預(yù)應(yīng)力與凍融循環(huán)耦合作用下水工混凝土性能研究

韓偉濤

(沈陽鑫通建設(shè)工程有限公司,沈陽 110000)

我國北方近水或沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性受凍融循環(huán)的影響顯著,在長期服役過程中寒冷地區(qū)水工混凝土遭受反復(fù)的凍融循環(huán)損傷,每年都要投入巨額的費(fèi)用加固維修[1]。因此,針對凍融循環(huán)對混凝土性能的影響有關(guān)學(xué)者開展了廣泛研究,如黃奕霖等研究認(rèn)為一定的含氣量能夠增強(qiáng)混凝土抗凍性;濮琦探討了凍融循環(huán)作用下混凝土斷裂性能受不同含氣量和水膠比的影響規(guī)律,結(jié)果顯示隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加混凝土的斷裂性能不斷下降,但合理的含氣量和低水膠比可以增強(qiáng)抗開裂能力;趙燕茹等試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)條件下?lián)叫鋷r纖維混凝土的力學(xué)性能,研究發(fā)現(xiàn)隨纖維摻量增加其力學(xué)性能表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢;王靖榮等利用凍融循環(huán)試驗(yàn)揭示不同預(yù)制縫長混凝土性能,結(jié)果表明凍融循環(huán)次數(shù)相同時初始裂縫長度與斷裂韌度無關(guān);胡少偉等研究了混凝土雙K斷裂韌度受水凍和鹽凍環(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)鹽凍融環(huán)境對斷裂性能的影響更顯著,可以大大降低混凝土抵抗裂縫形成與擴(kuò)展能力;谷志強(qiáng)等等研究了多種不利因素耦合條件下劣化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)混凝土斷裂性能受凍融的影響最顯著[2-7]。

有學(xué)者開展了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)及材料的凍融試驗(yàn)分析,但是在計(jì)算承載力時,利用同環(huán)境下的力學(xué)指標(biāo)無法準(zhǔn)確反映出受凍融循環(huán)的損傷情況[8-10]。在寒冷地區(qū),混凝土結(jié)構(gòu)常常面臨著凍融循環(huán)的考驗(yàn),特別是對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來說,凍融可能會對預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)、混凝土本身以及與預(yù)應(yīng)力鋼筋之間的界面產(chǎn)生不利影響。因此,本研究利用加載試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)建立水工混凝土抗壓強(qiáng)度與預(yù)應(yīng)力大小、凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線,通過數(shù)值模擬構(gòu)造強(qiáng)度指數(shù)衰減模型,旨在為荷載與凍融耦合作用下水工混凝土研究提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C50,m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石)=0.4∶1.0∶1.08∶1.92,水泥用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。箍筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通受力鋼筋用HPB300級光圓鋼筋(直徑6.5mm)、1860級鋼絞線(公稱直徑12.7mm)和HRB400級鋼筋,控制張拉應(yīng)力σcon依次為0.3fptk、0.6fptk、0.9fptk,其中fptk為鋼絞線抗拉強(qiáng)度1860MPa。通過在混凝土試件的上部增加鋼板,使試件的全截面都處于受壓狀態(tài),從而減少混凝土在頂部的受拉應(yīng)力,并防止開裂的發(fā)生,提高試件的抗拉承載能力和延性。

1.2 快速凍融試驗(yàn)

通過“快凍法”評估混凝土在凍融循環(huán)條件下的抗凍性能,每個凍融周期為4h,具體流程為:在90min內(nèi)將溫度從5℃降到-20℃,使混凝土達(dá)到低溫狀態(tài),并使溫度均勻分布;在-20℃下保持80min,以凍結(jié)混凝土并使其達(dá)到穩(wěn)定的低溫狀態(tài);然后在40min內(nèi)將從-20℃升至5℃,以使混凝土恢復(fù)到常溫狀態(tài);最后,在5℃下保持30min,通過模擬凍融經(jīng)歷的升溫階段,并觀察混凝土的性能變化。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 加載試驗(yàn)

采用兩點(diǎn)加載的方式對預(yù)應(yīng)力水工混凝土試件加載,并測定0次、25次、50次、75次凍融循環(huán)時的抗壓強(qiáng)度,加載方式如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力試件加載方式

2 結(jié)果與分析

2.1 測試數(shù)據(jù)

通過加載試驗(yàn)確定凍融循環(huán)作用下水工混凝土試件的極限承載力,并進(jìn)一步計(jì)算極限抗壓應(yīng)力,如表2所示。

表2 不利因素耦合下的抗壓強(qiáng)度

2.2 凍融循環(huán)與預(yù)應(yīng)力下的強(qiáng)度

凍融循環(huán)會導(dǎo)致內(nèi)部孔隙水的固態(tài)和液態(tài)變化,該過程能夠?qū)炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)造成不利影響。在凍結(jié)階段,內(nèi)部的孔隙水結(jié)冰發(fā)生體積膨脹,產(chǎn)生膨脹力,這會導(dǎo)致孔隙周圍的混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而促使內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋,并擴(kuò)大孔隙,隨著凍融的持續(xù)微裂紋會逐漸貫通和積累破壞混凝土的連續(xù)性,進(jìn)一步削弱混凝土的抗壓強(qiáng)度。在溫升過程中,孔隙內(nèi)的冰融化,為水提供通道,進(jìn)一步使得孔隙擴(kuò)大,強(qiáng)度變化特征如圖2所示。

(a)無凍融循環(huán)

由2(a)可知,水工混凝土抗壓強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)力的增加呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢,當(dāng)σcon/fptk=0.3、σcon/fptk=0.6、σcon/fptk=0.9時,混凝土抗壓強(qiáng)度依次增加6.01%、15.81%、20.62%。

感謝提供的詳細(xì)數(shù)據(jù)和分析。根據(jù)您的描述,凍融循環(huán)會對水工混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響,并且這種影響受預(yù)應(yīng)力的存在和凍融循環(huán)次數(shù)的變化而變化。根據(jù)圖2(b)的可知,隨著預(yù)應(yīng)力的增加,抗壓強(qiáng)度不斷提升。當(dāng)預(yù)應(yīng)力較小時其增幅較大,而隨著預(yù)應(yīng)力的增大其增幅逐漸減小,形成先陡后緩的變化特征。在σcon/fptk=0.9時,各凍融次數(shù)下的強(qiáng)度相近,在此預(yù)應(yīng)力水平下,強(qiáng)度受凍融次數(shù)的影響最低,這是由于預(yù)應(yīng)力有利于使膠凝體填充孔隙,從宏觀上增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。當(dāng)達(dá)到σcon/fptk=0.9時,膠凝體能夠充滿大多數(shù)孔隙,使強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。因此,預(yù)應(yīng)力可以積極促進(jìn)抗壓強(qiáng)度的提升。

根據(jù)圖2(c)可知,有和無預(yù)應(yīng)力混凝土,在凍融次數(shù)增加時的強(qiáng)度都會下降,然而預(yù)應(yīng)力混凝土的降幅比無預(yù)應(yīng)力明顯小,并且預(yù)應(yīng)力越高其降幅越小。這是由于預(yù)應(yīng)力可以在一定程度上抵消凍融產(chǎn)生的孔隙膨脹力,降低凍融對強(qiáng)度的損傷作用。當(dāng)σcon/fptk=0.9時,預(yù)應(yīng)力可以抵消大部分膨脹力甚至消失,其強(qiáng)度變化基本不受凍融次數(shù)影響。因此,預(yù)應(yīng)力在凍融作用下具有抑制強(qiáng)度衰減的作用,并且預(yù)應(yīng)力越大其抑制效應(yīng)越明顯[11-13]。

2.3 強(qiáng)度損失模型

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,凍融次數(shù)和預(yù)應(yīng)力水平都對抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響,并且這些影響都呈指數(shù)函數(shù)的變化特征,具體可以表示成:

fN=β1eλ1N

(1)

fS=β2eλ2S

(2)

式中:FS、FN為僅在預(yù)應(yīng)力與凍融下的強(qiáng)度,S=σcon/fptk;N為凍融次數(shù);λ1、λ2、β1、β2為待定系數(shù)。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用最小二乘法回歸分析0次、25次、50次、75次凍融循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度,最小二乘回歸分析σcon/fptk=0.3、σcon/fptk=0.6、σcon/fptk=0.9時的抗壓強(qiáng)度,從而獲取待定系數(shù)λ1=-0.005、λ2=0.204、β1=60.241、β2=50.086,相關(guān)系數(shù)R2=0.982?？梢?模型具有較好的擬合效果。根據(jù)表2中數(shù)據(jù),在預(yù)應(yīng)力和凍融循環(huán)耦合作用下的混凝土抗壓強(qiáng)度變化值,并非兩者單獨(dú)作用下變化值的簡單疊加;另外,預(yù)應(yīng)力和凍融耦合作用與預(yù)應(yīng)力、凍融單獨(dú)作用下的抗壓強(qiáng)度總體呈二次函數(shù)關(guān)系。所以,可以用預(yù)應(yīng)力和凍融單獨(dú)作用下的抗壓強(qiáng)度表示預(yù)應(yīng)力與凍融耦合作用下的強(qiáng)度。本研究以預(yù)應(yīng)力與凍融循環(huán)耦合作用下的抗壓強(qiáng)度f為因變量,fS與fN為自變量,通過回歸分析構(gòu)建二元二次函數(shù),具體表達(dá)為:

f=k1fN+k2fs+k3fNfS+k4

(3)

式中:k1、k2、k3為考慮凍融循環(huán)、預(yù)應(yīng)力條件下以及凍融循環(huán)與預(yù)應(yīng)力耦合作用下的抗壓強(qiáng)度影響系數(shù);k4為常數(shù)項(xiàng)。

采用最小二乘法回歸分析不同條件下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2),可以確定k1、k2、k3、k4依次為0.504、-0.371、0.016、13.551,相關(guān)系數(shù)R2=0.982。由此可見,k1>0、k2<0說明凍融循環(huán)和預(yù)應(yīng)力具有促進(jìn)或抑制抗壓強(qiáng)度損失的作用。將公式(1)～(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理,則有:

f=k1β1eλ1N+k2β2eλ2S+k3β1β2eλ1N+λ1S+k4

(4)

根據(jù)k1=0.504、k2=-0.371、k3=0.016,λ1=-0.005、λ2=0.204、β1=60.241、β2=50.086,所以?f/?N<0、?f0。單一因素作用下,抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加呈下降趨勢,這是由于凍融會使內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中和微裂縫擴(kuò)展,導(dǎo)致強(qiáng)度下降;強(qiáng)度隨著預(yù)應(yīng)力的增加呈增大趨勢,這是由于預(yù)應(yīng)力可以通過填充混凝土中的孔隙和抵消外部加載產(chǎn)生的應(yīng)力,增強(qiáng)抗壓能力;當(dāng)兩種因素耦合作用時,保持相同預(yù)應(yīng)力時會隨凍融次數(shù)的增加而減小,保持相同凍融次數(shù)時會隨著預(yù)應(yīng)力的增加而增大,這是由于預(yù)應(yīng)力對混凝土內(nèi)部的孔隙填充和應(yīng)力平衡起到積極作用,減少了凍融循環(huán)對混凝土的損傷。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)計(jì)算模型的適用性與可靠性,利用公式(4)計(jì)算不同試驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度,通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析判定模型準(zhǔn)確程度,結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)

可見,該預(yù)測模型具有較高的精度,平均誤差為5.50%,對預(yù)測分析預(yù)應(yīng)力與凍融循環(huán)作用下水工混凝土抗壓強(qiáng)度具有較強(qiáng)可行性。

3 結(jié) 論

1)凍融循環(huán)條件下,對于提高水工混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力具有積極促進(jìn)作用,且預(yù)應(yīng)力越大其強(qiáng)度越高,當(dāng)con/fptk=0.9時,不同凍融次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度相差不大,此時抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)的影響最低。

2)增大凍融次數(shù)會降低強(qiáng)度,無無應(yīng)力高于有預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度損失,提高預(yù)應(yīng)力會減小強(qiáng)度降幅。

3)凍融循環(huán)作用下,預(yù)應(yīng)力具有抑制強(qiáng)度衰減效果,且預(yù)應(yīng)力越大其抑制效應(yīng)越明顯。文章建立的強(qiáng)度衰減模型該具有較高的精度,平均誤差為5.50%,對預(yù)測分析預(yù)應(yīng)力與凍融循環(huán)作用下水工混凝土抗壓強(qiáng)度具有較強(qiáng)可行性。