凍融循環作用下承壓混凝土凍脹應變研究

董振平，黃新凱，雷永潔，劉西光，牛荻濤

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

寒冷地區混凝土橋梁結構會遭受凍融損傷，同時荷載作用使混凝土處于承載狀態[1-3].凍融循環與應力存在明顯的交互作用，交互作用造成預應力混凝土橋梁結構材料損傷加劇[4].隨應力水平的增加，混凝土相對動彈性模量損失不斷增大，抗凍性越差[5].

國內外學者對凍融損傷混凝土基本力學性能開展了眾多試驗研究.凍融循環使混凝土產生累積損傷，導致混凝土表面剝落、力學性能下降[6-8].隨凍融循環次數增加，混凝土相對動彈性模量逐漸減小[9-11]；混凝土峰值應力逐漸降低而峰值應變不斷增大，脆性破壞特征更加明顯[12-14].曾強[15]采用殘余變形表征了凍融過程產生的破壞程度，殘余變形越大，材料破壞越嚴重.高志浩[16]實時監測混凝土應變并量化了混凝土內部凍融損傷.

目前尚缺乏應力狀態與凍融循環共同作用下混凝土凍脹應變發展規律.本文對承壓混凝土進行凍融循環試驗，通過動態模擬法得到凍融過程中產生的凍脹應變，分析了凍融循環次數和應力比對混凝土凍脹應變的影響規律.

1 試驗概況

1.1 試件設計和材料

設計并制作了不同應力水平作用下混凝土圓柱體試件，試件尺寸均為Φ200 mm×1000 mm.

凍融循環次數N為0、100、200和250次；混凝土應力水平μ為0、0.2、0.3和0.4，依次表示張拉應力為混凝土軸心抗壓強度平均值的0%、20%、30%和40%.

混凝土設計強度等級分別為C30和C40，配合比見表1.C30和C40混凝土軸心抗壓強度平均值分別為20.1 MPa和28.6 MPa.預應力鋼筋選用PSB830級φT18的精軋螺紋鋼筋，屈服強度為918 MPa，抗拉強度為1 087 MPa，伸長率為9.1%.

表1 混凝土配合比

1.2 張拉方案

張拉開始前對試件進行為期4 d的浸泡，采用自行設計加工的反力架進行張拉，試件張拉如圖1.

圖1 試件張拉

實際張拉應力水平見表2.張拉時鋼筋一端張拉一端固定，首先將第一根鋼筋張拉至其控制應力的20%，持載2 min，持載2分鐘，擰緊錨具，卸下加載裝置；對第一根鋼筋的對側鋼筋進行張拉.張拉至其控制應力的50%，持載2分鐘，擰緊錨具，卸下加載裝置；再對第一根鋼筋進行二次張拉，張拉至其控制力的80%，持載 2 min，擰緊錨具.按同樣的方式對第一根鋼筋的對側鋼筋進行張拉，超張拉至其控制力的110%，持載2 min；最后對第一根鋼筋超張拉至其控制應力的110%，持載2 min后擰緊錨具，卸下加載裝置，最終完成試件的張拉.

表2 混凝土圓柱體構件參數

通過粘貼在鋼筋表面的電阻應變片監測鋼筋應變在張拉過程的變化情況，應變片位置在距離試件端部100 mm處.

1.3 凍融循環試驗

凍融循環試驗采用氣候環境模擬實驗室(ZHT/W2300)進行氣凍氣融循環試驗，溫度范圍為-19～+25 ℃，升降溫速率均為0.7～1 ℃/min.每個循環持續6 h，從+25 ℃降到-19 ℃需2 h，在-19 ℃持續2 h，經歷1 h升溫段后在+25 ℃持續1h，進行3次噴淋，至此1個凍融循環結束.

1.4 凍脹應變測試方法

凍融循環試驗過程中，試件產生的應變分為兩部分：因熱脹冷縮產生的熱應變以及水結冰膨脹產生的凍脹應變[17].在試件中間100 mm范圍內沿試件豎向粘貼混凝土應變片.為了消除由于熱脹冷縮對混凝土應變的影響，本文采用動態模擬法進行溫度補償從而剝離熱應變.將補償應變片和測試應變片分別粘貼在試件上.為了剝離熱應變，粘貼補償應變片的試件在凍融試驗前進行了防水處理.將兩個應變片的數值相減，即可得到剝離熱應變的混凝土凍脹應變.由混凝土凍脹變形產生的凍脹應變εf可按式(1)進行計算.

εf=εi-ε0-εs

(1)

式中：εf為混凝土凍脹應變，εi為實際鋼筋測得的總應變，ε0表示由熱脹冷縮產生的應變，εs表示張拉過程產生的應變.

每一個凍融循環都會使混凝土內部產生內應力即冰凍應力，這些應力會造成混凝土基體產生裂紋，從而產生不可逆的損傷，損傷逐漸積累，導致基體的變形量逐漸增加，滯回曲線最高點對應的最大應變值隨著凍融循環次數的增加而增加，增加的這部分應變就是混凝土經歷一定循環次數產生的殘余應變.混凝土殘余應變見圖2.

圖2 殘余應變隨溫度變化規律

2 試驗結果分析與討論

2.1 凍融損傷混凝土表觀形態

典型混凝土圓柱體構件表面裂縫開展情況見圖3和圖4.從圖中可以看出，相同應力水平和凍融循環次數下，混凝土強度等級越高，裂縫數量越少，裂縫發展得越緩慢.隨凍融循環次數增加，裂縫數量和寬度也在逐步增加，表明混凝土凍融損傷逐漸加劇.對于C40混凝土圓柱體構件，當應力水平為0.3時，凍融循環次數由200增加到250，裂縫數量由2條增加到8條，最大裂縫長度由400 mm增加到487 mm，最大裂縫寬度由0.1 mm增加到0.5 mm.

圖3 C30混凝土圓柱體構件表面裂縫開展情況(C30-16)

圖4 C40混凝土圓柱體構件表面裂縫開展情況(C40-32)

2.2 鋼筋有效應變

圖5給出了混凝土圓柱體構件分別經過100、200、250次凍融循環后鋼筋應變.試驗結果表明：隨著凍融循環的增加，鋼筋應變逐漸降低；隨應力水平的增加，應變損失速率加快.

圖5 凍融全過程混凝土構件鋼筋應變

當混凝土強度等級為C30時，應力水平為0.2、0.3、0.4的構件，100次凍融循環后鋼筋有效應變分別降低了16.40%、18.21%、19.54%.

當混凝土強度等級為C40，應力水平分別為0.2、0.3、0.4的構件，100次凍融循環后鋼筋有效應變依次降低了11.06%、12.33%、13.55%.

2.3 混凝土凍脹應變滯回環

采用動態模擬法進行溫度補償來消除由于熱脹冷縮引起的熱應變，將補償應變片和被測應變片分別固定在相同材料的試件上，并將其置于相同溫度環境里，為分離溫度應變，在凍融試驗前對補償應變片試件進行防水處理，因此由溫度引起的伸縮量相同，即由溫度引起的應變相同，可以相互抵消，從而達到消除溫度帶來影響的目的.

圖6為混凝土圓柱體構件凍脹應變滯回環.可以看出，隨著凍融循環次數的增加，應變曲線的上部包絡線隨之升高，后一個循環的最低溫度時的最大應變值總是比前一個循環大.在凍融試驗過程中，混凝土中水的凍融會引起體積變化，產生內部凍脹應力和應變.隨著凍融循環次數的增加，內部凍脹應力和應變的累積效應會導致混凝土微觀結構的破壞和改變，引起凍脹應變的增加.凍融損傷導致混凝土有效截面減小，在應力的相互作用下，導致凍融裂縫進一步擴大.隨著凍融循環次數的增加，混凝土的損傷將繼續積累，導致凍脹應變增加.

圖6 混凝土圓柱體構件凍脹應變滯回環

隨著應力水平的增加，應變曲線最高點的值也隨之增加，說明荷載對混凝土內部造成了一定的損傷，且隨著應力水平的增大，損傷越大.凍融損傷使混凝土有效截面減小，在應力的交互作用下，導致凍融裂縫進一步擴大.隨著凍融循環次數的增加，混凝土的損傷將不斷累積.

當混凝土強度等級為C30，應力水平為0.2時，在第1、25、50、75、100次循環的最大應變值分別為188με、225με、256με、288με、312με.應力水平為0.2、0.3、0.4時，第1次凍融循環最大應變依次為188με、198με、238με，表明荷載加劇了混凝土內部損傷劣化的程度.

當混凝土強度等級為C40，應力水平為0.2時，在第1、25、50、75、100次循環的最大應變值分別為158με、175με、206με、268με、272με.應力水平為0.2、0.3、0.4時，第1次凍融循環的最大應變依次為158με、159με、178με.

將兩次凍融循環曲線最低溫度時的應變差作為承壓混凝土試件的殘余應變[20].圖7是混凝土殘余應變隨凍融循環次數變化圖.

圖7 混凝土圓柱體構件殘余應變

從圖中可以看出，隨凍融循環次數的增加，各應力比下試件的殘余應變均呈現增加趨勢.當應力比為0.2時，凍融循環次數從25次增加到100次，殘余應變增加了23%.

3 結論

(1)隨凍融循環次數和應力水平增加，混凝土裂縫數量和寬度也在逐步增加，表明混凝土凍融損傷逐漸加劇.混凝土強度等級越高，裂縫數量越少，裂縫發展得越緩慢；

(2)在凍融循環過程中，隨著凍融循環次數的增加，鋼筋應變逐漸降低；隨應力水平的增加，應變損失速率加快；

(3)隨著凍融循環次數和應力水平的增加，凍脹應變不斷增加.在凍融循環過程中，隨著溫度降低凍脹應變增加，溫度回升后凍脹應變逐漸降低.兩個凍融循環過程中產生了殘余應變，表明混凝土產生了凍融損傷.