混凝土在壓應力狀態(tài)下的抗凍性試驗分析*

王海軍， 高　勇， 魏　華， 谷長葉

(1. 沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 遼寧省水利水電勘測設計研究院， 沈陽 110006)

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混凝土在壓應力狀態(tài)下的抗凍性試驗分析*

王海軍1， 高勇1， 魏華1， 谷長葉2

(1. 沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 遼寧省水利水電勘測設計研究院， 沈陽 110006)

為了分析壓應力對混凝土抗凍性的影響，采用無粘結預應力混凝土結構對C45混凝土試件施加應力比為0、0.4、0.5、0.6的軸向壓力，進行標準快速凍融試驗，每50次測量其動彈性模量、質量損失和抗壓強度的變化.結果表明：應力比為0時，混凝土的質量損失和動彈性模量下降較壓應力迅速，未達到抗凍標號F300；應力比為0.4、0.5的混凝土衰減趨勢基本一致，抗凍性較無應力狀態(tài)混凝土有所提高；應力比為0.6的混凝土，其抗凍性在兩者之間，在一定應力比下軸向壓應力可以提高混凝土的抗凍性能；對混凝土凍融壽命預測模型進行修正，修正后的模型具有一定的工程價值.

壓應力； 凍融循環(huán)； 應力比； 抗凍性； 無粘結鋼絞線； 預測模型； 動彈性模量； 質量損失

對于混凝土的耐久性問題，國內外無論在工程實際中還是在學術科研中都進行了非常多的研究，其中針對混凝土材料的抗凍性能也從各個方面做了大量的工作，確定了評價混凝土抗凍性能的一般方法，但為了更好地指導工程實踐，符合混凝土在具體工作過程中的狀態(tài)，研究雙因素或多因素共同作用下混凝土的耐久性對于準確判斷混凝土的使用壽命具有更重要的意義.

國內外對混凝土抗凍性研究較多，但大多是無應力狀態(tài)下的研究[1-5]，應力狀態(tài)下混凝土抗凍性研究較少.余紅發(fā)[6]研究了在彎曲荷載作用下混凝土的抗凍性；羅小勇[7]和鄒超英[8]研究了在壓應力狀態(tài)下混凝土的抗凍性能，然而得出的結論相駁.羅小勇認為當壓應力比在0.5以下時，隨著壓應力增加，混凝土凍融壽命提高，應力比在0.5～0.75時，隨著壓應力增加，混凝土凍融循環(huán)壽命降低；而鄒超英認為試件質量損失率和相對動彈性模量損失率隨所受應力的增加而增大，鑒于此，本文對軸壓力下混凝土的抗凍性進行了試驗分析.

1　試　驗

1.1試驗材料與配合比

混凝土的設計強度為C45，采用42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料采用人工砂，其細度模數(shù)為2.60；粗骨料是人工碎石，最大粒徑約為31.5 mm；減水劑采用萘系高效減水劑FDN-A，摻量為水泥用量的0.7%，減水率為10%～25%；引氣劑摻量為水泥的0.015%，試驗測得混凝土試件的含氣量為2.5%.混凝土的配合比如表1所示.

表1　混凝土配合比Tab.1　Mix proportion of concrete　kg/m3

1.2試件制作

通過在模具中心處開洞，放入帶橡膠管的1×7φs15.2的鋼絞線，澆筑制作了9個100 mm×100 mm×400 mm的試塊，同時制作了零應力對比試件.在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d，之后每3個一組使用穿心千斤頂施加應力比σc/fc(σc為外部壓力產生的壓應力值；fc為混凝土抗壓強度設計值)為0.4、0.5、0.6的軸向壓應力并標號，加載時依次在鋼絞線兩邊套上墊片、錨具和夾片后加載，通過油表讀數(shù)控制壓力大小，完成后將多余鋼絞線剪掉.加載過程及試件樣式如圖1所示.

1.3凍融試驗

將在軸向力作用下和3個無應力狀態(tài)的試件以及定期測定抗壓強度的試塊放入試驗機，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB-T50082-2009)中的快凍法進行凍融試驗，采用天津港源生產的HDD型混凝土凍融試驗機，試件中心溫度在(-18±2) ℃～(8±2) ℃，約4 h循環(huán)一次，動彈儀使用DY-18型，壓力機使用電液伺服壓力機，直到試件滿足混凝土抗凍性破壞標準，停止凍融試驗.

圖1　試件和加載過程Fig.1　Specimen and loading process

1.4數(shù)據(jù)處理方法

每50次對試件的質量和橫向基頻進行測量，并測量小試塊的抗壓強度，通過式(1)、(2)計算每一個試件的相對動彈性模量和質量損失，然后再按每一個應力比平均得到不同應力比下的最終值，其表達式為

(1)

Wni=[(m0i-mni)/m0i]×100%

(2)

式中：Pni為50次凍融循環(huán)后第i個混凝土試件相對動彈性模量；fni、f0i為50次凍融循環(huán)后和循環(huán)前第i個混凝土試件橫向基頻；Wni為50次凍融循環(huán)后第i個混凝土試件的質量損失率；m0i為凍融循環(huán)試驗前第i個混凝土試件的質量；mni為50次凍融循環(huán)后第i個混凝土試件的質量.

2　試驗結果及分析

2.1不同應力比下混凝土試件的表面變化

經過凍融循環(huán)試驗后，不同應力比下混凝土試件最終破壞表面情況如圖2所示，所有試件在整個過程中沒有因為軸向壓力的作用而出現(xiàn)裂縫，不同的是試件的抗凍性能及破壞時表面破壞嚴重程度不同.在循環(huán)過程中，試件表面的砂漿如泡發(fā)狀逐漸剝落，繼續(xù)循環(huán)砂漿變松軟，粗骨料外露，這時試件已經破壞，但沒有達到質量損失為5%的程度，同時發(fā)現(xiàn)壓力作用下相同凍融次數(shù)混凝土表面破壞情況較無應力破壞緩慢，應力比為0.6的混凝土在凍融破壞后表面破壞較其他應力比的情況嚴重.

圖2　試件凍融破壞表面Fig.2　Freezing-thawing damage surfaces of specimens

一般情況下，試件表面剝落明顯，側面次之，底面變化較小，這是由于在振搗時，粗骨料向下滑動，以致上表面水泥砂漿粗骨料少，密度小，說明密度對混凝土抗凍性有一定影響，凍融破壞主要作用在水泥砂漿.

2.2抗壓強度變化

混凝土的抗壓強度值如表2所示.每循環(huán)50次取3個試件進行普通混凝土抗壓試驗，通過觀察破壞試件的內部發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)150次時內部才完全濕潤，也就是說前100次循環(huán)試件內部仍然干燥，說明試件仍在進行水化作用，外部水沒有滲入，強度有所增長.混凝土抗壓強度在200次以前呈下降趨勢，幅度較小，循環(huán)300次時抗壓強度下降明顯.

表2　混凝土抗壓強度Tab.2　Ultimate compressive strength of concrete

2.3質量變化

規(guī)范規(guī)定在凍融試件中混凝土試件質量損失達到5%就可停止試驗，本試驗混凝土的質量損失均未達到5%，其隨凍融次數(shù)變化規(guī)律如圖3所示.相對質量為每循環(huán)50次時試件平均質量與初始時的比值.圖3中，PCF45-4(5，6)代表壓應力比為0.4(0.5，0.6)狀態(tài)下C45混凝土平均數(shù)值.從圖3中可以看出，試件的質量呈緩慢下降趨勢，質量損失是由砂漿剝落造成，質量隨著砂漿損傷程度而變化.150次以前質量受壓狀態(tài)的試件質量有所上升，說明試件仍在緩慢吸水，隨著循環(huán)進行，由外向內開始破壞，表面砂漿脫落，質量才開始下降.總體來說，壓應力作用對混凝土質量損失影響不明顯.

圖3　不同試件相對質量變化Fig.3　Relative mass variation of different specimens

2.4相對動彈性模量變化

各應力比下混凝土相對動彈性模量變化情況如圖4所示.對于快凍法，混凝土的抗凍等級利用滿足相對動彈性模量下降不低于60%、質量損失不超過5%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來表示.本試驗是通過相對動彈性模量最終確定混凝土的抗凍等級，各應力比下的混凝土相對動彈性模量都呈不同程度的下降趨勢，從圖4中可以看出：

1) 無應力混凝土動彈性模量下降最快，混凝土抗凍性最差，在循環(huán)300次時破壞；

2) 應力比為0.4、0.5狀態(tài)下的混凝土動彈性模量下降幅度相似，并未發(fā)現(xiàn)有梯度規(guī)律，并且抗凍等級達到了F350，說明在較低應力水平下的壓應力能夠提高混凝土的抗凍性；

3) 應力比為0.6的混凝土動彈性模量在凍融前期損失量和0.4、0.5應力比下?lián)p失量差距不大，但當循環(huán)達到200次后，動彈性模量下降幅度較大，未達到抗凍等級F350.

圖4　不同試件相對動彈性模量變化Fig.4　Variation in relative dynamic elastic modulus for different specimens

2.5結果分析

混凝土的凍融循環(huán)破壞都是微裂縫在應力作用下積累、發(fā)展到一定程度所致，混凝土在單獨壓應力荷載下，當壓應力比分別為小于0.30～0.50，0.75～0.90和大于0.75～0.90時，其內部微裂縫處于相對穩(wěn)定期、穩(wěn)定發(fā)展期和不穩(wěn)定發(fā)展期[9]，因此，當施加應力比為0.4和0.5時，混凝土內部裂縫是處于穩(wěn)定期，所加壓應力抑制了混凝土澆筑完成形成的微裂縫的繼續(xù)擴展.現(xiàn)有混凝土凍脹破壞原理認為內部孔隙水是造成混凝土凍融破壞的直接原因[10]，而所加壓應力抑制了裂縫的繼續(xù)開展，也就阻擋了外部水繼續(xù)進入混凝土中對其造成凍脹影響，所以對混凝土的抗凍性有了促進作用.

高應力的混凝土前期對混凝土的抗凍性有促進作用，原理同低應力比抑制裂縫開展，但隨著凍融次數(shù)增加，混凝土的強度在降低，開始所加應力比為0.6，之后應力水平必然超過0.6，更高的應力作用會將微裂縫貫通，形成大裂縫，甚至直接導致裂縫出現(xiàn)，則外部水將更快更多地滲入混凝土中，加速混凝土凍脹破壞，大大削弱混凝土的抗凍性.羅小勇及本文都是在混凝土設計強度基礎下施加比例應力，鄒超英所用試件是圓柱形，并且所加應力以試件標準值的倍數(shù)換算為相同立方體強度設計值，相當于其1.5倍之多，應力較大，鑒于此認為這是其結果相駁的原因.

混凝土的凍融破壞主要作用于水泥砂漿，是對水泥砂漿的凍脹破壞，所以選擇合適的水灰比、砂率以及性能優(yōu)越的水泥，級配良好的砂子是提高混凝土抗凍性的有效途徑.

3　混凝土抗凍壽命預測模型修正

文獻[7]通過對李金玉抗凍性預測模型的修正建立了不同預應力狀態(tài)下混凝土耐久性指數(shù)的數(shù)學模型，其表達式為

N=ηξ(A+1)1.5e-11.188(W/C-0.794)-0.013 07f

(3)

式中：N為混凝土能經受的最大抗凍融(快凍)次數(shù)；η為差異系數(shù)；ξ為預壓應力對凍融循環(huán)次數(shù)的影響系數(shù)；A為混凝土含氣量；W/C為水膠比；f為粉煤灰摻量.

將本試驗結果帶入式(3)計算發(fā)現(xiàn)結果有較大出入，本文直接引入壓力影響系數(shù)ω，計算方法為應力狀態(tài)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與零應力混凝土循環(huán)壽命比值，具體值如表3所示.通過影響系數(shù)來確定不同大小壓應力對混凝土抗凍性的影響.采用多元回歸分析得到ω與應力比的關系式，即

ω=1+2.515(σ/f)-4.045(σ/f)2-

7.516(σ/f)3+21.9(σ/f)4+

10.44(σ/f)5-39.92(σ/f)6

(4)

式中，σ/f為壓應力比.修正后的混凝土凍融壽命預測模型表達式為

N=ω(A+1)1.5e-11.188[W/(C+f)-0.794]-0.013 07f

(5)

將試驗參數(shù)A=2.5%，W/C=0.45，f=0及應力比代入式(5)，計算不同預應力狀態(tài)下混凝土最大抗凍融次數(shù)，結果如表4所示.

表3　混凝土凍融壽命與壓力影響系數(shù)Tab.3　Freezing-thawing cycle life of concrete and compressive stress influencing coefficient

表4　混凝土凍融次數(shù)預測值與實際值偏差Tab.4　Deviation between predicted and actual values of freezing-thawing times of concrete

根據(jù)表4可見，凍融壽命模型預測值N與本試驗測得試驗值Nn相對偏差較小，模型預測與試驗吻合良好.本模型對壓應力作用下混凝土凍融壽命預測有著實際工程意義.

4　結　論

本文通過分析得出以下結論：

1) 軸向壓應力對混凝土的質量損失影響不明顯，水泥砂漿的損失是造成質量變化的主要原因，水泥砂漿的性能是決定混凝土抗凍性的主要因素.

2) 混凝土的微裂縫是影響其抗凍性的主要原因，混凝土澆筑質量越好，密實程度越高，抗凍性越好.

3) 適當?shù)膲簯ψ饔每梢蕴岣呋炷恋目箖鲂?初步認為，當壓應力小于設計強度0.5倍時，可以抑制裂縫開展，提高混凝土抗凍性；當應力比大于0.5時，被認為是高應力，在凍融前期對混凝土抗凍性有益，隨著凍融次數(shù)增加，將加速混凝土破壞.

4) 混凝土微裂縫對其抗凍性影響巨大，控制裂縫開展是提高混凝土抗凍性的有效途徑.

5) 修正后的不同壓應力狀態(tài)下混凝土耐久性指數(shù)數(shù)學模型可以對壓應力下混凝土凍融壽命進行預測.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Experimental analysis on frost resistance property of concrete at compressive stress state

WANG Hai-jun1, GAO Yong1, WEI Hua1, GU Chang-ye2

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Investigation and Design Institute of Water Resources and Hydropower Liaoning Province, Shenyang 110006, China)

In order to analyze the influence of compressive stress on the frost resistance of concrete, the axial pressure with the stress ratio of 0, 0.4, 0.5 and 0.6 was applied on C45 concrete with the non bonded prestressed concrete structure. The standard fast freezing-thawing test was performed, and the changes of mass loss, dynamic elastic modulus and compressive strength were measured at every 50 cycle times. The results show that when the stress ratio is 0, the mass loss and dynamic elastic modulus drop faster than the compressive stress, and the frost resistance grade F300 is not achieved. The attenuation tendency of concrete with the stress ratios of 0.4 and 0.5 is consistent, and the frost resistance is better than the concrete at the state without stress. The frost resistance of concrete with the stress ratio of 0.6 is between those with the stress ratios of 0, 0.4 and 0.5. Under certain stress ratio, the axial compressive stress can improve the frost resistance of concrete. The prediction model for the freezing-thawing life of concrete was modified, and the modified model has certain engineering value.

compressive stress; freezing-thawing cycle; stress ratio; frost resistance; non bonded steel strand; prediction model; dynamic elastic modulus; mass loss

2015-10-12.

沈陽市科技計劃項目(F16-205-1-09).

王海軍(1972-)，男，河北河間人，教授，主要從事結構工程及耐久性等方面的研究.

建筑工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.15

TU 528.01

A

1000-1646(2016)04-0445-05

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網優(yōu)先數(shù)字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.028.html