凍融環(huán)境下混凝土抗壓強度試驗研究

凍融環(huán)境下混凝土抗壓強度試驗研究

0凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能的現(xiàn)狀研究冷杉破壞是混凝土建筑物長期破壞和破壞的主要原因之一，嚴重影響了混凝土建筑物的長期使用壽命和安全運行。為了使這些建筑繼續(xù)發(fā)揮著使用作用，每年都需要花費大量的維護成本?，F(xiàn)有的有關經(jīng)歷凍融循環(huán)后混凝土性能的試驗資料中,大多是以質量損失和動彈模量損失為標準,或針對混凝土抗凍性安全設計等級而展開的。然而在實際工程應用中,大家最關心的是混凝土的力學性能,如強度的損失直接關系到建筑物的使用性能及安全運行。我國現(xiàn)行標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82—85)和《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T5151—2001)中對混凝土抗凍等級的規(guī)定都沒有考慮混凝土的強度指標。國內外研究資料中涉及凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能的不多,且所采取的凍融循環(huán)方法也不盡相同,至于描述凍融損傷的混凝土壽命預測模型則更少。因此,開展凍融循環(huán)對混凝土強度影響的試驗研究,并建立以強度為指標的凍融環(huán)境壽命預測模型是十分必要的。這對于分析北方地區(qū)混凝土結構、海岸及近?；炷翗嬛?不僅有理論上的意義,同時具有實際應用價值和經(jīng)濟效益。本文在理論研究的基礎上依據(jù)試驗數(shù)據(jù),建立了考慮混凝土水膠比、粉煤灰摻量、引氣劑摻量等因素的凍融循環(huán)下混凝土抗壓強度指數(shù)衰減規(guī)律預測模型,以期為凍融環(huán)境下混凝土耐久性壽命預測提供依據(jù),也為混凝土耐久性的研究及其耐久性設計提供參考。1試驗與研究1.1測試設計1.1.1充填材料及引氣劑水泥選用陜西秦嶺水泥總廠生產(chǎn)的PO42.5R普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為渭河電廠Ⅱ級粉煤灰;粗骨料為粒徑5~20mm,陜西徑陽口鎮(zhèn)石灰?guī)r質錘破碎石;細骨料為西安霸河中砂;引氣劑采用同濟大學研制的SJ-3型高效引氣劑;水為自來水。每m3標準試件A2配合比見表1,混凝土不同配合比的相關指標見表2。1.1.2護室養(yǎng)護時間混凝土成型后帶模養(yǎng)護24h,拆模后移入標準養(yǎng)護室(溫度(20±2)℃,濕度為95%以上)養(yǎng)護30d,之后自然養(yǎng)護到預定齡期90d。不同配合比試件在養(yǎng)護期階段的抗壓強度變化見表3。1.2凍融循環(huán)試件成型前分別測定含氣量,含氣量的測定采用CA-3型混凝土含氣量測定儀。本試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82—85)中抗凍性能試驗的“快凍法”進行。試件放入凍融箱前在溫度為15~20℃的水中浸泡4d,每次凍融循環(huán)應在2~4h內完成,從6℃降低至-15℃所用時間不得少于凍結時間的1/2,同時從-15℃升至6℃所用的時間不少于整個融化時間的1/2,試件中心溫度控制在(-17±2)℃和(8±2)℃。對混凝土試件分別進行300次凍融循環(huán),其中每50次凍融循環(huán)后進行力學性能試驗,尺寸采100mm×100mm×100mm?；炷亮⒎襟w抗壓強度試驗時,每種工況至少試驗3個試件,將試件軸心物理對中再以標準靜態(tài)加載速率施加荷載。1.3試驗結果及分析1.3.1凍融循環(huán)率對混凝土單軸受體深混凝土試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)之后,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加其表面剝落程度也越來越嚴重。在凍融循環(huán)后混凝土單軸受壓試驗中,混凝土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其破壞時發(fā)出的爆裂聲也越明顯,尤其是粉煤灰摻量最大的試件A6,爆裂聲較其余配比試件嚴重。不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土抗壓強度測試結果見表4。1.3.2凍融循環(huán)對抗壓強度損失率的影響試驗配合比采用水膠比分別為0.35,0.45和0.55,粉煤灰摻量為30%,引氣劑摻量為膠凝材料的0.03%的混凝土進行凍融循環(huán)試驗,具體參數(shù)見表2。圖1為不同水膠比混凝土抗壓強度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。從圖1可以看出,水膠比為0.35的試件A1在150次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為9%;200次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為14.3%;300次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為26%。水膠比為0.45的試件A2在300次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為27.68%。水膠比為0.55的試件A3在300次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為28.26%。從以上敘述可以看出,水膠比對凍融環(huán)境混凝土的抗壓強度損失是有影響的,水膠比越小的混凝土抗壓強度損失率越小。因此,有抗凍要求時應優(yōu)先選用水膠比小、強度等級高的混凝土。1.3.3抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化試驗采用水膠比為0.45,粉煤灰摻量分別為0,10%,30%和50%,引氣劑摻量為膠凝材料的0.03%的混凝土進行凍融循環(huán)試驗,具體參數(shù)見表2。圖2為不同粉煤灰摻量混凝土抗壓強度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。從圖2可以看出,粉煤灰摻量為50%的試件A6抗壓強度損失率增加較快,150次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為28%;200次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率已增加至46%。粉煤灰摻量較小的試件A5和A2,200次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率分別為19.2%和16.77%。而沒有摻入粉煤灰的試件A4經(jīng)過200次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為22.7%。從以上敘述可以看出,摻入適量粉煤灰對凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強度損失率沒有大的影響,但摻量不宜超過30%。1.3.4凍融循環(huán)對抗壓強度損失率的影響試驗采用水膠比為0.45,粉煤灰摻量為30%,引氣劑摻量分別為膠凝材料的0.02%,0.025%以及0.03%的混凝土進行凍融循環(huán)試驗,具體參數(shù)見表2。圖3為不同含氣量混凝土抗壓強度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。從圖3可以看出,引氣劑摻量較少的試件A7抗壓強度損失率增長很快,50次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為9%;100次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率為22%;而150次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率超過了50%。含氣量較大的試件A8和A2,300次凍融循環(huán)后,抗壓強度損失率分別為34.27%和27.68%。從以上敘述可以看出,含氣量對凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強度損失影響很大。因此,對于有抗凍性要求的混凝土,摻入適量的引氣劑是很重要的。2在冷凍條件下，混凝土抗壓強度衰減的模型建設2.1凍融循環(huán)對抗壓強度的影響依據(jù)本文的試驗數(shù)據(jù),混凝土的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的衰變大致符合指數(shù)規(guī)律分布,混凝土的衰變是其自身結構的破損引起的,應隨原始量做自然率規(guī)律衰減,近似符合牛頓的物質冷卻定律?？梢哉J為原材料、摻合料、水膠比相同的混凝土的抗壓強度衰變規(guī)律相似。假定其衰變速率為dRt/dN,它應與凍融循環(huán)中的抗壓強度差成正比,即:以水膠比0.45的混凝土作為標準試件,以其試驗結果為基準,通過對其300次凍融循環(huán)內抗壓強度試驗結果回歸分析,其衰減系數(shù)λ=0.001,則抗壓強度Rt與凍融循環(huán)次數(shù)N的關系為:令參數(shù)ρ=Rt/R0。式中:β是待定系數(shù);Rt,R0分別是凍融循環(huán)后和凍融循環(huán)前抗壓強度;N為經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)。設β=kwkfka,其中kw,kf,ka分別為不同水膠比w,不同粉煤灰摻量f以及不同含氣量a單因素下試件的抗壓強度修正系數(shù),則剩余抗壓強度比ρ與凍融循環(huán)次數(shù)N的關系為:2.2修正系數(shù)的確定2.2.1同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強度損失率進行歸一化處理根據(jù)試驗結果,對水膠比w=0.35,0.45,0.55時,不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強度損失率分別進行以w=0.45的混凝土為標準的歸一化處理,此時粉煤灰摻量為30%,引氣劑摻量為0.03%。經(jīng)回歸計算得不同水膠比時修正系數(shù)kw與水膠比的關系為:2.2.2循環(huán)次數(shù)的確定通過對粉煤灰摻量f=0,10%,30%,50%時,不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強度損失率分別進行以f=30%的混凝土為標準的歸一化處理,此時水膠比取0.45,引氣劑摻量為0.03%。經(jīng)回歸計算得不同粉煤灰摻量時修正系數(shù)kf與粉煤灰摻量的關系為:2.2.3融循環(huán)次數(shù)的確定通過對引氣劑摻量a=0.02%,0.025%,0.03%時,不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強度損失率分別進行以a=0.03%時的混凝土為標準的歸一化處理,此時水膠比取0.45,粉煤灰摻量為30%。經(jīng)回歸計算得不同含氣量修正系數(shù)ka與含氣量的關系為:其中1.8%≤a≤7%。2.3抗壓強度指數(shù)衰減規(guī)律預測模型根據(jù)(3)~(7)式,可得到以抗壓強度為評價指標,綜合水膠比w、粉煤灰摻量f和含氣量a等因素的凍融循環(huán)后抗壓強度指數(shù)衰減規(guī)律預測模型,即:式中:ρ=Rt/R0;N為凍融循環(huán)次數(shù);w為水膠比;f為粉煤灰摻量;a為含氣量;Rt,R0分別是凍融循環(huán)后和凍融循環(huán)前初始抗壓強度。2.4抗壓強度預測模型為了驗證模型的準確性,選用李金玉教授等人的已有試驗數(shù)據(jù)與本文預測模型計算所得結果進行對比?；炷了z比為0.65,粉煤灰摻量為0,含氣量6%,初始強度21.9MPa,歷經(jīng)225次快速凍融循環(huán)后試件抗壓強度為17MPa;運用本文抗壓強度指數(shù)衰減規(guī)律預測模型,得出歷經(jīng)225次快速凍融循環(huán)后試件抗壓強度為17.7MPa。對比結果可見,誤差為4%,說明該模型準確性較高。3建筑混凝土凍融次數(shù)預測模型通過式(8),可推得凍融循環(huán)次數(shù)N的表達式:應用本文得出的預測模型對既有建筑物進行壽命預測的主要步驟如下:1)已知既有建筑混凝土材料配合比,如水膠比、粉煤灰摻量和含氣量;2)已知既有建筑混凝土初始強度,并通過無損檢測法測得現(xiàn)有強度;3)運用本文中凍融循環(huán)次數(shù)預測模型式(9)推算出所經(jīng)歷的快速凍融次數(shù);4)通過快速凍融試驗方法室內外的對比關系,預測既有建筑的安全運行年限或剩余壽命。4混凝土安全運行年限十三陵水庫位于北京市昌平縣十三陵鄉(xiāng),壩址座落在溫榆河支流東砂河的東山口村。水庫建于1958年1月21日,當年7月1日竣工。以該水庫西南區(qū)中部為例,上池混凝土面板標準配比:水膠比為0.44,粉煤灰摻量為0,含氣量為6.5%?；炷?8d平均抗壓強度35.4MPa(滿足設計指標25MPa要求)。根據(jù)1999年對該水庫西南坡中部3塊混凝土面板跟蹤檢測結果,強度能滿足C25的要求。以設計指標25MPa為要求,依據(jù)本文模型可以推算出混凝土面板大約能歷經(jīng)454次快速凍融循環(huán)。再依據(jù)李金玉等人的試驗研究,北京地區(qū)平均每年遭受84次室外自然環(huán)境凍融循環(huán),作用快速凍融試驗方法室內外的對比關系為1∶12.9,可得出該水庫每年歷經(jīng)6.5次快速凍融循環(huán),454/6.5=69.85,即該處混凝土安全運行年限約為70年;則該水庫西南坡中部上池混凝土面板剩余壽命約為20年。5粉煤灰摻量和摻量對混凝土抗壓強度的影響(1)本文通過對粉煤灰引氣混凝土凍融循環(huán)后抗壓強度的試驗研究,探討了對其影響最大的三個因素:水膠比、粉煤灰摻量和含氣量。通過試驗分析得出,對抗壓強度損失率影響最大的是含氣量,其次是水膠比。(2)粉煤灰摻量也會