預應力與凍融循環耦合作用下水工混凝土性能研究

韓偉濤

(沈陽鑫通建設工程有限公司,沈陽 110000)

我國北方近水或沿海地區混凝土結構耐久性受凍融循環的影響顯著,在長期服役過程中寒冷地區水工混凝土遭受反復的凍融循環損傷,每年都要投入巨額的費用加固維修[1]。因此,針對凍融循環對混凝土性能的影響有關學者開展了廣泛研究,如黃奕霖等研究認為一定的含氣量能夠增強混凝土抗凍性;濮琦探討了凍融循環作用下混凝土斷裂性能受不同含氣量和水膠比的影響規律,結果顯示隨凍融循環次數的增加混凝土的斷裂性能不斷下降,但合理的含氣量和低水膠比可以增強抗開裂能力;趙燕茹等試驗分析了凍融循環條件下摻玄武巖纖維混凝土的力學性能,研究發現隨纖維摻量增加其力學性能表現出先上升后下降的趨勢;王靖榮等利用凍融循環試驗揭示不同預制縫長混凝土性能,結果表明凍融循環次數相同時初始裂縫長度與斷裂韌度無關;胡少偉等研究了混凝土雙K斷裂韌度受水凍和鹽凍環境的影響,發現鹽凍融環境對斷裂性能的影響更顯著,可以大大降低混凝土抵抗裂縫形成與擴展能力;谷志強等等研究了多種不利因素耦合條件下劣化規律,發現混凝土斷裂性能受凍融的影響最顯著[2-7]。

有學者開展了預應力結構及材料的凍融試驗分析,但是在計算承載力時,利用同環境下的力學指標無法準確反映出受凍融循環的損傷情況[8-10]。在寒冷地區,混凝土結構常常面臨著凍融循環的考驗,特別是對于預應力結構來說,凍融可能會對預應力錨固系統、混凝土本身以及與預應力鋼筋之間的界面產生不利影響。因此,本研究利用加載試驗和凍融循環試驗建立水工混凝土抗壓強度與預應力大小、凍融循環次數之間的關系曲線,通過數值模擬構造強度指數衰減模型,旨在為荷載與凍融耦合作用下水工混凝土研究提供參考。

1 試驗方案

1.1 參數設計

設計強度等級C50,m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石)=0.4∶1.0∶1.08∶1.92,水泥用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。箍筋、預應力鋼筋和普通受力鋼筋用HPB300級光圓鋼筋(直徑6.5mm)、1860級鋼絞線(公稱直徑12.7mm)和HRB400級鋼筋,控制張拉應力σcon依次為0.3fptk、0.6fptk、0.9fptk,其中fptk為鋼絞線抗拉強度1860MPa。通過在混凝土試件的上部增加鋼板,使試件的全截面都處于受壓狀態,從而減少混凝土在頂部的受拉應力,并防止開裂的發生,提高試件的抗拉承載能力和延性。

1.2 快速凍融試驗

通過“快凍法”評估混凝土在凍融循環條件下的抗凍性能,每個凍融周期為4h,具體流程為:在90min內將溫度從5℃降到-20℃,使混凝土達到低溫狀態,并使溫度均勻分布;在-20℃下保持80min,以凍結混凝土并使其達到穩定的低溫狀態;然后在40min內將從-20℃升至5℃,以使混凝土恢復到常溫狀態;最后,在5℃下保持30min,通過模擬凍融經歷的升溫階段,并觀察混凝土的性能變化。試驗方案設計如表1所示。

表1 試驗方案設計

1.3 加載試驗

采用兩點加載的方式對預應力水工混凝土試件加載,并測定0次、25次、50次、75次凍融循環時的抗壓強度,加載方式如圖1所示。

圖1 預應力試件加載方式

2 結果與分析

2.1 測試數據

通過加載試驗確定凍融循環作用下水工混凝土試件的極限承載力,并進一步計算極限抗壓應力,如表2所示。

表2 不利因素耦合下的抗壓強度

2.2 凍融循環與預應力下的強度

凍融循環會導致內部孔隙水的固態和液態變化,該過程能夠對混凝土內部結構造成不利影響。在凍結階段,內部的孔隙水結冰發生體積膨脹,產生膨脹力,這會導致孔隙周圍的混凝土產生應力集中,進而促使內部出現微裂紋,并擴大孔隙,隨著凍融的持續微裂紋會逐漸貫通和積累破壞混凝土的連續性,進一步削弱混凝土的抗壓強度。在溫升過程中,孔隙內的冰融化,為水提供通道,進一步使得孔隙擴大,強度變化特征如圖2所示。

(a)無凍融循環

由2(a)可知,水工混凝土抗壓強度隨預應力的增加呈現出逐漸增大趨勢,當σcon/fptk=0.3、σcon/fptk=0.6、σcon/fptk=0.9時,混凝土抗壓強度依次增加6.01%、15.81%、20.62%。

感謝提供的詳細數據和分析。根據您的描述,凍融循環會對水工混凝土的抗壓強度產生影響,并且這種影響受預應力的存在和凍融循環次數的變化而變化。根據圖2(b)的可知,隨著預應力的增加,抗壓強度不斷提升。當預應力較小時其增幅較大,而隨著預應力的增大其增幅逐漸減小,形成先陡后緩的變化特征。在σcon/fptk=0.9時,各凍融次數下的強度相近,在此預應力水平下,強度受凍融次數的影響最低,這是由于預應力有利于使膠凝體填充孔隙,從宏觀上增強抗壓強度。當達到σcon/fptk=0.9時,膠凝體能夠充滿大多數孔隙,使強度趨于穩定。因此,預應力可以積極促進抗壓強度的提升。

根據圖2(c)可知,有和無預應力混凝土,在凍融次數增加時的強度都會下降,然而預應力混凝土的降幅比無預應力明顯小,并且預應力越高其降幅越小。這是由于預應力可以在一定程度上抵消凍融產生的孔隙膨脹力,降低凍融對強度的損傷作用。當σcon/fptk=0.9時,預應力可以抵消大部分膨脹力甚至消失,其強度變化基本不受凍融次數影響。因此,預應力在凍融作用下具有抑制強度衰減的作用,并且預應力越大其抑制效應越明顯[11-13]。

2.3 強度損失模型

結合試驗數據可知,凍融次數和預應力水平都對抗壓強度產生影響,并且這些影響都呈指數函數的變化特征,具體可以表示成:

fN=β1eλ1N

(1)

fS=β2eλ2S

(2)

式中:FS、FN為僅在預應力與凍融下的強度,S=σcon/fptk;N為凍融次數;λ1、λ2、β1、β2為待定系數。

結合試驗數據,采用最小二乘法回歸分析0次、25次、50次、75次凍融循環下的抗壓強度,最小二乘回歸分析σcon/fptk=0.3、σcon/fptk=0.6、σcon/fptk=0.9時的抗壓強度,從而獲取待定系數λ1=-0.005、λ2=0.204、β1=60.241、β2=50.086,相關系數R2=0.982。可見,模型具有較好的擬合效果。根據表2中數據,在預應力和凍融循環耦合作用下的混凝土抗壓強度變化值,并非兩者單獨作用下變化值的簡單疊加;另外,預應力和凍融耦合作用與預應力、凍融單獨作用下的抗壓強度總體呈二次函數關系。所以,可以用預應力和凍融單獨作用下的抗壓強度表示預應力與凍融耦合作用下的強度。本研究以預應力與凍融循環耦合作用下的抗壓強度f為因變量,fS與fN為自變量,通過回歸分析構建二元二次函數,具體表達為:

f=k1fN+k2fs+k3fNfS+k4

(3)

式中:k1、k2、k3為考慮凍融循環、預應力條件下以及凍融循環與預應力耦合作用下的抗壓強度影響系數;k4為常數項。

采用最小二乘法回歸分析不同條件下抗壓強度試驗數據(表2),可以確定k1、k2、k3、k4依次為0.504、-0.371、0.016、13.551,相關系數R2=0.982。由此可見,k1>0、k2<0說明凍融循環和預應力具有促進或抑制抗壓強度損失的作用。將公式(1)～(3)進行轉化處理,則有:

f=k1β1eλ1N+k2β2eλ2S+k3β1β2eλ1N+λ1S+k4

(4)

根據k1=0.504、k2=-0.371、k3=0.016,λ1=-0.005、λ2=0.204、β1=60.241、β2=50.086,所以?f/?N<0、?f0。單一因素作用下,抗壓強度隨著凍融次數的增加呈下降趨勢,這是由于凍融會使內部產生應力集中和微裂縫擴展,導致強度下降;強度隨著預應力的增加呈增大趨勢,這是由于預應力可以通過填充混凝土中的孔隙和抵消外部加載產生的應力,增強抗壓能力;當兩種因素耦合作用時,保持相同預應力時會隨凍融次數的增加而減小,保持相同凍融次數時會隨著預應力的增加而增大,這是由于預應力對混凝土內部的孔隙填充和應力平衡起到積極作用,減少了凍融循環對混凝土的損傷。

為進一步檢驗計算模型的適用性與可靠性,利用公式(4)計算不同試驗條件下的抗壓強度,通過與試驗數據對比分析判定模型準確程度,結果見表3。

表3 試驗數據與模擬計算數據

可見,該預測模型具有較高的精度,平均誤差為5.50%,對預測分析預應力與凍融循環作用下水工混凝土抗壓強度具有較強可行性。

3 結 論

1)凍融循環條件下,對于提高水工混凝土抗壓強度預應力具有積極促進作用,且預應力越大其強度越高,當con/fptk=0.9時,不同凍融次數下的抗壓強度相差不大,此時抗壓強度受凍融循環的影響最低。

2)增大凍融次數會降低強度,無無應力高于有預應力的強度損失,提高預應力會減小強度降幅。

3)凍融循環作用下,預應力具有抑制強度衰減效果,且預應力越大其抑制效應越明顯。文章建立的強度衰減模型該具有較高的精度,平均誤差為5.50%,對預測分析預應力與凍融循環作用下水工混凝土抗壓強度具有較強可行性。