鹽凍環境下混雜纖維鋰渣混凝土梁受彎承載力研究

張廣泰, 張曉旭, 田虎學

(新疆大學 建筑工程學院, 新疆 烏魯木齊 830047)

在基礎建設中,混凝土結構是應用最廣泛的工程結構,其耐久性問題日益凸顯.處在寒冷地區的混凝土結構在鹽凍循環作用下常常會出現外層混凝土剝落等病害,最終會致使其受彎性能下降,使用壽命減少[1-3].針對寒冷地區混凝土構件受彎性能下降的問題,研究表明在混凝土中加入纖維能起到增強抗凍性、阻裂增韌的效果.同時對于鹽漬土分布廣泛的新疆地區,將工業廢料鋰渣加入混凝土中替換部分水泥,可以達到進一步改善混凝土后期強度及其耐久性的效果[4].

近年來,國內外學者針對各種類型的混凝土受力構件提出了適用于材料本身的受彎承載力計算模型.吳輝琴等[5]基于復合材料混合定律,構造了多種混雜纖維增強復合材料的矩形梁正截面受彎性能的計算模型.鄧宗才等[6]根據彈塑性截面分析法得出了混雜纖維布加固鋼筋混凝土梁的受彎承載力.Alberto 等[7]針對鋼纖維混凝土梁的截面延性,分析了鋼纖維對受彎構件轉動能力的影響.

目前國內外研究者對混雜纖維混凝土構件的受彎承載性能已經做了大量試驗和理論分析工作,但由于環境和地區的差異性,對于加入混雜纖維且基體為鋰渣混凝土的構件在特定環境中的受彎承載力計算方法仍需進一步研究.因此,本文采用單面鹽凍法對混雜纖維鋰渣混凝土梁在鹽凍環境下的受彎性能進行試驗研究,基于規范建立了鹽凍環境下混雜纖維鋰渣混凝土梁的受彎承載力計算公式，且理論計算值與試驗值吻合較好.

1 試驗設計

1.1 原材料及配合比

水泥(C)采用烏魯木齊紅雁池水泥廠生產的P·O 42.5水泥,比表面積為340m2/kg;鋰渣(LS)采用新疆烏魯木齊市鋰業有限公司生產鋰鹽后的廢料,比表面積為447m2/kg,密度為3.48g/cm3;石子(G)采用5～25mm 連續級配的卵石,表觀密度為2680kg/m3;砂(S)采用中砂,細度模數為2.8,表觀密度為2640kg/m3;水(W)為烏魯木齊市自來水;減水劑(WR)采用聚羧酸類高效減水劑,含固量(質量分數,本文涉及的含量、減水率和比值等均為質量分數或質量比)15%,減水率40%;聚丙烯纖維(PF)采用抗裂防滲纖維Ⅰ型潤強絲纖維;鋼纖維(SF)型號為啞鈴型DJ-4號.

膠凝材料的化學組成見表1.2種纖維的主要性能參數見表2.研究結果[4]表明,用鋰渣等量取代水泥時,若鋰渣取代率w(LS)=20%,則混凝土的強度和耐久性都較好;若同時加入1.2kg/m3的聚丙烯纖維，可使混凝土耐久性達到最優[8],若是再加入118kg/m3的鋼纖維，則混凝土抗凍性能較好[9].基于此進行混凝土配合比設計(見表3),選用的混凝土基準強度為C40.

表1 膠凝材料的化學組成

表2 纖維主要性能參數

表3 混凝土配合比及抗壓強度

1.2 混凝土試驗構件

試驗共制作6根梁,其中1根為鋰渣混凝土(Lic)梁,1根為鋼纖維鋰渣混凝土(Li+SF)梁,其余4根為混雜纖維鋰渣混凝土(HFC)梁.梁尺寸均為 120mm×200mm×1100mm,保護層厚度均為 20mm;試驗梁受力鋼筋均選用直徑為12mm的HRB400級鋼筋;架立鋼筋均選用直徑為8mm的HPB300級鋼筋;箍筋均選用直徑為6mm的HPB300級鋼筋.試驗梁配筋圖及應變片位置見圖1.鋼筋的物理力學性能見表4.

1.3 試驗梁受彎力學性能試驗方法

試驗采用500kN的液壓千斤頂,通過分配梁對試驗梁進行三分點加載.在試驗梁每根縱向受力鋼筋正中間處分別布置1道BX120-6AA型應變片，以測量鋼筋的應變.測量混凝土應變時,為驗證平截面假定,在試驗梁正截面中間沿截面高度布置5道應變片,各應變片的間距為40mm;同時在試驗梁的受拉區、受壓區分別布置2道應變片,間距為40mm;應變片型號均為BX120-80AA.采用YHD-300型應變式位移傳感器測量試驗梁的撓度時,由于試驗梁與分配梁的尺寸相差不多,無法在試驗梁頂面架設位移傳感器,因此將試驗梁兩端的位移傳感器布置在梁底面,距支座向內50mm處;中間的位移傳感器位于梁的正中.試驗梁加載及測點布置見圖2.采用分級應力控制加載方式對試驗梁進行加載,直至受壓區混凝土壓碎,即認為該結構構件達到極限荷載,試件破壞.在整個加載過程中,每級荷載的持荷時間保持5min,然后觀測試驗梁的裂縫,用記號筆沿裂縫描出其形狀,同時進行編號并標出裂縫產生時所對應的荷載值;裂縫寬度用裂縫對比卡進行測量并記錄.

圖1 混凝土梁配筋及應變片位置圖Fig.1 Concrete beam reinforcement and strain gauges layout drawing(size:mm)

表4 鋼筋物理力學性能

圖2 試驗梁加載及測點布置圖Fig.2 Test beam loading and measuring point layout

1.4 抗凍性試驗方案

目前國內對于凍融試驗的方法主要以水凍水融為主,但這種方法所使用的試驗箱尺寸較小.本文參考歐洲試驗標準CIF測試法[10]，對試驗梁分別進行50、100、150次單面鹽凍循環.參考楊全兵[11]的研究,本試驗鹽凍介質選用質量分數為3%的NaCl溶液,試驗時用環氧樹脂密封試驗梁4個側面,只有底面與NaCl溶液接觸;凍融設備采用新疆大學工程試驗中心的CABR-WNH耐候檢測設備.凍融循環制度為：在4h內從20℃勻速下降至-20℃,恒溫3h;在4h內從-20℃勻速上升至20℃,恒溫1h;完成1次循環共12h.最高溫度為(20±2)℃,最低溫度為(-20±2)℃.

2 結果及分析

2.1 破壞形態

所有試驗梁破壞時均表現為受拉區鋼筋屈服,受壓區混凝土壓碎.由于梁的側面有環氧樹脂密封,因此受壓區混凝土因鹽凍損傷造成的剝落不明顯.HFC梁由于纖維的阻裂增韌作用而使其受壓區混凝土壓碎后的剝落不明顯;在梁的純彎段內,HFC梁的貫通裂縫數量少于Lic梁,裂縫寬度也較Lic梁小,但貫通裂縫的周長大于Lic梁.鹽凍循環0、50、100、150次的試驗梁破壞形態見圖3.

2.2 變形特征

不同鹽凍循環次數下,試驗梁的荷載-撓度曲線如圖4所示.由圖4可見：由于初期荷載較小,Lic梁和HFC梁的初期荷載-撓度曲線基本類似;隨著荷載的增加,Lic梁受拉區混凝土逐漸退出工作,因此其后期撓度增長較快,而HFC梁由于其中的鋼纖維仍能承擔一部分荷載,其后期撓度變化較慢.隨著鹽凍循環次數的增加,試驗梁的荷載-撓度曲線上升段曲率逐漸減小,平直段高度逐漸降低,極限荷載呈現先增大后減小的趨勢.在鹽凍循環0次時,Lic梁的撓度大于HFC梁,但極限荷載明顯小于HFC梁;在鹽凍循環50次時,HFC梁的極限荷載較0次循環時提高了2.6%;隨著鹽凍循環次數的增加,HFC梁的極限承載力逐漸降低,撓度逐漸增大.

圖3 試驗梁破壞形態Fig.3 Test beam failure modes

圖4 試驗梁的荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves of test beams

2.3 受彎承載力

試驗梁受彎承載力試驗結果見表5.由表5可知：與Lic梁相比,HFC梁的極限彎矩提高顯著,最大提高幅度為11%;經150次鹽凍循環后,HFC梁的極限荷載仍比Lic梁提高3.3%,說明鹽凍環境下混雜纖維的加入可以顯著提高梁的受彎承載力,減小鹽凍損傷.在前50次鹽凍循環時,HFC梁的極限荷載不斷提高;經過50次鹽凍循環后,HFC梁的極限荷載有所下降,但降低幅度較小.這是因為鋰渣中含有較多的SiO2,會與水泥水化產物Ca(OH)2進行二次水化反應并生成穩定的C-S-H凝膠,從而既消耗了Ca(OH)2,又促進了水泥水化.隨著水化過程的不斷進行,在粗細骨料的界面之間會不斷產生C-S-H凝膠,加強了界面間的黏結強度,疏松孔隙則不斷減小.其反應方程式為[12-13]：

由此可見,前50次鹽凍循環時HFC梁極限荷載有所提高的原因是混凝土中鋰渣與水泥水化的正效應大于鹽凍損傷產生的負效應;經過50次鹽凍循環后,由于鹽凍損傷的不斷積累,加之混雜纖維的阻裂作用,使鹽凍損傷的負效應大于鋰渣與水泥水化的正效應,致使HFC梁的極限荷載表現為下降趨勢,但下降幅度不大.通過分析可知,在HFC梁的鹽凍循環過程中影響其受彎承載力的因素主要有：(1)混雜纖維的阻裂增韌作用;(2)鋰渣與水泥水化的正效應;(3)鹽凍損傷的負效應.因此在計算HFC梁的受彎承載力時，需要考慮上述三者的共同作用.

表5 受彎承載力試驗結果

3 鹽凍作用下構件受彎承載力計算方法

HFC梁跨中截面不同高度處的混凝土應變見圖5.由圖5可見：經過不同次數鹽凍循環后,HFC梁的混凝土應變基本呈直線變化,在150次鹽凍循環前,HFC梁的中性軸基本處于梁截面的形心位置處;經過150次鹽凍循環后,HFC梁的受拉側由于鹽凍損傷的積累,導致梁的中性軸位置稍有上移,但從整體上看,HFC梁沿截面高度的混凝土應變仍符合平截面假定.

圖5 HFC梁跨中截面不同高度處的混凝土應變Fig.5 Concrete strain at different heights of mid-span section of HFC beam

已有研究[14]表明,影響鹽凍環境下鋼筋混凝土梁受彎承載力的主要因素是受壓區混凝土保護層的剝蝕,其次是混凝土強度的降低.本文由于試驗梁側面有環氧樹脂密封且加入纖維而提高了其抗鹽凍性能,所以受壓區混凝土受鹽凍損傷而剝落的現象不明顯.因此本文在考慮因鹽凍作用造成試驗梁受彎承載力退化時,主要考慮鋰渣混凝土強度退化的因素.混凝土構件的抗凍性受混凝土強度退化率的影響較為顯著,僅以凍融循環次數來表征構件的損傷程度不足以揭示其凍融損傷機理,而動彈性模量的變化可以定量表征鹽凍作用對混凝土內部損傷的影響.因此,本文在現行混凝土結構設計規范基礎上,引進動彈性模量為損傷基本參數,以此表征鋰渣混凝土強度的退化程度,進而表征試驗梁的受彎承載力退化程度.

3.1 鹽凍損傷

英國混凝土規范BS8110-2:1985《Structural use of concrete-Part 2:Code of practice for special circumstances》給出混凝土靜彈性模量和動彈性模量的關系如下：

Ec=1.25Ecq-19000

(1)

式中：Ec、Ecq分別為混凝土靜彈性模量和動彈性模量,MPa.

混凝土抗壓強度和靜彈性模量之間的關系為[15]：

(2)

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度,MPa.

由式(1)和式(2)可得到混凝土動彈性模量與軸心抗壓強度的關系為：

(3)

表征鹽凍作用造成鋰渣混凝土梁損傷的鹽凍損傷系數D定義為：

(4)

因此式(3)可表示為：

(5)

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中矩形截面梁受彎承載力的計算方法,當縱筋達到其屈服強度,受壓區混凝土被壓潰時,鹽凍作用下試件的適筋破壞受彎承載力計算公式為：

(6)

3.2 纖維影響系數

定義纖維含量特征值λf：

(7)

式中：ρf、lf、df分別為纖維體積分數、纖維長度、纖維直徑.

纖維含量特征值是體現纖維作用的重要系數,需考慮鋼纖維和聚丙烯纖維兩者的共同作用,因此建立鹽凍環境下HFC梁的受彎承載力計算式如下[16]：

(8)

式中：M1為鹽凍環境下HFC梁的正截面受彎承載力;λf1為鋼纖維含量特征值;λf2為聚丙烯纖維含量特征值;k1、k2分別為鋼纖維、聚丙烯纖維影響系數.

經計算,試驗所用鋼纖維的纖維含量特征值為1.65,聚丙烯纖維的纖維含量特征值為0.76.如果不考慮聚丙烯纖維的影響,則式(8)變為：

(9)

由此可求得k1=0.2.

在摻加鋼纖維的基礎上添加聚丙烯纖維,得到聚丙烯纖維影響系數k2=0.07.最終得到HFC梁的正截面受彎承載力計算公式為：

(10)

由式(10)可知,在摻有混雜纖維的混凝土梁中,鋼纖維影響系數較大,符合實際情況中聚丙烯纖維彈性模量小,只在低應力下起到阻裂作用,在后期阻裂增韌中鋼纖維起主要作用的現象.

3.3 鹽凍環境下HFC梁受彎承載力計算公式

綜合考慮以上兩方面影響因素,構造鹽凍環境下HFC梁正截面受彎承載力計算式如下：

(11)

式中：Mu為鹽凍環境下HFC梁的正截面受彎承載力設計值.

4 鹽凍環境下構件受彎承載力計算公式驗證

基于上述建立的鹽凍環境下HFC梁正截面受彎承載力計算公式和現行規范中矩形截面梁受彎承載力計算公式，對本文中的HFC梁進行計算,計算結果對比如表6所示(其中M0為現行規范中的公式計算值;Mu為本文所建公式計算值;M為試驗值).由表6可知,M/Mu的平均值為1.01,標準方差為0.025,且采用本文所建公式計算得到的受彎承載力均比試驗值小(未受鹽凍損傷的HFC-0梁除外),在安全儲備范圍之內,可以為鹽凍環境下混雜纖維鋰渣混凝土單筋矩形截面受彎承載力的計算提供參考依據.

表6 受彎承載力理論計算值與試驗值對比

5 結論

(1)經過150次鹽凍循環后,試驗梁沿截面高度的混凝土應變仍符合平截面假定.

(2)混雜纖維和鋰渣的摻入可以提高混凝土梁的抗鹽凍性能,使其極限荷載提高11%;經150次鹽凍循環后,混雜纖維鋰渣混凝土梁的極限荷載仍比鋰渣混凝土梁提高3.3%.混雜纖維鋰渣混凝土梁在經過50次鹽凍循環后,其極限荷載達到最大值,此時鋰渣與水泥水化的正效應大于鹽凍損傷產生的負效應;之后隨著鹽凍循環次數的增加,鹽凍損傷的負效應大于鋰渣與水泥水化的正效應,其極限承載力逐漸降低、撓度逐漸增大.

(3)基于現行混凝土設計規范提出了混雜纖維鋰渣混凝土梁在鹽凍作用下的正截面受彎承載力計算公式,公式中考慮了混雜纖維的增強作用和鹽凍損傷對混雜纖維鋰渣混凝土梁受彎承載力的影響.計算結果表明,理論計算值與試驗值吻合較好.