凍融和疲勞作用下約束混凝土抗壓性能試驗

李海波,逯靜洲,田飛翔,王建偉,黃 毓

(煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005)

在寒冷地區,水利堤壩與橋梁墩臺等鋼筋混凝土結構在服役過程中,不僅承受循環荷載的反復作用,而且還會遭受凍融循環作用。例如,位于青藏高原的拉西瓦大壩,由于地處高寒地區,壩體混凝土一方面承受水流沖擊與水位變化產生的疲勞荷載作用,另一方面還遭受到溫度變化導致的凍融循環作用。因此,關于疲勞荷載與凍融兩種因素共同作用下混凝土抗壓性能的試驗研究,對實際工程中鋼筋混凝土結構物的耐久性評估具有極其重要的指導意義。凍融循環作用對混凝土影響研究方面,曹大富等[1]通過對經受凍融循環作用后混凝土的單軸受壓破壞試驗,對混凝土受壓性能的影響因素進行分析,提出了關于受凍融混凝土受壓性能指標的經驗公式。白衛峰等[2]通過不同凍融循環次數下再生混凝土的單軸受壓試驗,研究了再生混凝土的應力-應變全曲線與變形破壞特征,并揭示了凍融循環次數對再生混凝土統計損傷本構模型各特征參數的影響規律。吳倩云等[3]通過玄武巖纖維-礦渣粉-粉煤灰混凝土的凍融循環試驗、氣孔結構測試試驗,研究了玄武巖纖維-礦渣粉-粉煤灰混凝土凍融損傷量、抗壓強度、抗拉強度的變化規律,并分析了氣孔結構參數與凍融損傷量的關系。閆景晨等[4]采用數字圖像相關法,探究了歷經鹽凍后瀝青混凝土全受力過程,并揭示了凍融次數與鹽溶液種類對應力集中速度的影響規律。方從啟等[5]研究了受凍融約束混凝土的強度和剛度退化規律,并分析了不同材料配合比對試件抗凍性能影響。段安等[6]通過對不同凍融次數下的箍筋約束混凝土進行軸心抗壓破壞試驗,研究了受凍融約束混凝土的應力-應變全曲線,并分析了箍筋約束作用對混凝土應力-應變關系的影響。關于疲勞荷載作用對混凝土影響研究方面,寇佳亮等[7]通過高延性混凝土在不同加載頻率和應力水平下的壓縮疲勞試驗,總結了其疲勞變形規律,并得到了其在不同失效概率下的壓縮疲勞等效壽命。劉妙燕等[8]通過不同橡膠摻量混凝土的疲勞斷裂試驗,分析了疲勞荷載下不同橡膠摻量混凝土的斷裂能與裂縫擴展的規律。周宏宇等[9]通過不同尺寸立方體試塊的疲勞抗壓試驗,分析了其累積損傷機理和疲勞累積發展情況。關于凍融循環與疲勞荷載聯合作用對混凝土影響研究方面,寇佳亮等[10]通過凍融試驗與疲勞性能試驗,研究了高延性混凝土在不同應力水平、加荷頻率下的疲勞變形特征和疲勞壽命。逯靜洲等[11-12]通過混凝土的疲勞和凍融試驗,研究了疲勞和凍融不同作用次序下混凝土的動態受壓損傷特性與疊加效應。張楠[13]通過對疲勞荷載與凍融循環多次交互作用下混凝土進行抗壓試驗,研究了疲勞與凍融損傷后混凝土的力學特性。

目前,關于箍筋約束混凝土在凍融循環與疲勞荷載兩種不同聯合作用下力學性能的相關研究較為少見,研究主要集中在基于材料層次的凍融循環作用與疲勞荷載作用下素混凝土的抗壓性能或凍融單因素作用下約束混凝土的抗壓性能,因此,有必要對凍融與疲勞作用下約束混凝土的抗壓性能開展一系列的試驗與理論研究。本文基于凍融循環與疲勞荷載共同作用后混凝土的軸心抗壓破壞試驗,研究箍筋約束混凝土的應力-應變關系,分析峰值應力與峰值應變變化規律,并通過素混凝土與約束混凝土無量綱化的應力-應變全曲線對比,探討箍筋的約束效應。

1 試驗設計

1.1 試件制作

試驗所用材料為冀東牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,天然河砂,粗骨料為最大粒徑20 mm的連續級配碎石,試驗用水為煙臺市自來水,灰霸牌萘系高效減水劑,灰霸牌混凝土引氣劑。

依照《普通混凝土配合比設計規程》[14](JGJ55—2011)進行被配合比設計,混凝土配合比為水泥∶石子∶砂∶水∶減水劑∶引氣劑=1∶2.80∶1.51∶0.41∶0.007∶0.000 2。快速凍融試驗試件采用100 mm×100 mm×300 mm的配筋混凝土棱柱,其中縱筋采用帶肋的HPB 300鋼筋,直徑8 mm,長320 mm,配筋率為2%,箍筋為直徑6 mm的HPB 300鋼筋,箍筋間距為60 mm,配箍率為2.4%,保護層厚度為10 mm。標準養護室養護28 d,實測混凝土立方體抗壓強度的平均值為 49.84 MPa,其后在自然條件下放置90 d。

1.2 試驗概況

按照凍融循環次數與疲勞加載次數對試件進行分組,每組的試件個數為3塊,用T代表凍融循環作用,F代表疲勞荷載作用,對試件進行編號。試件分組編號及部分試驗結果如表1。

表1 試件分組編號及部分試驗結果

表1(續)

試驗分為快速凍融試驗、疲勞加載試驗、單軸受壓破壞試驗三部分,具體試驗流程為:第一步將養護好的混凝土試件放入15～20 ℃的水中浸泡,水面高出試件頂面20 mm,浸泡4 d后將試塊取出,按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》[15](GB/T50082—2009)中的規定,將試塊放入NELD-BFC型凍融試驗機進行快速凍融試驗,凍融試驗的溫度范圍為(-17±2)～(8±2) ℃,凍融循環周期為2～4 h,混凝土試件的凍融循環設定次數為100次、200次和300次,達到設定凍融循環次數后停止運行,取出試件。第二步以《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》[15](GB/T50082—2009)中規定的疲勞試驗方法為依據,將凍融不同次數的混凝土試件進行疲勞試驗,疲勞荷載設定值為0.1fc～0.5fc,疲勞荷載均值為0.3fc,選用正弦波加載,波形幅值為0.2fc,加載頻率為5 Hz。混凝土試件軸壓疲勞荷載加載的設定次數為2×104、4×104、6×104次,達到設定疲勞加載次數后停止加載,取下試件。第三步將歷經凍融循環與疲勞荷載作用后的混凝土試件進行單軸受壓破壞試驗,試驗使用YAW-2000D型電液伺服壓力試驗機,并運用非接觸式位移/應變視頻測量儀采集試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 外觀形貌及破壞過程與破壞形態

圖1(a)為混凝土歷經不同凍融次數(0次、100次、200次、300次)后混凝土的外觀形貌圖。經受凍融循環作用后的混凝土試件隨凍融次數的增加表面粗糙程度變化明顯,未凍融的混凝土試件表面較為光滑,凍融100次后試件表面有輕微水泥漿體顆粒剝落現象,出現許多微小孔洞,凍融200次后試件表面粗糙不堪,大片水泥漿體剝落,出現輕微掉角現象,凍融300次后試件表面水泥漿體嚴重剝離,出現較大孔洞,大量骨料外露,有明顯的棱角剝落現象。

圖1(b)—(e)分別為僅受疲勞荷載作用與凍融100次、凍融200次、凍融300次后疲勞不同次數(0次、2×104次、4×104次、6×104次)的約束混凝土的受壓破壞形態圖。在單軸受壓加載過程中,疲勞次數不同而凍融次數相同的混凝土的破壞過程與破壞形態基本相似,凍融次數不同而疲勞次數相同的混凝土的破壞過程與破壞形態則略有不同,隨著凍融次數的增加,混凝土保護層剝落愈加嚴重,凍融300次的混凝土在受壓過程中保護層基本壓碎剝落,內部混凝土也存在嚴重的凍酥現象。在加載的初始階段,混凝土試件并未出現明顯的變化,當壓應力接近峰值應力時,混凝土試件開始出現豎直方向的細短裂縫,并伴隨“嗞嗞”和“噼啪”的響聲,凍融200次與凍融300次的混凝土試件保護層出現掉屑與剝落現象,壓應力超過峰值應力后,伴隨“咚”的一聲悶響,裂縫不斷擴展形成貫穿試塊的豎向裂縫,保護層向外鼓起,凍融200次與凍融300次的混凝土試件保護層大塊掉落,部分受凍不均勻的試塊保護層掉落嚴重并出現壓碎現象,內部縱筋與箍筋外露,外露縱筋屈曲。

圖1 外觀形貌與破壞形態

2.2 應力-應變全曲線

圖2為經受相同凍融次數的混凝土疲勞不同次數后的應力-應變全曲線以及經受相同疲勞次數的混凝土凍融不同次數后的應力-應變全曲線。從圖2(a)—(h)對比來看,經受不同凍融循環次數與疲勞加載次數的混凝土試件的應力-應變全曲線形狀均有所改變,曲線上升段隨凍融次數與疲勞次數的增加均向右下方偏移,峰值點下降與后移明顯,下降段則有所延伸。說明混凝土試件在歷經不同程度的凍融循環作用和疲勞荷載作用后,其強度、變形與剛度均有顯著改變。

圖2 應力-應變全曲線

強度方面,如圖3(a)所示,隨著凍融循環次數與疲勞加載次數的增加,混凝土試件的抗壓強度均不斷降低,且其抗壓強度隨凍融次數的增加降低程度更大,接近于直線下降。未經受凍融循環作用與疲勞荷載作用的混凝土試件凍融100次、200次、300次后抗壓強度分別為48.95 MPa、44.07 MPa、39.37 MPa,在相同的凍融周期內(0～100次、100～200次、200～300次),抗壓強度分別降低了6.39%、9.33%、8.99%,說明約束混凝土的抗壓強度在每個凍融周期內均有較大幅度的降低;疲勞2×104次、4×104次、6×104次后抗壓強度分別為51.37 MPa、49.05 MPa、47.63 MPa,在相同的疲勞周期內(0～2×104次、2×104～4×104次、4×104～6×104次),抗壓強度分別降低了1.76%、4.44%、2.71%,抗壓強度降低幅度較小,且降低幅度有明顯的減小,說明隨著疲勞加載次數的增加,混凝土在疲勞荷載作用下的損傷先增加后減小,由前期的較為明顯逐漸變為較為緩慢的積累的過程;在凍融循環與疲勞荷載的共同作用下,凍融300次疲勞6×104次的試件抗壓強度降低了36.18%。在凍融循環作用與疲勞荷載作用下混凝土強度不斷降低的原因在于:飽水的混凝土試件在凍融循環過程中,由于正溫與負溫的交替變化,孔隙內水分結冰產生的凍脹力與滲透力,反復作用于內部孔壁,在凍脹力與滲透力的反復作用下孔壁破壞,孔隙不斷連通擴展產生微裂縫,隨著凍融循環次數的增加,混凝土的微裂縫的數目不斷增加,并且相互貫通,降低了混凝土的強度。未凍融的混凝土在豎向疲勞荷載的作用下,其初始微裂縫不斷變寬延伸,同樣對混凝土造成了損傷,降低了其強度。而凍融后的約束混凝土試件由于微裂縫的數目較未凍融的試件更多,在豎向疲勞荷載的反復作用下,裂縫繼續延伸擴展,對混凝土所造成的損傷更為嚴重,進一步降低了其強度。

變形方面,如圖3(b)所示,歷經凍融循環作用與疲勞荷載作用的約束混凝土試件,峰值應變明顯增大的原因在于:一是在凍融循環與疲勞荷載作用下,混凝土內部產生了更多的微裂縫,在受壓過程中這些微裂縫不斷被壓實,增大了混凝土峰值應變εco;二是隨著凍融循環次數與疲勞加載次數的增加,強度不斷降低,此時約束混凝土的真實配箍特征值λv(λv=ρyv/fc)增大,從而進一步增大了峰值應變εcc(εcc=εco(1+3.5λv)[16])。峰值應變隨凍融循環次數的增大呈現較為明顯的3個階段,凍融循環0～100次時上升較慢,由疲勞0、2×104、4×104、6×104次到凍融循環100次疲勞0、2×104、4×104、6×104次峰值應變分別增大了17.14%、5.61%、33.45%、25.51%;凍融循環100～200次時上升較快,由凍融循環100次疲勞0、2×104、4×104、6×104次到凍融循環200次疲勞0、2×104、4×104、6×104次峰值應變分別增大了50.98%、59.40%、53.44%、60.35%;凍融循環200～300次時上升又有所減緩,由凍融循環200次疲勞0、2×104、4×104、6×104次到凍融循環300次后疲勞0、2×104、4×104、6×104次峰值應變分別增大了11.46%、33.99%、41.45%、45.42%。

剛度方面,如圖3(c)所示,歷經凍融循環作用與疲勞荷載作用后的約束混凝土的彈性模量不斷降低,未經受凍融循環與疲勞荷載作用的混凝土試件凍融100、200、300次后彈性模量分別減小了20.08%、49.86%、58.06%,疲勞2×104、4×104、6×104次后彈性模量分別減小了12.66%、19.55%、27.30%,凍融100次且疲勞2×104、4×104、6×104次后彈性模量分別降低了24.87%、41.98%、45.36%;凍融200次且疲勞2×104、4×104、6×104次后彈性模量分別降低了54.14%、60.62%、63.88%;凍融300次且疲勞2×104、4×104、6×104次后彈性模量降低了66.23%、71.84%、75.13%。可見凍融循環次數與疲勞加載次數的變化對約束混凝土試件的彈性模量的影響較大,原因在于:隨著凍融循環次數與疲勞加載次數的增加,試件的抗壓強度不斷降低,峰值應變不斷增加,致使試件的彈性模量不斷減小。

圖3 抗壓強度、峰值應變與彈性模量變化

2.3 箍筋的約束效應

結合文獻[17]中素混凝土的相關數據,得到圖4凍融循環與疲勞荷載作用下約束混凝土與素混凝土的無量綱化應力-應變全曲線。由圖4(a)—(c)對比可以看出,約束混凝土的無量綱化應力-應變全曲線上升段曲線較為飽滿,而素混凝土的上升段曲線近似直線,約束混凝土的下降段曲線與素混凝土下降段曲線相比較為平直。這是由于側向約束力的存在限制了試件在受壓過程中的橫向變形,提高了其剛度與延性。未經受凍融循環作用與疲勞荷載作用的混凝土試件的箍筋約束效果最強,隨著凍融循環次數與疲勞加載次數的增加,箍筋的約束效果有較為明顯的減弱,原因在于:在凍融循環與疲勞荷載作用下,約束混凝土的鋼筋與混凝土之間微裂縫不斷增加并擴展貫通,從而使鋼筋與混凝土的黏結界面發生損傷,降低了兩者的黏結性能,削弱了箍筋的約束效應。

圖4 無量綱化應力-應變全曲線

3 結 論

通過快速凍融試驗、疲勞荷載試驗與單軸抗壓破壞試驗,得出了應力-應變全曲線,分析了凍融循環次數與疲勞加載次數對約束混凝土強度、變形與剛度的影響,并闡述了箍筋的約束效應,主要結論如下:

(1)隨著凍融次數與疲勞次數的增加,約束混凝土試件應力-應變全曲線的峰值點向右下推移,抗壓強度與彈性模量降低,峰值應變增大,且凍融循環次數的變化對抗壓強度、峰值應變及彈性模量的影響更為顯著。

(2)約束混凝土抗壓強度在每個凍融周期內均有較大幅度的降低,降低幅度為6%～13%。在相同的疲勞周期內抗壓強度降低幅度則呈現先不斷增大后不斷減小的趨勢。峰值應變隨凍融循環次數的變化呈現較明顯的3個階段,在凍融0～100次期間增大較快,凍融100～200次期間變緩,凍融200～300次期間再次加快。彈性模量隨凍融循環次數與疲勞加載次數的增加降低幅度較大,降低范圍為20.08%～75.13%。

(3)在凍融循環與疲勞荷載作用下,鋼筋與混凝土之間的微裂縫數目和寬度不斷增加,使混凝土與鋼筋的黏結界面發生損傷,黏結性能降低,箍筋的約束效果隨著凍融循環次數與疲勞加載次數的增加而逐漸減弱。