彎曲荷載作用下粉煤灰混凝土抗鹽凍性能研究

劉杏娟,康希佞,劉燕

彎曲荷載作用下粉煤灰混凝土抗鹽凍性能研究

劉杏娟,康希佞,劉燕*

河北農業大學城鄉建設學院河北 保定 071001

為研究彎曲荷載作用下粉煤灰混凝土的抗鹽凍性能，本文設計制作了不同粉煤灰摻量的鋼筋混凝土試塊在3.5% NaCl溶液中進行的快速凍融循環試驗，對其施加不同水平的彎曲荷載，通過測量損傷后試塊的動彈性模量，分析粉煤灰摻量以及彎曲荷載對混凝土試塊鹽凍損傷的影響。研究結果表明：粉煤灰摻量為20%時可有效改善混凝土的抗鹽凍性能；彎曲荷載加劇了粉煤灰混凝土的鹽凍損傷。

彎曲荷載; 粉煤灰混凝土; 凍融循環; 鹽凍損傷

混凝土結構是目前土木工程中最常見的結構形式，常應用于房屋建筑、跨海橋梁、公路、海底隧道和海岸港口等[1]。其中，處于嚴寒地區海洋環境中的混凝土結構主要受到凍融循環、氯鹽侵蝕和彎曲荷載等破壞因素協同作用[2]，為降低破壞過程中混凝土的損傷程度，保證混凝土材料在使用過程中的安全性和耐久性[3-5]、開展在多種破壞因素協同作用下的混凝土劣化機理研究[6-8]成為諸多專家學者越來越關心的問題。本試驗以不同粉煤灰摻量的鋼筋混凝土構件為研究對象，進行彎曲荷載作用下粉煤灰混凝土抗鹽凍性能分析。

1 試驗設計

本試驗采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級粉煤灰，細骨料采用細度模數為2.74且級配良好的河砂，粗骨料選用粒徑為5~20 mm連續級配的碎石，聚羧酸系高性能減水劑，引氣劑是能溶于水的K12型白色粉末。混凝土配合比如表1。

表 1 混凝土配合比

1.1 試驗方法

1.1.1 試件制備試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件配筋為：主筋、架立筋和箍筋均采用直徑為6 mm的HPB235級光圓鋼筋，配筋圖如圖1所示。

圖 1 配筋圖

1.1.2 加載裝置參照文獻[9]中的加載裝置自行設計了圖2所示的彎曲荷載加載裝置。由兩根直徑12 mm的螺桿、八個螺母以及四個墊片和兩個鋼柱支座組成。通過扭矩扳手扭動螺母產生緊固力使螺桿產生拉力，在試塊兩側形成壓力，從而對試塊施加彎曲荷載，其大小通過扭矩扳手進行調節。

凍融試驗前，測得四種粉煤灰摻量的極限彎曲荷載，通過公式=··（為扭矩大小；為扭矩系數，取0.19；為螺桿直徑，取12 mm）對極限彎曲承載力進行計算，對四組試塊施加相應的極限彎曲荷載。

1.2 試驗步驟

對四種不同粉煤灰摻量的鋼筋混凝土施加0%、20%、40%、60%的極限抗彎承載力并在3.5% NaCl溶液中進行快速凍融循環試驗，在凍融箱里進行0次、25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次循環試驗，每次循環試驗后測量動彈性模量。

圖 2 加載裝置示意圖

圖 3 粉煤灰摻量對鋼筋混凝土動彈性模量的影響

2 結果與分析

2.1 粉煤灰摻量對鋼筋混凝土抗鹽凍性能影響

無荷載狀態下四組粉煤灰摻量的混凝土試塊的相對動彈性模量變化曲線如圖3所示。

由圖可知，四種不同粉煤灰摻量的鋼筋混凝土試塊的相對動彈性模量均隨凍融循環次數的增加而下降。當凍融次數一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試塊的彈性模量出現先增加后減小的變化趨勢，說明適當摻加粉煤灰能提高鋼筋混凝土的抗鹽凍性能，但摻量過多會使其抗鹽凍性能降低，本試驗中粉煤灰最佳摻量為20%。

粉煤灰參與二次水化反應，消耗了水泥水化產生的Ca(OH)2，生成更穩定的水化產物，增強了水泥與界面骨料的粘結，并填充混凝土內部的孔隙，粉煤灰在增加混凝土強度的同時使混凝土內部更加密實，提高了鋼筋混凝土的抗鹽凍能力。凍融150次和200次循環時曲線的間距較小，此時損傷速度放緩，原因在于鋼筋混凝土試塊經過150次凍融循環后，內部產生微小裂紋，當裂紋擴展到一定程度時進入補償強度相對持的狀態，減緩了混凝土動彈性模量的下降速度。隨著凍融循環次數的增加，原有微細裂紋不斷延長同時伴隨著新裂紋的產生，鋼筋與混凝土發生滑移，混凝土內部損傷不斷加深，從而使混凝土動彈性模量不斷降低。

2.2 彎曲荷載對鋼筋混凝土抗鹽凍性能的影響

鋼筋混凝土試塊在荷載作用破壞下動彈性模量會先達到破壞標準，隨著彎曲荷載水平的增加，四種粉煤灰摻量的鋼筋混凝土試塊的動彈性模量均呈下降趨勢。對比施加彎曲荷載與無荷載狀態，施加彎載的試塊動彈性模量急劇下降，說明彎曲荷載對鋼筋混凝土的抗鹽凍能力有不利影響。四組粉煤灰摻量的混凝土試塊均在受到60%的彎曲荷載水平下凍融循環200次時的相對動彈性模量下降到60%以下達到破壞，混凝土沿鋼筋縱深方向生成裂縫且鋼筋與混凝土完全脫開，混凝土完全喪失承載力，由鋼筋承擔彎曲荷載。隨著彎曲荷載的增加，混凝土試塊表面產生裂縫并逐漸變寬，加速鹽溶液侵蝕混凝土的內部，但鹽溶液會降低混凝土中水的冰點，減緩了因凍結作用造成的凍脹，從而使相對動彈性模量的下降速率較為緩慢。

2.3 彎曲荷載和鹽凍循環作用下鋼筋混凝土損傷度的分析

凍融循環過程中，氯離子造成的混凝土試塊飽水度和結冰壓增加使混凝土開裂，混凝土試塊發生局部的微小裂紋后逐步延伸，在彎曲荷載的作用下內部裂紋會急劇加寬，且彎曲荷載水平越大微細裂紋擴展速度越快，使混凝土試塊的強度和剛度下降，直至結構喪失承載力。為量化彎曲荷載對鋼筋混凝土試件鹽凍損傷度的影響，對四組粉煤灰摻量的試塊的損傷度與彎曲荷載水平和鹽凍循環次數進行回歸分析，如表2。

表 2 回歸分析

注：：混凝土損傷度；S：彎曲荷載水平；SF：鹽凍循環次數。

Note:: degree of concrete damage;S: bending load level;SF: number of salt freezing cycles.

鋼筋混凝土試塊的損傷度與彎曲荷載水平和鹽凍循環次數呈二元一次多項式關系，損傷度隨彎曲荷載水平和鹽凍循環次數的增加而增加，相關系數均＞0.95，擬合效果良好，利用該回歸方程對構件進行損傷度的計算時，僅適用于在0%~60%極限彎曲荷載水平內進行。

3 結 論

（1）適當摻加粉煤灰可以提高鋼筋混凝土的抗鹽凍性能，其中摻量在20%以下能有效激發粉煤灰的活性，改善混凝土的性能以及提高其內部的密實性，試驗中20%的粉煤灰摻量為最佳摻量；

（2）彎曲荷載的增大會加速混凝土裂紋的延伸擴展并產生新的裂紋，加快氯化鈉鹽溶液的擴散速度，加劇鋼筋銹蝕并進一步加劇混凝土的損傷進程。鹽溶液會降低混凝土中水的冰點，減緩因凍結作用造成的凍脹，減緩動彈性模量的下降速率；

（3）鋼筋混凝土試塊的損傷度與彎曲荷載水平和鹽凍循環次數呈二元一次多項式關系，損傷度隨彎曲荷載水平和鹽凍循環次數的增加而增加，相關系數均＞0.95，擬合效果良好。

[1] 陳勇.氯鹽損傷混凝土力學及滲透性能研究[D].揚州:揚州大學,2019

[2] 黃騰飛,包亦望,姚燕.在鹽凍循環、鋼銹與彎曲荷載協同作用下鋼筋混凝土的損傷失效研究[J].工業建筑,2005(5):63-67

[3] Mehta PK. Durability-critical Issues for the Future [J]. Concrete International, 1997,19(7):27-31

[4] 吳中為,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999:218-219

[5] Neville A. Consideration of Durability of Concrete Structures: Past, Present and Future [J]. Materials and Structures, 2001,34(3):114-118

[6] 曹銀,王玲,王振地.彎拉荷載-凍融循環-氯鹽侵蝕作用下混凝土的劣化[J].建筑材料學報,2016,19(5):821-825

[7] 屈鋒,牛荻濤,楊宇曦.鹽凍循環作用下粉煤灰混凝土性能試驗研究[J].工業建筑,2014,44(6):77-80

[8] 蘇有彪.凍融-鹽溶液腐蝕作用下混凝土損傷規律研究[D].西安:長安大學,2019

[9] 中華人民共和國工業和信息化部.汽車用螺紋緊固件緊固扭矩QC/T518-2013[S].北京:中國計劃出版社,2013

[10] 劉建忠,孫偉,繆昌文,等.曲荷載與鹽溶液復合作用下混凝土凍融損傷[J].東南大學學報(自然科學版),2006(S2):243-247

Study on Salt Freezing Resistance of Fly Ash Concrete under Bending Load

LIU Xing-juan, KANG Xi-ning, LIU Yan*

071001,

To study the salt-freezing resistance of fly ash concrete under bending load, a rapid freeze-thaw cycle test of reinforced concrete test blocks with different amounts of fly ash in 3.5% NaCl solution was designed and fabricated. In this paper, by measuring the dynamic elastic modulus after the damage, the effects of fly ash content and bending load on the salt freeze damage of the concrete test block were analyzed. The research results show that: when the content of fly ash is 20%, it can effectively improve the salt frost resistance of concrete; bending load exacerbates the salt freeze damage of fly ash concrete.

Bending load; fly ash concrete; freeze-thaw cycle; salt frost damage

TU528.45

A

1000-2324(2020)03-0556-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.035

2019-02-14

2019-03-26

劉杏娟(1994-),女,碩士研究生,主要研究方向為混凝土結構耐久性. E-mail:494485621@qq.com

Author for correspondence. E-mail:634719549@qq.com