凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

作為一個(gè)復(fù)雜的服務(wù)環(huán)境，混凝土結(jié)構(gòu)的性能無法逆轉(zhuǎn)，并且累積的損壞積累了不同的破壞，降低了結(jié)構(gòu)的耐用性。對寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)來說，凍容環(huán)的作用是一個(gè)非常不利的因素。目前國內(nèi)外大部分學(xué)者把凍融循環(huán)次數(shù)作為主要變量,研究凍融循環(huán)對混凝土的作用.相對動(dòng)彈性模量損失率由于比較容易實(shí)現(xiàn)無破損檢測,被廣大學(xué)者采用.SunW.等認(rèn)為,相對動(dòng)彈性模量就是評價(jià)混凝土抗凍性的1個(gè)重要因素;D.J.Janssen等采用測試混凝土基頻的方法研究其碟形試件抗凍性;劉榮桂等同樣采用相對動(dòng)彈性模量作為一個(gè)評價(jià)指標(biāo);LiG.D.等在灰度系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上,提出計(jì)算相對動(dòng)彈性模量的數(shù)學(xué)模型.凍融循環(huán)后混凝土的力學(xué)性能也被深入研究.商懷帥等系統(tǒng)研究了凍融循環(huán)作用后混凝土的單軸、雙軸及三軸的強(qiáng)度和變形性能;曹大富等研究了凍融循環(huán)作用下混凝土的受拉本構(gòu)特征.目前這些研究中,相對動(dòng)彈性模量的測試雖然簡單易行,但卻不能直觀反應(yīng)混凝土的力學(xué)性能;而凍融后的力學(xué)性能測試需要留置試塊,若需長期監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康度,就必須要留置大量的試塊,且需要進(jìn)行大量試驗(yàn),造成浪費(fèi).為此,本研究對凍融循環(huán)作用后的混凝土試塊進(jìn)行抗壓、抗拉等力學(xué)性能試驗(yàn),綜合考慮混凝土等級和動(dòng)彈性模量等因素的影響,擬建立有關(guān)混凝土力學(xué)性能及相對動(dòng)彈性模量的數(shù)學(xué)模型.1測試1.1粗骨料及粉煤灰本次試驗(yàn)所用水泥為揚(yáng)州亞東水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5級水泥;細(xì)骨料為江西贛江產(chǎn)的中砂,連續(xù)級配,細(xì)度模數(shù)為2.8;粗骨料來源于南京六合,粒徑為5.0~31.5mm,級配良好;粉煤灰為儀征華盛熱電公司生產(chǎn)的Ⅱ級灰;外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的混凝土高效增強(qiáng)劑.混凝土的配合比及主要參數(shù)見表1.1.2抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及養(yǎng)護(hù)抗拉試驗(yàn)中,澆筑C20,C30,C40和C50共4個(gè)等級的試塊.每個(gè)等級包括6組抗拉試塊(120mm×120mm×400mm)用于測試0,25,50,75,100和125次凍融后的受拉性能;1組立方體試塊(150mm×150mm×150mm)用于測試養(yǎng)護(hù)28d后的立方體抗壓強(qiáng)度平均值f28cu,m.抗壓試驗(yàn)中,澆筑C20等級的試塊,共6組棱柱體試塊(100mm×100mm×300mm)用于測試0,25,50,75,100和125次凍融后的受壓性能,每組4個(gè)試塊.由于抗拉試件的非標(biāo)準(zhǔn)性,采用木模板成型,立方體試件和棱柱體試件采用GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊鋼模成型.澆筑完成的試塊放在空調(diào)房中養(yǎng)護(hù)24h后拆模,隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)23d,再將試件放在溫度為15~20℃的水中浸泡4d,所有試件都在同條件下養(yǎng)護(hù)和浸泡,以保證具有相同的初始強(qiáng)度.1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中快凍法試驗(yàn)制度,對各組試件分別進(jìn)行25,50,75,100和125次凍融循環(huán).達(dá)到設(shè)計(jì)的凍融循環(huán)次數(shù)后,按GB/T50081—2002進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).2凍融循環(huán)對拉力學(xué)性能的影響由于凍融100次以后,C20和C30級受拉試件破壞比較嚴(yán)重,所以對C20和C30級試件經(jīng)過25,50和75次凍融循環(huán)后的受拉力學(xué)性能進(jìn)行研究,對C40和C50級試件經(jīng)過25,50,75,100和125次凍融循環(huán)后的受拉力學(xué)性能進(jìn)行研究.對設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20的試件經(jīng)過25,50和75次凍融循環(huán)后的受壓性能進(jìn)行研究.2.1c0和s10級混凝土相對動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖1為各等級混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后相對動(dòng)彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果.從圖1可以看出:隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,相對動(dòng)彈性模量逐漸降低.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到25次時(shí),C20和C30級混凝土動(dòng)彈性模量下降了10%左右,C40和C50級混凝土相對動(dòng)彈性模量下降了5%左右.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到75次時(shí),強(qiáng)度最低的C20級混凝土動(dòng)彈性模量損失率達(dá)到30%,而C50級混凝土動(dòng)彈性模量損失率也達(dá)到25%左右.各等級混凝土相對動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的整體變化趨勢表明:在凍融開始時(shí),相對動(dòng)彈性模量下降速度較快,因?yàn)榛炷林性械某跏既毕菰趦鋈谶^程中得以發(fā)展;這些初始缺陷擴(kuò)展到一定程度后,將進(jìn)入一段穩(wěn)定期,無新的缺陷源產(chǎn)生,所以當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí),相對動(dòng)彈性模量下降速度變慢;繼續(xù)凍融,原有的初始缺陷將繼續(xù)擴(kuò)展,而且混凝土中產(chǎn)生了新的缺陷源,這些缺陷源也會(huì)隨凍融次數(shù)繼續(xù)增加不斷擴(kuò)展,從而導(dǎo)致相對動(dòng)彈性模量的下降速度加大.2.2參數(shù)分析對力學(xué)性能的影響2.2.1混凝土力學(xué)性能圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)后,各等級混凝土的受拉峰值應(yīng)力試驗(yàn)值與相對動(dòng)彈性模量的關(guān)系.從上述結(jié)果可以看出:隨著相對動(dòng)彈性模量的降低,受拉峰值應(yīng)力呈明顯的衰減,但變化關(guān)系是非線性的.在動(dòng)彈性模量下降34%時(shí),C20級混凝土受拉峰值應(yīng)力下降了34%;在動(dòng)彈性模量下降38%時(shí),C50級混凝土受拉峰值應(yīng)力下降了50%.根據(jù)上述數(shù)據(jù),擬合出了受拉峰值應(yīng)力ftD與相對動(dòng)彈性模量P的變化關(guān)系函數(shù):式中:ftD為凍融后混凝土受拉峰值應(yīng)力;P為凍融后混凝土相對動(dòng)彈性模量;fcu,m為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值;a,b,c和d為未凍融混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu,m對ftD的影響參數(shù),其中,2.2.2fcd模型中相對構(gòu)建的接觸問題圖3為C20級混凝土凍融循環(huán)后相對受壓峰值應(yīng)力與相對動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系.由圖3可知:凍融循環(huán)作用后,相對受壓峰值應(yīng)力與相對動(dòng)彈性模量之間存在良好的線性關(guān)系,相對受壓峰值應(yīng)力隨著相對動(dòng)彈性模量的降低而減小,當(dāng)動(dòng)彈性模量下降了34%左右時(shí),相對受壓峰值應(yīng)力下降了33%.根據(jù)圖3中實(shí)測數(shù)據(jù),擬合了相對受壓峰值應(yīng)力與相對動(dòng)彈性模量的變化關(guān)系函數(shù),即式中:fcD為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土單軸受壓峰值應(yīng)力;fc為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土單軸受壓峰值應(yīng)力.2.3變形能參數(shù)分析2.3.1動(dòng)彈性模量的影響圖4為在不同凍融循環(huán)次數(shù)下各等級混凝土的受拉峰值應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量的關(guān)系.從圖4中可以看出:相同強(qiáng)度等級的條件下,隨著相對動(dòng)彈性模量的降低,混凝土試件的受拉峰值應(yīng)變呈非常明顯的下降趨勢,且強(qiáng)度等級高的混凝土受拉峰值應(yīng)變對動(dòng)彈性模量的變化更敏感.動(dòng)彈性模量下降33%時(shí),C20級混凝土受拉峰值應(yīng)變下降30%;動(dòng)彈性模量下降32%時(shí),C50級混凝土受拉峰值應(yīng)變下降50%.根據(jù)上述數(shù)據(jù)擬合了受拉峰值應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,即式中:εtD為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的受拉峰值應(yīng)變,10-6.2.3.2相對熱彈性模量優(yōu)選圖5為C20級混凝土凍融循環(huán)后相對受壓峰值應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系.由圖5可知:凍融循環(huán)作用后的相對受壓峰值應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量之間存在良好的線性關(guān)系,受壓峰值應(yīng)變隨著相對動(dòng)彈性模量的降低而增大,當(dāng)動(dòng)彈性模量下降了34%左右時(shí),受壓峰值應(yīng)變增大了60%.根據(jù)圖5中實(shí)測數(shù)據(jù),擬合了相對受壓峰值應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量的變化關(guān)系函數(shù),即式中:εcD為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土受壓峰值應(yīng)變,10-6;εc為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土受壓峰值應(yīng)變,10-6.2.3.3混凝土相對可抗壓強(qiáng)度與極限應(yīng)變的關(guān)系根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附圖C.2.3及附錄C.2.4條規(guī)定,在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段上,當(dāng)應(yīng)力(殘余強(qiáng)度)減至0.5fc時(shí)(fc為混凝土棱柱體的單軸受壓峰值應(yīng)力),所對應(yīng)的壓應(yīng)變?yōu)槭軌簶O限應(yīng)變?chǔ)與,u.圖6為C20級混凝土凍融循環(huán)后相對受壓極限應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系.由圖6可知:凍融循環(huán)作用后的相對受壓極限應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量之間存在近似的線性關(guān)系,受壓極限應(yīng)變隨著相對動(dòng)彈性模量的降低而增大,當(dāng)動(dòng)彈性模量下降了34%左右時(shí),受壓極限應(yīng)變增大了20%.根據(jù)圖6中實(shí)測數(shù)據(jù),擬合了相對受壓極限應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量的變化關(guān)系函數(shù)為式中:εcD,u為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土受壓極限應(yīng)變,10-6;εc,u為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土受壓極限應(yīng)變,10-6.2.3.4凍融循環(huán)作用后混凝土受拉初始彈性模量的變化從加載開始到混凝土受拉峰值應(yīng)力的40%~60%左右,應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)懦屎芎玫谋壤P(guān)系,拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在此階段為一直線,該直線的斜率即為混凝土的受拉初始彈性模量EtD0(見圖7).取受拉峰值應(yīng)力的50%(即σ=0.5ftD)所對應(yīng)的割線模量作為混凝土受拉初始彈性模量,即式中:EtD0為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土受拉初始彈性模量;ε0D.5t為經(jīng)凍融循環(huán)作用后與0.5ftD相應(yīng)的拉伸應(yīng)變.按照式(6)對不同凍融次數(shù)下各等級試件應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到各種情況下受拉初始彈性模量與相對動(dòng)彈性模量的關(guān)系,如圖8所示.由圖8可知:凍融循環(huán)作用后,混凝土受拉初始彈性模量隨相對動(dòng)彈性模量呈線性下降.在動(dòng)彈性模量下降34%時(shí),C20級混凝土受拉初始彈性模量下降了26%;而在動(dòng)彈性模量下降32%時(shí),C50級混凝土受拉初始彈性模量下降了26%.混凝土等級的提高增加了曲線斜率,但增加的幅度很小.綜合上述公式,受拉初始彈性模量與相對動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度fcu,m的關(guān)系式為式中:EDt0為凍融循環(huán)后的混凝土受拉初始彈性模量.3相對動(dòng)彈性模量的影響1)建立了凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能與相對動(dòng)彈性模量關(guān)系的函數(shù),可以依托相對動(dòng)彈性模量的測定實(shí)現(xiàn)各性能參數(shù)的確定.2)受拉峰值應(yīng)力隨相對動(dòng)彈性模量非線性變化;受拉峰值應(yīng)變與相對動(dòng)彈性模量呈