凍融對混凝土受拉性能的影響

凍融對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，也是中國基礎設施建設的主導結(jié)構(gòu)。隨著混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的不斷擴大，服務環(huán)境變得越來越復雜?；炷恋牟煌耆扑槭且粋€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產(chǎn)生負面影響。目前,國內(nèi)外學者主要研究在凍融循環(huán)作用下混凝土的抗壓強度、劈拉強度、抗折強度、抗拉強度、相對動彈性模量以及質(zhì)量損失等力學性能,在混凝土的拉壓、多軸強度方面雖然也有一定的研究成果,但是對抗拉強度方面的研究僅僅局限在單一因素上,而且?guī)缀鯖]有關(guān)于混凝土經(jīng)過凍融后抗拉強度與劈拉強度關(guān)系的研究.眾所周知,混凝土的抗拉強度和受拉變形特征是其基本的力學性能之一.它既是研究混凝土強度理論和破壞機理的一個重要組成部分,又直接影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度和剛度計算.雖然混凝土的抗拉作用在承載力計算時是被忽略的,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,對豐富凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的設計理論以及在役結(jié)構(gòu)的耐久性評價,都具有十分重要的意義.本文對經(jīng)受凍融循環(huán)作用的不同等級混凝土試塊進行靜彈性模量、受拉峰值應力以及劈拉強度的試驗研究,建立了相應的計算模型.1試驗總結(jié)1.1節(jié)點卡具設計本文在設計試件尺寸時,考慮到端部效應,對試件中間部分進行了面積消減,軸拉試件尺寸及斷面圖如圖1所示.在設計端部連接方式時,為實現(xiàn)軸心抗拉,使應力均勻分布,在抗拉試件兩端部預埋4根?12×150mm的鋼筋,將外露的鋼筋部分絞成螺紋,方便試驗操作.根據(jù)試件形狀和端頭鋼筋螺桿的埋設位置,制作卡具,卡具底板上預留的圓形孔大于螺桿直徑,以方便調(diào)整卡具相對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的碎石以及細度模數(shù)為2.88的中砂.強度設計等級分為4個: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)護結(jié)束后,用氣壓式含氣量測定儀測得攪拌后混凝土的含氣量見表1.在含氣量小于4%(體積分數(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,而對混凝土強度的影響很小.粉煤灰的摻量為11%～22%(質(zhì)量分數(shù),下同).摻入粉煤灰會降低混凝土的早期強度,但對后期強度起到提高作用.在粉煤灰摻量小于30%時,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混凝土抗壓強度由于抗拉試件的非標準性,所以采用木模板成型,立方體試件則采用GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》規(guī)定的標準試塊鋼模成型.澆注完成的試塊放在空調(diào)房中養(yǎng)護24h后拆模,隨后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護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)護和浸泡,直至凍融試驗階段,以保證它們具有相同的初始強度.正式加載試驗前,測得混凝土立方體抗壓強度fcu,m如表2所示.從表2可見:C20強度富裕量充足,C30,C40強度富裕量基本滿足要求,只有C50強度富裕量存在不足.故本文以實測強度作為擬合依據(jù),結(jié)果適用的混凝土抗壓強度范圍為29.1～50.7MPa.1.4試驗制度及設備依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中快凍法試驗制度,對各組試件分別進行25,50,75,100及125次凍融循環(huán).軸心受拉試驗和劈拉試驗按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行.2凍融循環(huán)試驗由于凍融100次以后,C20,C30試件出現(xiàn)了斷裂,所以只對C20,C30級試件進行25,50及75次凍融循環(huán),對C40,C50混凝土則進行25,50,75,100及125次凍融循環(huán).試驗主要通過測定受拉構(gòu)件的拉伸來得到混凝土凍融后的受拉峰值應力、受拉峰值應變以及受拉靜彈性模量,并通過立方體試件的劈拉試驗,研究經(jīng)過凍融循環(huán)后混凝土的受拉峰值應力與劈拉強度的關(guān)系.2.1參數(shù)分析對力學性能的影響2.1.1凍融循環(huán)作用下的混凝土受拉峰值應力混凝土試件受拉峰值應力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,在相同強度等級的條件下,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試件的受拉峰值應力呈明顯下降趨勢.凍融循環(huán)次數(shù)達到25次時,各等級試件受拉峰值應力下降了10%左右;凍融循環(huán)次數(shù)達到75次時,C20,C30試件受拉峰值應力迅速下降了35%;在凍融循環(huán)125次時,C40和C50試件受拉峰值應力下降了50%.這是由于經(jīng)過凍融循環(huán)后,毛細孔中的冰晶擠壓毛細孔壁產(chǎn)生壓力,使部分毛細孔結(jié)構(gòu)破裂,抗拉強度降低.綜合上述數(shù)據(jù),擬合的混凝土受拉峰值應力與凍融循環(huán)次數(shù)、立方體抗壓強度關(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,擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)符合得很好.商懷帥等在文獻中通過對fcu,m=34.2MPa的混凝土(含氣量約為1%～2%)進行試驗,給出了相對受拉峰值應力與凍融循環(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(文獻中實測初始抗拉強度)代入式(2),則式(1)和式(2)對應的擬合曲線對比結(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,兩者變化趨勢接近.這也說明增大含氣量對混凝土的抗凍性起到了正面增強作用,減小了凍融后受拉峰值應力下降的幅度.2.1.2凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土抗壓強度的影響各強度等級的混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的受拉峰值應變εt,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:在相同強度等級下,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試件的受拉峰值應變呈明顯的下降趨勢.究其原因有二:一是受拉峰值應力降低的影響;二是凍融作用導致試塊內(nèi)部微裂縫增多和裂紋擴展速度增大,加快了內(nèi)部裂縫發(fā)展進程.根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)擬合出了混凝土受拉峰值應變與凍融循環(huán)次數(shù)、立方體抗壓強度的關(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)果與試驗結(jié)果符合較好.商懷帥等在文獻中通過對fcu,m=34.2MPa的混凝土(含氣量約為1%～2%)進行試驗,給出了受拉峰值應變與凍融循環(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)對應的擬合曲線,見圖5.由圖5可以看出:由于式(4)只是針對單一強度得到的,并沒有考慮到強度等級的影響,所以當凍融循環(huán)次數(shù)為0時,2條曲線的初始受拉峰值應變有一定的差距,但它們的整體趨勢是相同的.2條曲線峰值應變的大小差異說明: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凍融作用對混凝土受拉靜彈性模量的影響本文以50%受拉峰值應力處(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),其實測結(jié)果見圖6.結(jié)果表明:各等級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)達到125次時,強度等級最高的C50混凝土受拉靜彈性模量降低了27%.但從總體變化趨勢看,高強度等級的混凝土受拉靜彈性模量下降較平緩,說明強度等級提高對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,說明受拉應力的下降速度超過受拉應變,對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)果與試驗結(jié)果符合較好.2.2混凝土受拉峰值應力與建立拉峰值應力、建立拉拉強度關(guān)系劈拉試驗在設備和技術(shù)上都易于實施,因此建立劈拉強度與受拉峰值應力的關(guān)系很有意義.表3為凍融后混凝土劈拉強度fst,D實測結(jié)果.圖7為受拉峰值應力與劈拉強度的關(guān)系曲線.由圖2及表3可以看出:凍融后受拉峰值應力ft,D、劈拉強度fst,D都有明顯降低,而且不同等級的混凝土受拉峰值應力ft,D與劈拉強度fst,D的衰減速度非常接近.綜上所述,混凝土受拉峰值應力與劈拉強度、立方體抗壓強度的擬合關(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,受拉峰值應力與劈拉強度呈近似線性關(guān)系.從相關(guān)系數(shù)可以看出,將其關(guān)系看作線性,擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)符合得較好.3凍融前后混凝土應力的變化(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土受拉力學性能下降程度逐漸加大,強度等級越高,該下降趨勢越緩慢,這表明提高混凝土強度等級對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力和單軸受壓應力的衰減速