凍融循環(huán)作用下承壓混凝土凍脹應變研究

董振平，黃新凱，雷永潔，劉西光，牛荻濤

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

寒冷地區(qū)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)會遭受凍融損傷，同時荷載作用使混凝土處于承載狀態(tài)[1-3].凍融循環(huán)與應力存在明顯的交互作用，交互作用造成預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)材料損傷加劇[4].隨應力水平的增加，混凝土相對動彈性模量損失不斷增大，抗凍性越差[5].

國內(nèi)外學者對凍融損傷混凝土基本力學性能開展了眾多試驗研究.凍融循環(huán)使混凝土產(chǎn)生累積損傷，導致混凝土表面剝落、力學性能下降[6-8].隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土相對動彈性模量逐漸減小[9-11]；混凝土峰值應力逐漸降低而峰值應變不斷增大，脆性破壞特征更加明顯[12-14].曾強[15]采用殘余變形表征了凍融過程產(chǎn)生的破壞程度，殘余變形越大，材料破壞越嚴重.高志浩[16]實時監(jiān)測混凝土應變并量化了混凝土內(nèi)部凍融損傷.

目前尚缺乏應力狀態(tài)與凍融循環(huán)共同作用下混凝土凍脹應變發(fā)展規(guī)律.本文對承壓混凝土進行凍融循環(huán)試驗，通過動態(tài)模擬法得到凍融過程中產(chǎn)生的凍脹應變，分析了凍融循環(huán)次數(shù)和應力比對混凝土凍脹應變的影響規(guī)律.

1 試驗概況

1.1 試件設計和材料

設計并制作了不同應力水平作用下混凝土圓柱體試件，試件尺寸均為Φ200 mm×1000 mm.

凍融循環(huán)次數(shù)N為0、100、200和250次；混凝土應力水平μ為0、0.2、0.3和0.4，依次表示張拉應力為混凝土軸心抗壓強度平均值的0%、20%、30%和40%.

混凝土設計強度等級分別為C30和C40，配合比見表1.C30和C40混凝土軸心抗壓強度平均值分別為20.1 MPa和28.6 MPa.預應力鋼筋選用PSB830級φT18的精軋螺紋鋼筋，屈服強度為918 MPa，抗拉強度為1 087 MPa，伸長率為9.1%.

表1 混凝土配合比

1.2 張拉方案

張拉開始前對試件進行為期4 d的浸泡，采用自行設計加工的反力架進行張拉，試件張拉如圖1.

圖1 試件張拉

實際張拉應力水平見表2.張拉時鋼筋一端張拉一端固定，首先將第一根鋼筋張拉至其控制應力的20%，持載2 min，持載2分鐘，擰緊錨具，卸下加載裝置；對第一根鋼筋的對側(cè)鋼筋進行張拉.張拉至其控制應力的50%，持載2分鐘，擰緊錨具，卸下加載裝置；再對第一根鋼筋進行二次張拉，張拉至其控制力的80%，持載 2 min，擰緊錨具.按同樣的方式對第一根鋼筋的對側(cè)鋼筋進行張拉，超張拉至其控制力的110%，持載2 min；最后對第一根鋼筋超張拉至其控制應力的110%，持載2 min后擰緊錨具，卸下加載裝置，最終完成試件的張拉.

表2 混凝土圓柱體構(gòu)件參數(shù)

通過粘貼在鋼筋表面的電阻應變片監(jiān)測鋼筋應變在張拉過程的變化情況，應變片位置在距離試件端部100 mm處.

1.3 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗采用氣候環(huán)境模擬實驗室(ZHT/W2300)進行氣凍氣融循環(huán)試驗，溫度范圍為-19～+25 ℃，升降溫速率均為0.7～1 ℃/min.每個循環(huán)持續(xù)6 h，從+25 ℃降到-19 ℃需2 h，在-19 ℃持續(xù)2 h，經(jīng)歷1 h升溫段后在+25 ℃持續(xù)1h，進行3次噴淋，至此1個凍融循環(huán)結(jié)束.

1.4 凍脹應變測試方法

凍融循環(huán)試驗過程中，試件產(chǎn)生的應變分為兩部分：因熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應變以及水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的凍脹應變[17].在試件中間100 mm范圍內(nèi)沿試件豎向粘貼混凝土應變片.為了消除由于熱脹冷縮對混凝土應變的影響，本文采用動態(tài)模擬法進行溫度補償從而剝離熱應變.將補償應變片和測試應變片分別粘貼在試件上.為了剝離熱應變，粘貼補償應變片的試件在凍融試驗前進行了防水處理.將兩個應變片的數(shù)值相減，即可得到剝離熱應變的混凝土凍脹應變.由混凝土凍脹變形產(chǎn)生的凍脹應變εf可按式(1)進行計算.

εf=εi-ε0-εs

(1)

式中：εf為混凝土凍脹應變，εi為實際鋼筋測得的總應變，ε0表示由熱脹冷縮產(chǎn)生的應變，εs表示張拉過程產(chǎn)生的應變.

每一個凍融循環(huán)都會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力即冰凍應力，這些應力會造成混凝土基體產(chǎn)生裂紋，從而產(chǎn)生不可逆的損傷，損傷逐漸積累，導致基體的變形量逐漸增加，滯回曲線最高點對應的最大應變值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，增加的這部分應變就是混凝土經(jīng)歷一定循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生的殘余應變.混凝土殘余應變見圖2.

圖2 殘余應變隨溫度變化規(guī)律

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 凍融損傷混凝土表觀形態(tài)

典型混凝土圓柱體構(gòu)件表面裂縫開展情況見圖3和圖4.從圖中可以看出，相同應力水平和凍融循環(huán)次數(shù)下，混凝土強度等級越高，裂縫數(shù)量越少，裂縫發(fā)展得越緩慢.隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，裂縫數(shù)量和寬度也在逐步增加，表明混凝土凍融損傷逐漸加劇.對于C40混凝土圓柱體構(gòu)件，當應力水平為0.3時，凍融循環(huán)次數(shù)由200增加到250，裂縫數(shù)量由2條增加到8條，最大裂縫長度由400 mm增加到487 mm，最大裂縫寬度由0.1 mm增加到0.5 mm.

圖3 C30混凝土圓柱體構(gòu)件表面裂縫開展情況(C30-16)

圖4 C40混凝土圓柱體構(gòu)件表面裂縫開展情況(C40-32)

2.2 鋼筋有效應變

圖5給出了混凝土圓柱體構(gòu)件分別經(jīng)過100、200、250次凍融循環(huán)后鋼筋應變.試驗結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)的增加，鋼筋應變逐漸降低；隨應力水平的增加，應變損失速率加快.

圖5 凍融全過程混凝土構(gòu)件鋼筋應變

當混凝土強度等級為C30時，應力水平為0.2、0.3、0.4的構(gòu)件，100次凍融循環(huán)后鋼筋有效應變分別降低了16.40%、18.21%、19.54%.

當混凝土強度等級為C40，應力水平分別為0.2、0.3、0.4的構(gòu)件，100次凍融循環(huán)后鋼筋有效應變依次降低了11.06%、12.33%、13.55%.

2.3 混凝土凍脹應變滯回環(huán)

采用動態(tài)模擬法進行溫度補償來消除由于熱脹冷縮引起的熱應變，將補償應變片和被測應變片分別固定在相同材料的試件上，并將其置于相同溫度環(huán)境里，為分離溫度應變，在凍融試驗前對補償應變片試件進行防水處理，因此由溫度引起的伸縮量相同，即由溫度引起的應變相同，可以相互抵消，從而達到消除溫度帶來影響的目的.

圖6為混凝土圓柱體構(gòu)件凍脹應變滯回環(huán).可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應變曲線的上部包絡線隨之升高，后一個循環(huán)的最低溫度時的最大應變值總是比前一個循環(huán)大.在凍融試驗過程中，混凝土中水的凍融會引起體積變化，產(chǎn)生內(nèi)部凍脹應力和應變.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部凍脹應力和應變的累積效應會導致混凝土微觀結(jié)構(gòu)的破壞和改變，引起凍脹應變的增加.凍融損傷導致混凝土有效截面減小，在應力的相互作用下，導致凍融裂縫進一步擴大.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的損傷將繼續(xù)積累，導致凍脹應變增加.

圖6 混凝土圓柱體構(gòu)件凍脹應變滯回環(huán)

隨著應力水平的增加，應變曲線最高點的值也隨之增加，說明荷載對混凝土內(nèi)部造成了一定的損傷，且隨著應力水平的增大，損傷越大.凍融損傷使混凝土有效截面減小，在應力的交互作用下，導致凍融裂縫進一步擴大.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的損傷將不斷累積.

當混凝土強度等級為C30，應力水平為0.2時，在第1、25、50、75、100次循環(huán)的最大應變值分別為188με、225με、256με、288με、312με.應力水平為0.2、0.3、0.4時，第1次凍融循環(huán)最大應變依次為188με、198με、238με，表明荷載加劇了混凝土內(nèi)部損傷劣化的程度.

當混凝土強度等級為C40，應力水平為0.2時，在第1、25、50、75、100次循環(huán)的最大應變值分別為158με、175με、206με、268με、272με.應力水平為0.2、0.3、0.4時，第1次凍融循環(huán)的最大應變依次為158με、159με、178με.

將兩次凍融循環(huán)曲線最低溫度時的應變差作為承壓混凝土試件的殘余應變[20].圖7是混凝土殘余應變隨凍融循環(huán)次數(shù)變化圖.

圖7 混凝土圓柱體構(gòu)件殘余應變

從圖中可以看出，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各應力比下試件的殘余應變均呈現(xiàn)增加趨勢.當應力比為0.2時，凍融循環(huán)次數(shù)從25次增加到100次，殘余應變增加了23%.

3 結(jié)論

(1)隨凍融循環(huán)次數(shù)和應力水平增加，混凝土裂縫數(shù)量和寬度也在逐步增加，表明混凝土凍融損傷逐漸加劇.混凝土強度等級越高，裂縫數(shù)量越少，裂縫發(fā)展得越緩慢；

(2)在凍融循環(huán)過程中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鋼筋應變逐漸降低；隨應力水平的增加，應變損失速率加快；

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)和應力水平的增加，凍脹應變不斷增加.在凍融循環(huán)過程中，隨著溫度降低凍脹應變增加，溫度回升后凍脹應變逐漸降低.兩個凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生了殘余應變，表明混凝土產(chǎn)生了凍融損傷.