凍融對(duì)混凝土受拉性能的影響

混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代土木工程中常見的結(jié)構(gòu)形式，也是中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。隨著混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，服務(wù)環(huán)境變得越來越復(fù)雜。混凝土的不完全破碎是一個(gè)不可避免的過程。作為主要的不利因素之一，凍容破壞一開始也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究在凍融循環(huán)作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及質(zhì)量損失等力學(xué)性能,在混凝土的拉壓、多軸強(qiáng)度方面雖然也有一定的研究成果,但是對(duì)抗拉強(qiáng)度方面的研究?jī)H僅局限在單一因素上,而且?guī)缀鯖]有關(guān)于混凝土經(jīng)過凍融后抗拉強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度關(guān)系的研究.眾所周知,混凝土的抗拉強(qiáng)度和受拉變形特征是其基本的力學(xué)性能之一.它既是研究混凝土強(qiáng)度理論和破壞機(jī)理的一個(gè)重要組成部分,又直接影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度和剛度計(jì)算.雖然混凝土的抗拉作用在承載力計(jì)算時(shí)是被忽略的,但在凍融環(huán)境中,帶裂縫工作的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性將急劇下降.因此,開展凍融循環(huán)后混凝土受拉性能的研究,對(duì)豐富凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論以及在役結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)價(jià),都具有十分重要的意義.本文對(duì)經(jīng)受凍融循環(huán)作用的不同等級(jí)混凝土試塊進(jìn)行靜彈性模量、受拉峰值應(yīng)力以及劈拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究,建立了相應(yīng)的計(jì)算模型.1試驗(yàn)總結(jié)1.1節(jié)點(diǎn)卡具設(shè)計(jì)本文在設(shè)計(jì)試件尺寸時(shí),考慮到端部效應(yīng),對(duì)試件中間部分進(jìn)行了面積消減,軸拉試件尺寸及斷面圖如圖1所示.在設(shè)計(jì)端部連接方式時(shí),為實(shí)現(xiàn)軸心抗拉,使應(yīng)力均勻分布,在抗拉試件兩端部預(yù)埋4根?12×150mm的鋼筋,將外露的鋼筋部分絞成螺紋,方便試驗(yàn)操作.根據(jù)試件形狀和端頭鋼筋螺桿的埋設(shè)位置,制作卡具,卡具底板上預(yù)留的圓形孔大于螺桿直徑,以方便調(diào)整卡具相對(duì)于試件橫截面的位置,保證試件兩端的拉力在同一條直線上.卡具內(nèi)部連接通過類似吊環(huán)的形式來完成,這樣可以盡量消除夾具所帶來的彎矩,最大程度地實(shí)現(xiàn)軸心受拉.1.2外加劑的減水率混凝土試塊采用P·O42.5水泥、5～31.5mm的碎石以及細(xì)度模數(shù)為2.88的中砂.強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)分為4個(gè):C20,C30,C40及C50,材料配合比如表1所示.混凝土配制過程中加入了適量減水劑,以有效控制新拌混凝土的工作性.本次試驗(yàn)所用外加劑有3種:(a)山西紅化工材料有限司生產(chǎn)的RT-B3型減水劑,減水率為18.3%;(b)南京博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-9型減水劑,減水率為21.4%;(c)南京博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-PCA型減水劑,減水率為26.2%;具體參數(shù)見表1.在混凝土攪拌過程中加入減水劑,試塊澆筑、養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,用氣壓式含氣量測(cè)定儀測(cè)得攪拌后混凝土的含氣量見表1.在含氣量小于4%(體積分?jǐn)?shù))的范圍內(nèi),混凝土的抗凍性能隨著含氣量的增加有明顯的提高,而對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響很小.粉煤灰的摻量為11%～22%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同).摻入粉煤灰會(huì)降低混凝土的早期強(qiáng)度,但對(duì)后期強(qiáng)度起到提高作用.在粉煤灰摻量小于30%時(shí),隨著粉煤灰的增加,混凝土的耐久性系數(shù)有一定程度的增加.1.3混凝土抗壓強(qiáng)度由于抗拉試件的非標(biāo)準(zhǔn)性,所以采用木模板成型,立方體試件則采用GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊鋼模成型.澆注完成的試塊放在空調(diào)房中養(yǎng)護(hù)24h后拆模,隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)23d,再將試件放在15～20℃的水中浸泡4d.所有試件都在同條件下養(yǎng)護(hù)和浸泡,直至凍融試驗(yàn)階段,以保證它們具有相同的初始強(qiáng)度.正式加載試驗(yàn)前,測(cè)得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu,m如表2所示.從表2可見:C20強(qiáng)度富裕量充足,C30,C40強(qiáng)度富裕量基本滿足要求,只有C50強(qiáng)度富裕量存在不足.故本文以實(shí)測(cè)強(qiáng)度作為擬合依據(jù),結(jié)果適用的混凝土抗壓強(qiáng)度范圍為29.1～50.7MPa.1.4試驗(yàn)制度及設(shè)備依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中快凍法試驗(yàn)制度,對(duì)各組試件分別進(jìn)行25,50,75,100及125次凍融循環(huán).軸心受拉試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行.2凍融循環(huán)試驗(yàn)由于凍融100次以后,C20,C30試件出現(xiàn)了斷裂,所以只對(duì)C20,C30級(jí)試件進(jìn)行25,50及75次凍融循環(huán),對(duì)C40,C50混凝土則進(jìn)行25,50,75,100及125次凍融循環(huán).試驗(yàn)主要通過測(cè)定受拉構(gòu)件的拉伸來得到混凝土凍融后的受拉峰值應(yīng)力、受拉峰值應(yīng)變以及受拉靜彈性模量,并通過立方體試件的劈拉試驗(yàn),研究經(jīng)過凍融循環(huán)后混凝土的受拉峰值應(yīng)力與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系.2.1參數(shù)分析對(duì)力學(xué)性能的影響2.1.1凍融循環(huán)作用下的混凝土受拉峰值應(yīng)力混凝土試件受拉峰值應(yīng)力ft,D與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系,如圖2所示.由圖2可見,在相同強(qiáng)度等級(jí)的條件下,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試件的受拉峰值應(yīng)力呈明顯下降趨勢(shì).凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到25次時(shí),各等級(jí)試件受拉峰值應(yīng)力下降了10%左右;凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到75次時(shí),C20,C30試件受拉峰值應(yīng)力迅速下降了35%;在凍融循環(huán)125次時(shí),C40和C50試件受拉峰值應(yīng)力下降了50%.這是由于經(jīng)過凍融循環(huán)后,毛細(xì)孔中的冰晶擠壓毛細(xì)孔壁產(chǎn)生壓力,使部分毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)破裂,抗拉強(qiáng)度降低.綜合上述數(shù)據(jù),擬合的混凝土受拉峰值應(yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)、立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系式為:ft,D=1.07e0.019fcu,m-0.01N,R=0.974(1)式中:R為相關(guān)系數(shù).圖2給出了擬合公式的曲線,可以看出,擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好.商懷帥等在文獻(xiàn)中通過對(duì)fcu,m=34.2MPa的混凝土(含氣量約為1%～2%)進(jìn)行試驗(yàn),給出了相對(duì)受拉峰值應(yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式為:ft?Dft={1?0.023N(0≤N＜25)0.475?0.0022N(N≥25)(2)ft?Dft={1-0.023Ν(0≤Ν＜25)0.475-0.0022Ν(Ν≥25)(2)將fcu,m=34.2MPa代入式(1),ft=3.14MPa(文獻(xiàn)中實(shí)測(cè)初始抗拉強(qiáng)度)代入式(2),則式(1)和式(2)對(duì)應(yīng)的擬合曲線對(duì)比結(jié)果如圖3所示.由圖3可見,2條擬合曲線在受拉峰值應(yīng)力初始值處有些差異,但在25次凍融循環(huán)作用后,兩者變化趨勢(shì)接近.這也說明增大含氣量對(duì)混凝土的抗凍性起到了正面增強(qiáng)作用,減小了凍融后受拉峰值應(yīng)力下降的幅度.2.1.2凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響各強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的受拉峰值應(yīng)變?chǔ)舤,D與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖4所示.由圖4可以看出:在相同強(qiáng)度等級(jí)下,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試件的受拉峰值應(yīng)變呈明顯的下降趨勢(shì).究其原因有二:一是受拉峰值應(yīng)力降低的影響;二是凍融作用導(dǎo)致試塊內(nèi)部微裂縫增多和裂紋擴(kuò)展速度增大,加快了內(nèi)部裂縫發(fā)展進(jìn)程.根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了混凝土受拉峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)、立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式:1.3fcu,m+60.02,R=0.981(3)從圖4給出的擬合公式曲線,可以看出擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好.商懷帥等在文獻(xiàn)中通過對(duì)fcu,m=34.2MPa的混凝土(含氣量約為1%～2%)進(jìn)行試驗(yàn),給出了受拉峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式:εt,D=(0.015-0.0000908N)×10-2(4)將fcu,m=34.2MPa代入式(3),可得到式(3)與式(4)對(duì)應(yīng)的擬合曲線,見圖5.由圖5可以看出:由于式(4)只是針對(duì)單一強(qiáng)度得到的,并沒有考慮到強(qiáng)度等級(jí)的影響,所以當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí),2條曲線的初始受拉峰值應(yīng)變有一定的差距,但它們的整體趨勢(shì)是相同的.2條曲線峰值應(yīng)變的大小差異說明:經(jīng)過相同凍融循環(huán)次數(shù)后,含氣量的增大減緩了混凝土單軸受拉峰值應(yīng)變減小的速度,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,減緩的效果也逐漸減小.2.1.3凍融作用對(duì)混凝土受拉靜彈性模量的影響本文以50%受拉峰值應(yīng)力處(即σ=0.5ft,D)的割線模量作為混凝土受拉靜彈性模量Et0,D(GPa),其實(shí)測(cè)結(jié)果見圖6.結(jié)果表明:各等級(jí)混凝土的受拉靜彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性趨勢(shì)下降,C20混凝土的受拉靜彈性模量經(jīng)75次凍融后降低了26%左右,在凍融次數(shù)達(dá)到125次時(shí),強(qiáng)度等級(jí)最高的C50混凝土受拉靜彈性模量降低了27%.但從總體變化趨勢(shì)看,高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土受拉靜彈性模量下降較平緩,說明強(qiáng)度等級(jí)提高對(duì)混凝土抵抗凍融破壞有一定積極作用.從受拉靜彈性模量的定義也可以看出:受拉靜彈性模量隨凍融作用下降,說明受拉應(yīng)力的下降速度超過受拉應(yīng)變,對(duì)凍融作用更為敏感一些.綜合上述數(shù)據(jù),擬合的混凝土受拉靜彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)、立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式為:Et0,D=-(0.0013fcu,m+0.13)N+0.15fcu,m-22.33,R=0.968(5)圖6給出了擬合曲線,可見,擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好.2.2混凝土受拉峰值應(yīng)力與建立拉峰值應(yīng)力、建立拉拉強(qiáng)度關(guān)系劈拉試驗(yàn)在設(shè)備和技術(shù)上都易于實(shí)施,因此建立劈拉強(qiáng)度與受拉峰值應(yīng)力的關(guān)系很有意義.表3為凍融后混凝土劈拉強(qiáng)度fst,D實(shí)測(cè)結(jié)果.圖7為受拉峰值應(yīng)力與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線.由圖2及表3可以看出:凍融后受拉峰值應(yīng)力ft,D、劈拉強(qiáng)度fst,D都有明顯降低,而且不同等級(jí)的混凝土受拉峰值應(yīng)力ft,D與劈拉強(qiáng)度fst,D的衰減速度非常接近.綜上所述,混凝土受拉峰值應(yīng)力與劈拉強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系為:ft,D=(0.005fcu,m+0.65)fst,D-(0.021fcu,m-0.45),R=0.953(6)由圖7可明顯看出,受拉峰值應(yīng)力與劈拉強(qiáng)度呈近似線性關(guān)系.從相關(guān)系數(shù)可以看出,將其關(guān)系看作線性,擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得較好.3凍融前后混凝土應(yīng)力的變化(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土受拉力學(xué)性能下降程度逐漸加大,強(qiáng)度等級(jí)越高,該下降趨勢(shì)越緩慢,這表明提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抵抗凍融破壞是有利的.(2)含氣量的提高減緩了混凝土單軸受拉峰值應(yīng)力和單軸受壓應(yīng)力的衰減速