凍融環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

凍融環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

0凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能的現(xiàn)狀研究冷杉破壞是混凝土建筑物長(zhǎng)期破壞和破壞的主要原因之一，嚴(yán)重影響了混凝土建筑物的長(zhǎng)期使用壽命和安全運(yùn)行。為了使這些建筑繼續(xù)發(fā)揮著使用作用，每年都需要花費(fèi)大量的維護(hù)成本?，F(xiàn)有的有關(guān)經(jīng)歷凍融循環(huán)后混凝土性能的試驗(yàn)資料中,大多是以質(zhì)量損失和動(dòng)彈模量損失為標(biāo)準(zhǔn),或針對(duì)混凝土抗凍性安全設(shè)計(jì)等級(jí)而展開(kāi)的。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,大家最關(guān)心的是混凝土的力學(xué)性能,如強(qiáng)度的損失直接關(guān)系到建筑物的使用性能及安全運(yùn)行。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82—85)和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5151—2001)中對(duì)混凝土抗凍等級(jí)的規(guī)定都沒(méi)有考慮混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外研究資料中涉及凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能的不多,且所采取的凍融循環(huán)方法也不盡相同,至于描述凍融損傷的混凝土壽命預(yù)測(cè)模型則更少。因此,開(kāi)展凍融循環(huán)對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究,并建立以強(qiáng)度為指標(biāo)的凍融環(huán)境壽命預(yù)測(cè)模型是十分必要的。這對(duì)于分析北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)、海岸及近?；炷翗?gòu)筑物,不僅有理論上的意義,同時(shí)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。本文在理論研究的基礎(chǔ)上依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了考慮混凝土水膠比、粉煤灰摻量、引氣劑摻量等因素的凍融循環(huán)下混凝土抗壓強(qiáng)度指數(shù)衰減規(guī)律預(yù)測(cè)模型,以期為凍融環(huán)境下混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù),也為混凝土耐久性的研究及其耐久性設(shè)計(jì)提供參考。1試驗(yàn)與研究1.1測(cè)試設(shè)計(jì)1.1.1充填材料及引氣劑水泥選用陜西秦嶺水泥總廠生產(chǎn)的PO42.5R普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為渭河電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰;粗骨料為粒徑5~20mm,陜西徑陽(yáng)口鎮(zhèn)石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石;細(xì)骨料為西安霸河中砂;引氣劑采用同濟(jì)大學(xué)研制的SJ-3型高效引氣劑;水為自來(lái)水。每m3標(biāo)準(zhǔn)試件A2配合比見(jiàn)表1,混凝土不同配合比的相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表2。1.1.2護(hù)室養(yǎng)護(hù)時(shí)間混凝土成型后帶模養(yǎng)護(hù)24h,拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2)℃,濕度為95%以上)養(yǎng)護(hù)30d,之后自然養(yǎng)護(hù)到預(yù)定齡期90d。不同配合比試件在養(yǎng)護(hù)期階段的抗壓強(qiáng)度變化見(jiàn)表3。1.2凍融循環(huán)試件成型前分別測(cè)定含氣量,含氣量的測(cè)定采用CA-3型混凝土含氣量測(cè)定儀。本試驗(yàn)采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82—85)中抗凍性能試驗(yàn)的“快凍法”進(jìn)行。試件放入凍融箱前在溫度為15~20℃的水中浸泡4d,每次凍融循環(huán)應(yīng)在2~4h內(nèi)完成,從6℃降低至-15℃所用時(shí)間不得少于凍結(jié)時(shí)間的1/2,同時(shí)從-15℃升至6℃所用的時(shí)間不少于整個(gè)融化時(shí)間的1/2,試件中心溫度控制在(-17±2)℃和(8±2)℃。對(duì)混凝土試件分別進(jìn)行300次凍融循環(huán),其中每50次凍融循環(huán)后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),尺寸采100mm×100mm×100mm?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),每種工況至少試驗(yàn)3個(gè)試件,將試件軸心物理對(duì)中再以標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)加載速率施加荷載。1.3試驗(yàn)結(jié)果及分析1.3.1凍融循環(huán)率對(duì)混凝土單軸受體深混凝土試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)之后,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加其表面剝落程度也越來(lái)越嚴(yán)重。在凍融循環(huán)后混凝土單軸受壓試驗(yàn)中,混凝土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其破壞時(shí)發(fā)出的爆裂聲也越明顯,尤其是粉煤灰摻量最大的試件A6,爆裂聲較其余配比試件嚴(yán)重。不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。1.3.2凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度損失率的影響試驗(yàn)配合比采用水膠比分別為0.35,0.45和0.55,粉煤灰摻量為30%,引氣劑摻量為膠凝材料的0.03%的混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),具體參數(shù)見(jiàn)表2。圖1為不同水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。從圖1可以看出,水膠比為0.35的試件A1在150次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為9%;200次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為14.3%;300次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為26%。水膠比為0.45的試件A2在300次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為27.68%。水膠比為0.55的試件A3在300次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為28.26%。從以上敘述可以看出,水膠比對(duì)凍融環(huán)境混凝土的抗壓強(qiáng)度損失是有影響的,水膠比越小的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率越小。因此,有抗凍要求時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用水膠比小、強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土。1.3.3抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化試驗(yàn)采用水膠比為0.45,粉煤灰摻量分別為0,10%,30%和50%,引氣劑摻量為膠凝材料的0.03%的混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),具體參數(shù)見(jiàn)表2。圖2為不同粉煤灰摻量混凝土抗壓強(qiáng)度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。從圖2可以看出,粉煤灰摻量為50%的試件A6抗壓強(qiáng)度損失率增加較快,150次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為28%;200次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率已增加至46%。粉煤灰摻量較小的試件A5和A2,200次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率分別為19.2%和16.77%。而沒(méi)有摻入粉煤灰的試件A4經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為22.7%。從以上敘述可以看出,摻入適量粉煤灰對(duì)凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率沒(méi)有大的影響,但摻量不宜超過(guò)30%。1.3.4凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度損失率的影響試驗(yàn)采用水膠比為0.45,粉煤灰摻量為30%,引氣劑摻量分別為膠凝材料的0.02%,0.025%以及0.03%的混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),具體參數(shù)見(jiàn)表2。圖3為不同含氣量混凝土抗壓強(qiáng)度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。從圖3可以看出,引氣劑摻量較少的試件A7抗壓強(qiáng)度損失率增長(zhǎng)很快,50次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為9%;100次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率為22%;而150次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率超過(guò)了50%。含氣量較大的試件A8和A2,300次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度損失率分別為34.27%和27.68%。從以上敘述可以看出,含氣量對(duì)凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強(qiáng)度損失影響很大。因此,對(duì)于有抗凍性要求的混凝土,摻入適量的引氣劑是很重要的。2在冷凍條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度衰減的模型建設(shè)2.1凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響依據(jù)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù),混凝土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的衰變大致符合指數(shù)規(guī)律分布,混凝土的衰變是其自身結(jié)構(gòu)的破損引起的,應(yīng)隨原始量做自然率規(guī)律衰減,近似符合牛頓的物質(zhì)冷卻定律?？梢哉J(rèn)為原材料、摻合料、水膠比相同的混凝土的抗壓強(qiáng)度衰變規(guī)律相似。假定其衰變速率為dRt/dN,它應(yīng)與凍融循環(huán)中的抗壓強(qiáng)度差成正比,即:以水膠比0.45的混凝土作為標(biāo)準(zhǔn)試件,以其試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn),通過(guò)對(duì)其300次凍融循環(huán)內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果回歸分析,其衰減系數(shù)λ=0.001,則抗壓強(qiáng)度Rt與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系為:令參數(shù)ρ=Rt/R0。式中:β是待定系數(shù);Rt,R0分別是凍融循環(huán)后和凍融循環(huán)前抗壓強(qiáng)度;N為經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)。設(shè)β=kwkfka,其中kw,kf,ka分別為不同水膠比w,不同粉煤灰摻量f以及不同含氣量a單因素下試件的抗壓強(qiáng)度修正系數(shù),則剩余抗壓強(qiáng)度比ρ與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系為:2.2修正系數(shù)的確定2.2.1同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)行歸一化處理根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)水膠比w=0.35,0.45,0.55時(shí),不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度損失率分別進(jìn)行以w=0.45的混凝土為標(biāo)準(zhǔn)的歸一化處理,此時(shí)粉煤灰摻量為30%,引氣劑摻量為0.03%。經(jīng)回歸計(jì)算得不同水膠比時(shí)修正系數(shù)kw與水膠比的關(guān)系為:2.2.2循環(huán)次數(shù)的確定通過(guò)對(duì)粉煤灰摻量f=0,10%,30%,50%時(shí),不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度損失率分別進(jìn)行以f=30%的混凝土為標(biāo)準(zhǔn)的歸一化處理,此時(shí)水膠比取0.45,引氣劑摻量為0.03%。經(jīng)回歸計(jì)算得不同粉煤灰摻量時(shí)修正系數(shù)kf與粉煤灰摻量的關(guān)系為:2.2.3融循環(huán)次數(shù)的確定通過(guò)對(duì)引氣劑摻量a=0.02%,0.025%,0.03%時(shí),不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度損失率分別進(jìn)行以a=0.03%時(shí)的混凝土為標(biāo)準(zhǔn)的歸一化處理,此時(shí)水膠比取0.45,粉煤灰摻量為30%。經(jīng)回歸計(jì)算得不同含氣量修正系數(shù)ka與含氣量的關(guān)系為:其中1.8%≤a≤7%。2.3抗壓強(qiáng)度指數(shù)衰減規(guī)律預(yù)測(cè)模型根據(jù)(3)~(7)式,可得到以抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo),綜合水膠比w、粉煤灰摻量f和含氣量a等因素的凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度指數(shù)衰減規(guī)律預(yù)測(cè)模型,即:式中:ρ=Rt/R0;N為凍融循環(huán)次數(shù);w為水膠比;f為粉煤灰摻量;a為含氣量;Rt,R0分別是凍融循環(huán)后和凍融循環(huán)前初始抗壓強(qiáng)度。2.4抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,選用李金玉教授等人的已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文預(yù)測(cè)模型計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。混凝土水膠比為0.65,粉煤灰摻量為0,含氣量6%,初始強(qiáng)度21.9MPa,歷經(jīng)225次快速凍融循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度為17MPa;運(yùn)用本文抗壓強(qiáng)度指數(shù)衰減規(guī)律預(yù)測(cè)模型,得出歷經(jīng)225次快速凍融循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度為17.7MPa。對(duì)比結(jié)果可見(jiàn),誤差為4%,說(shuō)明該模型準(zhǔn)確性較高。3建筑混凝土凍融次數(shù)預(yù)測(cè)模型通過(guò)式(8),可推得凍融循環(huán)次數(shù)N的表達(dá)式:應(yīng)用本文得出的預(yù)測(cè)模型對(duì)既有建筑物進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的主要步驟如下:1)已知既有建筑混凝土材料配合比,如水膠比、粉煤灰摻量和含氣量;2)已知既有建筑混凝土初始強(qiáng)度,并通過(guò)無(wú)損檢測(cè)法測(cè)得現(xiàn)有強(qiáng)度;3)運(yùn)用本文中凍融循環(huán)次數(shù)預(yù)測(cè)模型式(9)推算出所經(jīng)歷的快速凍融次數(shù);4)通過(guò)快速凍融試驗(yàn)方法室內(nèi)外的對(duì)比關(guān)系,預(yù)測(cè)既有建筑的安全運(yùn)行年限或剩余壽命。4混凝土安全運(yùn)行年限十三陵水庫(kù)位于北京市昌平縣十三陵鄉(xiāng),壩址座落在溫榆河支流東砂河的東山口村。水庫(kù)建于1958年1月21日,當(dāng)年7月1日竣工。以該水庫(kù)西南區(qū)中部為例,上池混凝土面板標(biāo)準(zhǔn)配比:水膠比為0.44,粉煤灰摻量為0,含氣量為6.5%?；炷?8d平均抗壓強(qiáng)度35.4MPa(滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)25MPa要求)。根據(jù)1999年對(duì)該水庫(kù)西南坡中部3塊混凝土面板跟蹤檢測(cè)結(jié)果,強(qiáng)度能滿足C25的要求。以設(shè)計(jì)指標(biāo)25MPa為要求,依據(jù)本文模型可以推算出混凝土面板大約能歷經(jīng)454次快速凍融循環(huán)。再依據(jù)李金玉等人的試驗(yàn)研究,北京地區(qū)平均每年遭受84次室外自然環(huán)境凍融循環(huán),作用快速凍融試驗(yàn)方法室內(nèi)外的對(duì)比關(guān)系為1∶12.9,可得出該水庫(kù)每年歷經(jīng)6.5次快速凍融循環(huán),454/6.5=69.85,即該處混凝土安全運(yùn)行年限約為70年;則該水庫(kù)西南坡中部上池混凝土面板剩余壽命約為20年。5粉煤灰摻量和摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響(1)本文通過(guò)對(duì)粉煤灰引氣混凝土凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究,探討了對(duì)其影響最大的三個(gè)因素:水膠比、粉煤灰摻量和含氣量。通過(guò)試驗(yàn)分析得出,對(duì)抗壓強(qiáng)度損失率影響最大的是含氣量,其次是水膠比。(2)粉煤灰摻量也會(huì)