燒結普通磚凍融損傷可靠度研究

燒結普通磚凍融損傷可靠度研究

冷融破壞是建筑材料運行中的主要疾病之一。在中國東北部、華北和西北地區(qū)的項目中，某些項目達到了相對較高的水平。因此,開展建筑材料凍融損傷機理研究和力學性能研究十分必要。目前,國內外對混凝土在凍融循環(huán)作用下的強度、質量損失率以及相對動彈性模量等進行了較多的試驗研究[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],但是對于新型墻體材料的凍融損傷模型仍然沒有建立起完整的理論體系,在實際工程中受到種種限制而無法應用。通過對6種新型墻體材料和燒結普通磚在不同凍融循環(huán)次數下的試驗,研究了新型墻體材料的質量損失率、強度損失率與循環(huán)次數的關系,結合新型墻體材料凍融損傷失效過程,建立了新型墻體材料的凍融損傷時變可靠度計算模型。結果表明:以混凝土實心磚為例,隨著時間的推移,混凝土實心磚的凍融循環(huán)時變可靠指標逐漸變小,變化趨勢呈拋物線型。通過模型可預測新型墻體材料的凍融循環(huán)壽命,為新型墻體材料的凍融損傷計算提供依據,為維護部門提供決策依據,降低失效風險。本文作者結合新型墻體材料凍融損傷失效過程的試驗研究,采用簡單數學模型,描述新型墻體材料的單一因素凍融損傷失效過程,獲得了新型墻體材料的凍融損傷數學模型,在理論上提出凍融損傷速度和凍融損傷加速度的概念,最后探討了新型墻體材料的凍融損傷數學模型在耐久性壽命預測中的應用問題。1抗壓強度試驗墻體材料選用北方普遍采用的混凝土小型空心砌塊、混凝土多孔磚、廢渣混凝土多孔磚、混凝土實心磚、煤矸石燒結磚、蒸壓粉煤灰磚和黏土燒結普通磚?？箖鲂栽囼瀰⒄誈B/T4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗方法》進行。取樣品10塊,其中5塊凍融試件浸入10~20℃的水池中,水面高出試件20mm以上,試件間距不小于20mm,另外5塊試件作對比。凍融試件在水中浸泡4d后取出,用濕布拭干內外表面,立即稱量飽和面干狀態(tài)下的質量,精確至0.05kg。將5塊凍融試件放入預先降至-15℃的冷庫中,間距大于20mm,當溫度再次降至-15℃時開始計時,冷凍4h后取出,再置于水溫為10~20℃的水中融化2h。將凍融循環(huán)數規(guī)定為25,50和75次,達到規(guī)定循環(huán)數后,將試件從水中取出,拭干表面后,稱量凍后飽和面干狀態(tài)質量,精確至0.05kg,靜置24h后,與對比試樣一起抹面,進行抗壓強度試驗。計算質量損失率和強度損失率,精確至0.1%。2凝土多孔磚的質量損失率將6種新型墻體材料和普通燒結磚在凍融循環(huán)條件下質量損失率與循環(huán)數的關系以及強度損失率與循環(huán)數的關系見圖1和2。從圖1可以看出:隨著凍融次數的增加,普通混凝土砌塊、混凝土實心磚、煤矸石燒結磚、混凝土多孔磚的質量損失率與普通燒結磚的質量損失率的變化相近,而廢渣混凝土多孔磚和蒸壓粉煤灰磚的質量損失率與普通燒結磚的質量損失率相差較大。從圖2可以看出:隨著凍融次數的增加,普通混凝土砌塊、混凝土實心磚、煤矸石燒結磚、混凝土多孔磚、蒸壓粉煤灰磚的強度損失率與普通燒結磚的強度損失率的變化相近,而廢渣混凝土多孔磚的強度損失率與普通燒結磚的強度損失率相差較大。并且,廢渣混凝土多孔磚、混凝土多孔磚、普通混凝土砌塊和混凝土實心磚的曲線是下拋型,即隨著循環(huán)次數的增加,強度損失率變化越趨于緩和;煤矸石燒結磚、蒸壓粉煤灰磚和燒結普通磚的曲線是上拋型,即隨著循環(huán)數的增加,強度損失率變化越大。3新型墻體材料凍融損傷規(guī)律為了分析新型墻體材料的凍融損傷效應,根據損傷力學的原理,采用Brown等建議的損傷因子:式中:σD為以強度損失為變量的新型墻體材料損傷變量;Dm為以質量損失為變量的新型墻體材料損傷變量;σr為新型墻體材料的強度損失率;mr為新型墻體材料的質量損失率。通過對這些曲線的分析研究,發(fā)現這些曲線主要為拋物線型。本文以凍融實驗結果為例,采用簡單的數學模型引出新型墻體材料的凍融損傷數學模型,來描述新型墻體材料的凍融損傷規(guī)律?；貧w分析模型可以用一元二次多項式描述新型墻體材料的質量損失率mr或強度損失率σr與凍融循環(huán)數N之間的拋物線關系:式中:a,b,c和d為待定的相關系數。7組墻體材料的凍融損傷數學模型中的凍融損傷參數見表1。從表1中可以得出:SigF<0.05,表明回歸極顯著。4凍融循環(huán)時變可靠度計算新型墻體材料在使用期內,隨著時間的推移,凍融循環(huán)后的可靠指標在逐漸變化,以強度損失率為基本變量,建立新型墻體材料凍融循環(huán)時變計算模型為:式中:σr0為強度損失剩余率,規(guī)范值為0.8;t為時間,a;Nt為每年的凍融循環(huán)數變量。其中,每年的凍融循環(huán)次數可到氣象部門進行統(tǒng)計,根據30a的凍融循環(huán)數,進行統(tǒng)計分析,每年的凍融循環(huán)數的分布類型,以及平均值和變異系數。在這里,由于缺乏足夠的統(tǒng)計資料,為便于分析說明,假定Nt服從正態(tài)分布,平均值和變異系數為5和0.1。因此,由式(5)得到動態(tài)可靠指標,可表示為:式中:μσr(t)和σσr(t)分別為時變強度損失率的平均值和標準差。當基本變量不是正態(tài)分布時,應首先將其當量正態(tài)化。以混凝土實心磚為例,因此,建立混凝土實心磚凍融循環(huán)時變可靠度計算模型:約束條件:式中:x1為Nt轉換的獨立正態(tài)隨機變量;t為時間,a。計算結果見圖3。由圖3可知:隨著時間的推移,混凝土實心磚的凍融循環(huán)時變可靠指標逐漸變小,變化趨勢呈拋物線型。表2所示為既有構件鑒定等級與要求的可靠指標關系。通過時變可靠度的計算,根據表2可判定在某一時段內,該混凝土實心磚砌筑的構件需要進行維護,該計算方法可為維護部門提供決策依據,降低失效風險。圖3中新型墻體材料在凍融情況下,滿足可靠指標的使用壽命遠低于合理使用年限,作者認為實際中,墻體材料外圍還有相關保護層,在實驗中墻體材料沒有外保溫措施,直接進行凍融循環(huán)。5新型墻體材料凍融損傷時變可靠度的變化(1)隨著凍融數的增加,普通混凝土砌塊、混凝土實心磚、煤矸石燒結磚、混凝土多孔磚的質量損失率與普通燒結磚的質量損失率的變化相近,而廢渣混凝土多孔磚和蒸壓粉煤灰磚的質量損失率與普通燒結磚的質量損失率相差較大。同時,廢渣混凝土多孔磚、混凝土多孔磚、普通混凝土砌塊和混凝土實心磚的強度損失曲線是下拋型,即隨著循環(huán)數的增加,強度損失率變化越趨于緩和;煤矸石燒結磚、蒸壓粉煤灰磚和燒結普通磚的曲線是上拋型,即隨著循環(huán)數的增加,強度損失率變化越大。(2)結合新型墻體材料凍融損傷失效過程,建立了新型墻體材料的凍融損傷時變可靠度計算模型,以混凝土實心磚為例,隨著時間的推移,混凝土實心磚的凍融循環(huán)時變可靠指標逐漸變小,變化趨勢