)力比代入式(5)，計(jì)算不同預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下混凝土最大抗凍融次數(shù)，結(jié)果如表4所示.

表3　混凝土凍融壽命與壓力影響系數(shù)Tab.3　Freezing-thawing cycle life of concrete and compressive stress influencing coefficient

表4　混凝土凍融次數(shù)預(yù)測值與實(shí)際值偏差Tab.4　Deviation between predicted and actual values of freezing-thawing times of concrete

根據(jù)表4可見，凍融壽命模型預(yù)測值N與本試驗(yàn)測得試驗(yàn)值Nn相對偏差較小，模型預(yù)測與試驗(yàn)吻合良好.本模型對壓應(yīng)力作用下混凝土凍融壽命預(yù)測有著實(shí)際工程意義.

4　結(jié)　論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 軸向壓應(yīng)力對混凝土的質(zhì)量損失影響不明顯，水泥砂漿的損失是造成質(zhì)量變化的主要原因，水泥砂漿的性能是決定混凝土抗凍性的主要因素.

2) 混凝土的微裂縫是影響其抗凍性的主要原因，混凝土澆筑質(zhì)量越好，密實(shí)程度越高，抗凍性越好.

3) 適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力作用可以提高混凝土的抗凍性.初步認(rèn)為，當(dāng)壓應(yīng)力小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度0.5倍時(shí)，可以抑制裂縫開展，提高混凝土抗凍性；當(dāng)應(yīng)力比大于0.5時(shí)，被認(rèn)為是高應(yīng)力，在凍融前期對混凝土抗凍性有益，隨著凍融次數(shù)增加，將加速混凝土破壞.

4) 混凝土微裂縫對其抗凍性影響巨大，控制裂縫開展是提高混凝土抗凍性的有效途徑.

5) 修正后的不同壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土耐久性指數(shù)數(shù)學(xué)模型可以對壓應(yīng)力下混凝土凍融壽命進(jìn)行預(yù)測.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Experimental analysis on frost resistance property of concrete at compressive stress state

WANG Hai-jun1, GAO Yong1, WEI Hua1, GU Chang-ye2

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Investigation and Design Institute of Water Resources and Hydropower Liaoning Province, Shenyang 110006, China)

In order to analyze the influence of compressive stress on the frost resistance of concrete, the axial pressure with the stress ratio of 0, 0.4, 0.5 and 0.6 was applied on C45 concrete with the non bonded prestressed concrete structure. The standard fast freezing-thawing test was performed, and the changes of mass loss, dynamic elastic modulus and compressive strength were measured at every 50 cycle times. The results show that when the stress ratio is 0, the mass loss and dynamic elastic modulus drop faster than the compressive stress, and the frost resistance grade F300 is not achieved. The attenuation tendency of concrete with the stress ratios of 0.4 and 0.5 is consistent, and the frost resistance is better than the concrete at the state without stress. The frost resistance of concrete with the stress ratio of 0.6 is between those with the stress ratios of 0, 0.4 and 0.5. Under certain stress ratio, the axial compressive stress can improve the frost resistance of concrete. The prediction model for the freezing-thawing life of concrete was modified, and the modified model has certain engineering value.

compressive stress; freezing-thawing cycle; stress ratio; frost resistance; non bonded steel strand; prediction model; dynamic elastic modulus; mass loss

2015-10-12.

沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F16-205-1-09).

王海軍(1972-)，男，河北河間人，教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程及耐久性等方面的研究.

建筑工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.15

TU 528.01

A

1000-1646(2016)04-0445-05

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.028.html