持荷凍融耦合作用下壓彎構(gòu)件靜力性能試驗(yàn)*

魯麗華， 金京鋒， 吳欲曉， 王有剛

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 遼寧奧路通科技有限公司， 沈陽 110006)

凍融破壞是我國北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的主要病害之一，尤其東北及西北地區(qū)的橋梁、涵洞和過水橋等混凝土構(gòu)筑物，凍融破壞更為普遍[1-2].如何解決混凝土結(jié)構(gòu)的凍融病害，常常是工程專家及科技工作者必須面對的工程難題[3-4].

混凝土凍融循環(huán)的研究始終是混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容，相關(guān)研究已經(jīng)取得了豐富的研究成果[5-12].例如，王海軍等[5]研究了壓應(yīng)力作用對混凝土抗凍性的影響，認(rèn)為適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力作用可以提高混凝土的抗凍性；陳升平等[6]研究了纖維的摻入能否改善混凝土的抗凍性，認(rèn)為纖維的摻入能很好地改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的抗凍性，且混雜纖維混凝土抗凍性優(yōu)于鋼纖維混凝土，更優(yōu)于普通混凝土.這些研究僅僅限定于混凝土材料的自身性能研究，針對混凝土結(jié)構(gòu)的研究卻鮮有報(bào)道.實(shí)際上，混凝土結(jié)構(gòu)一般是由鋼筋與混凝土兩種材料組成，且混凝土的凍融破壞會(huì)進(jìn)一步加快氯離子對鋼筋的銹蝕速率，降低了結(jié)構(gòu)的可靠性，此外，實(shí)際結(jié)構(gòu)中的大部分混凝土構(gòu)件均是在持荷作用下工作，荷載的作用也會(huì)進(jìn)一步影響混凝土凍融破壞的效果.通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，僅通過混凝土材料的抗凍融性能指標(biāo)來評價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融性能是不合適的.

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12根混凝土壓彎構(gòu)件，試件長度為1 000 mm，試件的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級為C50，采用52.5普通硅酸鹽水泥；采用的河砂含泥量為2.5%，細(xì)度模數(shù)為2.6；碎石粒徑為5～25 mm；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰；添加了引氣減水劑，減水量為10%～15%.水泥的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示.通過大量配合比試驗(yàn)，本著最節(jié)省水泥的原則，所選用混凝土的配合比如表2所示.

表1 水泥檢測結(jié)果

表2 混凝土配合比

試件的縱向鋼筋分別選用直徑為14 mm和8 mm的HRB335級鋼筋，箍筋分別選用直徑為8 mm和6 mm的HRB235級鋼筋.構(gòu)件尺寸如圖1所示(單位：mm).

圖1 構(gòu)件尺寸

2 試驗(yàn)裝置與加載方案

在加載位置預(yù)先穿好一根直徑為20 mm的高強(qiáng)鋼筋，并在鋼筋的兩端預(yù)先制作好螺距并確定與之相匹配的螺母.用千斤頂加載，加載速率為0.3～0.5 N/s，通過壓力傳感器讀數(shù)，達(dá)到預(yù)定值后，將事先準(zhǔn)備好的內(nèi)徑為20 mm的螺母擰緊在圓鋼筋上，以此預(yù)加荷載.本文試驗(yàn)共分為三組，第一組不加載也不進(jìn)行凍融；第二組加載12.5 kN；第三組加載12.5 kN并進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).凍融循環(huán)試驗(yàn)中冷凍溫度保持在-15～-20 ℃，1次凍融時(shí)間不小于12 h，冷凍和融化時(shí)間比不少于4∶1，凍融循環(huán)次數(shù)為125次，每凍融循環(huán)25次進(jìn)行稱重，觀測質(zhì)量變化，至125次凍融結(jié)束，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量有明顯變化.之后對三組構(gòu)件同時(shí)進(jìn)行加載破壞試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

圖2 試驗(yàn)裝置

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3 主要試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裂縫形態(tài)

三種工況下的混凝土壓彎構(gòu)件均當(dāng)加載至11.9 kN時(shí)，受拉一側(cè)混凝土出現(xiàn)第一條裂縫.三種工況下試件預(yù)加載的荷載值均為12.5 kN，這說明持荷未凍融試件以及持荷凍融試件均在凍融前，都已存在初始裂紋，經(jīng)過三個(gè)多月的凍融循環(huán)后，其裂縫均有所開展.裂縫由初始加載時(shí)的0.09 mm，發(fā)展到了0.11 mm(持荷未凍融)和0.12 mm(加載凍融).并且隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度也增大，當(dāng)混凝土壓彎構(gòu)件達(dá)到極限荷載時(shí)，混凝土裂縫均已深入到受壓區(qū)內(nèi)，且裂縫寬度達(dá)到最大值，其值分別為1.92(未持荷未凍融)、1.75(持荷未凍融)和1.64 mm(持荷凍融)，如圖3所示.

3.2 承載能力

通過表3中的極限荷載值可以看出，持荷未凍融和持荷凍融工況下的極限荷載較未持荷未凍融工況下的極限荷載分別降低了14.4%和24.3%.這是由于混凝土是一種多相復(fù)合材料，在凝結(jié)過程中，水泥砂漿中的一些水分會(huì)蒸發(fā)，使得水泥凝膠體出現(xiàn)收縮變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，就在表面形成微小的裂縫，在持續(xù)荷載作用下這些微小的裂縫將會(huì)逐漸變大，從而影響構(gòu)件的承載力.混凝土的毛細(xì)孔水在0 ℃以下發(fā)生形態(tài)變化，由水變成冰，體積膨脹，因受到毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土受凍時(shí)這種壓力會(huì)損傷混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，反復(fù)多次凍融循環(huán)以后，損傷積累就會(huì)不斷擴(kuò)大，影響混凝土的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而影響構(gòu)件的承載力.

圖3 試件破壞形態(tài)

3.3 荷載撓度曲線

圖4 荷載與撓度的關(guān)系曲線

3.4 應(yīng) 變

圖5 荷載與受拉鋼筋應(yīng)變的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 持荷與凍融耦合作用下鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的裂縫發(fā)展規(guī)律與未持荷未凍融、持荷未凍融工況相似，但是對于極限荷載狀態(tài)時(shí)，持荷凍融的裂縫寬度最小；

2) 持荷與凍融耦合作用下鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的承載能力較未持荷未凍融與持荷未凍融降低，這意味著對于長期處于高負(fù)荷狀態(tài)裸露在外的嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土壓彎構(gòu)件，其壓彎承載力在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上需進(jìn)行折減；

4) 在持荷與凍融耦合作用下，鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件在承載力達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生類似于超筋破壞的試驗(yàn)現(xiàn)象.