任戰(zhàn)鵬,牛荻濤,吳敬濤,張 劍,孟 寧
(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所,陜西 西安 710065;2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)
混凝土的耐久性是指在其使用過(guò)程中抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長(zhǎng)期保持良好使用性能和外觀完整性,從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全及正常使用的能力[1].目前針對(duì)混凝土凍融特性的研究很多,但是凍融環(huán)境溫度都是在-20~20 ℃之間,GJB 82-85中凍融試驗(yàn)要求在凍結(jié)和融化終了時(shí),試驗(yàn)件中心溫度也在-17±2 ℃和8±2 ℃之間,對(duì)更嚴(yán)酷條件下混凝土凍融特性的研究很少.文獻(xiàn)[2-3]從理論上對(duì)混凝土在凍融凍融循環(huán)條件下的損傷特性及壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的分析.文獻(xiàn)[4-6]研究了一般溫度(-0 ℃以上)凍融循環(huán)條件下,海水中的混凝土、加鋼纖維混凝土凍融以及碳化后混凝土力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析,但沒有對(duì)更嚴(yán)酷溫度條件下的混凝土力學(xué)特性以及耐久性進(jìn)行試驗(yàn)分析.混凝土在使用過(guò)程中,隨著使用時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)各種各樣的耐久性問(wèn)題,這些有可能會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限,就已經(jīng)提前失效,或者說(shuō)雖未達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn),卻存著在嚴(yán)重的安全隱患.對(duì)于用于極端溫度環(huán)境下的混凝土建筑,比如橋墩、水壩、碼頭等工程,受干濕和高低溫交變環(huán)境的影響,使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍融損傷,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等性能參數(shù)均出現(xiàn)衰退,甚至出現(xiàn)凍融破壞,使建筑結(jié)構(gòu)不能達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命[7-9].混凝土凍融特性作為混凝土耐久性最具代表性的指標(biāo)[10-13],在極端環(huán)境使用前,必須對(duì)混凝土的耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究,得出極端環(huán)境影響下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的變化規(guī)律,為建筑的材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù).
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室地坪所遇到的極端環(huán)境,開展了極端溫度環(huán)境下環(huán)境室混凝土地坪的凍融試驗(yàn)研究,對(duì)極端高低溫凍融環(huán)境下混凝土質(zhì)量、動(dòng)彈模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,得出極端環(huán)境凍融循環(huán)對(duì)不同類型混凝土凍融特性的影響,為混凝土地坪的材料選型及設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).
驗(yàn)共包括G1—G4四組試驗(yàn)件,每組試驗(yàn)件強(qiáng)度等級(jí)及養(yǎng)護(hù)條件見表1.每組包括兩種形狀的試驗(yàn)件,一種是用于測(cè)試質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量和抗折強(qiáng)度的150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試塊,另一種是用于測(cè)試抗壓強(qiáng)度的150 mm×150 mm×150 mm正方體試塊.
試件制作完成后根據(jù)GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)各組試驗(yàn)件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[14].養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,每組試件抽取三個(gè)試件進(jìn)行初始抗壓強(qiáng)度檢測(cè),各組取其平均值得出試件的初始抗壓強(qiáng)度,見表2.從試件初始抗壓強(qiáng)度測(cè)試來(lái)看,強(qiáng)度等級(jí)C50的G1組試件最高,強(qiáng)度等級(jí)C40的三組試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)并摻加鋼纖維的G2組試件抗壓強(qiáng)度最高,次之的為自然養(yǎng)護(hù)并摻加鋼纖維的G3組試件,而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)但未摻加鋼纖維的G4組試件抗壓強(qiáng)度最低,這說(shuō)明摻加鋼纖維對(duì)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度有著比較大的影響.
表1 試件信息
注:棱柱體試塊數(shù)量后括號(hào)內(nèi)數(shù)字為預(yù)埋測(cè)溫傳感器試塊的個(gè)數(shù).
表2 試驗(yàn)件初始抗壓強(qiáng)度
采用UC240環(huán)境箱對(duì)G1-G4組試驗(yàn)件進(jìn)行凍融試驗(yàn),該環(huán)境箱容積為280 m3,溫度控制范圍為-70~150 ℃,溫度均勻度≤2.0 ℃,溫度波動(dòng)度≤±0.5 ℃.試驗(yàn)通過(guò)在溫度監(jiān)測(cè)試塊中心預(yù)埋熱電偶來(lái)檢測(cè)試驗(yàn)溫度,并作為試驗(yàn)溫度控制的輸入值,溫度監(jiān)測(cè)試塊布置在環(huán)境箱內(nèi)不同區(qū)域.試驗(yàn)采用的熱電偶溫度測(cè)量范圍為-80~120 ℃,測(cè)量精度為±0.5 ℃,每個(gè)小循環(huán)凍融試驗(yàn)結(jié)束后,分別使用電子天平秤、NM-4B型非金屬超聲檢測(cè)分析儀、DLY-30T型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、TYA-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)各組試驗(yàn)件的質(zhì)量、動(dòng)彈模量、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量.
試件制作完成后,根據(jù)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求分別對(duì)試件養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將所有試驗(yàn)件按組放入水池進(jìn)行浸水4 d,使得試驗(yàn)件充分吸水,之后將試件表面水擦拭干凈按組放入環(huán)境箱進(jìn)行凍融試驗(yàn),試驗(yàn)平均升降溫速率約為10.7 ℃/h.
整個(gè)試驗(yàn)共進(jìn)行120 次凍融循環(huán),每10次凍融循環(huán)為一個(gè)小循環(huán),圖1給出了每個(gè)小循環(huán)升降溫過(guò)程.由于試件中心溫度相對(duì)試驗(yàn)環(huán)境箱溫度具有滯后性,因此,試驗(yàn)溫度控制以試件中心溫度為準(zhǔn),試件中心溫度采用預(yù)埋在試件中心位置的熱電偶來(lái)采集.每個(gè)小循環(huán)的低溫階段試件中心溫度降至-55 ℃,高溫階段前9次試件中心溫度升至20 ℃,每次試件中心溫度到達(dá)20 ℃后對(duì)所有的試驗(yàn)件進(jìn)行一次灑水,保證試驗(yàn)件的含水量,第10次高溫循環(huán)試件中心溫度升至+74 ℃.
圖1 凍融小循環(huán)升降溫過(guò)程Fig.1 Heating and cooling process of each small freezing-thawing cycle
混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量反映了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化過(guò)程,是混凝土內(nèi)部損傷程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15].固體材料的動(dòng)彈模量Ed與其表面波速之間的關(guān)系為
(1)
式中:ρ為固體材料密度;V為表面波速度;μ為泊松比;L為試件長(zhǎng)度;T為聲波聲時(shí).
根據(jù)該式可得出混凝土試塊的相對(duì)動(dòng)彈模量與聲波聲時(shí)值之間的關(guān)系:
(2)
式中:Erd為相對(duì)動(dòng)彈模量;Edn為經(jīng)歷第n個(gè)凍融循環(huán)后試件的動(dòng)彈性模量;Ed0為未進(jìn)行凍融試驗(yàn)試件初始的動(dòng)彈性模量;Vn為經(jīng)歷第n個(gè)凍融循環(huán)后試件的表面波速度;V0為未進(jìn)行凍融試驗(yàn)試件初始表面波速度;T0為未進(jìn)行凍融試驗(yàn)測(cè)得的試件初始聲波聲時(shí);Tn為經(jīng)歷第n個(gè)凍融循環(huán)后測(cè)得試件的聲波聲時(shí).
試驗(yàn)采用NM-4B型非金屬超聲檢測(cè)儀,測(cè)出超聲波在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用后的混凝土試件內(nèi)部的傳播聲時(shí)值T,通過(guò)式(2)可得混凝土試塊的相對(duì)動(dòng)彈模量Erd.每個(gè)小循環(huán)結(jié)束后,對(duì)試件的聲時(shí)值進(jìn)行檢測(cè),從而得出試件相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的變化關(guān)系,如圖2所示.
圖2 試件相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationships between relative dynamic elastic modulus and freezing-thawing cycle number
由圖2可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加各組混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均有一定的下降.在前60次凍融循環(huán)中,四組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化趨勢(shì)基本一致.60次凍融循環(huán)后,G3、G4組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量相比G1、G2組有著明顯的加速衰減趨勢(shì).其中G2標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組和G3自然養(yǎng)護(hù)組試件的材料配合比和試驗(yàn)條件均相同,但自然養(yǎng)護(hù)條件的G3組試件相對(duì)動(dòng)彈模量的變化趨勢(shì)(抗凍性能)明顯大于G2組試件,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,G3組試塊的動(dòng)彈模量下降非常明顯,經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后其相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)低至58%,并低于試驗(yàn)終止條件值60%.另外,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、相同配合比的G2、G4組試驗(yàn)件,摻加鋼纖維的G2組試件抗凍性能要優(yōu)于未摻鋼纖維的G4組試件.G2組試件在整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中,相對(duì)動(dòng)彈模量有較小程度的離散變化現(xiàn)象,這是受該組試驗(yàn)件中個(gè)別試塊骨料的不均勻性影響所致,但總的來(lái)看,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加該組混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),說(shuō)明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了劣化.
以上試驗(yàn)結(jié)果表明:該幾種混凝土材料在-55~74 ℃的極端溫度環(huán)境下,養(yǎng)護(hù)方式的不同對(duì)混凝土的抗凍性能有著顯著的影響,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)的;摻加鋼纖維對(duì)提高混凝土的抗凍性有著顯著的提高.
混凝土試件在凍融循環(huán)過(guò)程中的質(zhì)量變化主要由兩部分組成:一部分是混凝土試件表面的漿體、骨料的剝落導(dǎo)致質(zhì)量的下降;另一部分則是在凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試件內(nèi)部出現(xiàn)劣化逐漸產(chǎn)生微裂縫,在飽水狀態(tài)下裂縫吸水飽和,導(dǎo)致試件重量的增加.混凝土試件的質(zhì)量損失率Wn可由式(3)得出:
Wn=(1-Gn/G0)×100%
(3)
其中:G0為凍融試驗(yàn)前混凝土試件初始質(zhì)量,Gn為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后混凝土的質(zhì)量.
在120次凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中,每經(jīng)歷10次循環(huán),對(duì)試件的質(zhì)量進(jìn)行一次測(cè)量,得到了試件質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系,如圖3.
圖3 試件質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationships between mass loss ratio and freezing-thawing cycle number
試驗(yàn)過(guò)程中,試件表面均未出現(xiàn)明顯的表面骨料剝落現(xiàn)象,因此試件質(zhì)量的變化主要反應(yīng)了試件內(nèi)部的裂縫吸水而引起.從圖3可以看出,經(jīng)歷120次凍融循環(huán)后,4組試件的質(zhì)量出現(xiàn)了不同程度的增加.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件內(nèi)部的凍害慢慢累積,逐漸形成貫通的、較大的微裂縫,從而積蓄了更多的自由水,導(dǎo)致質(zhì)量的增加.由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出:經(jīng)歷120次凍融循環(huán),4組試件的抗剝落能力都比較強(qiáng),試件最大質(zhì)量增加率不到1.5%,但標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)且摻加鋼纖維的G1組試件的抗凍裂能力明顯優(yōu)于其他三組試驗(yàn)件.
抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性能,因?yàn)閺?qiáng)度與硬化水泥石、骨料和水泥的界面區(qū)以及孔隙等直接相關(guān).在120次凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中,每10次凍融循環(huán)對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試,得到了試件抗壓強(qiáng)度損失率與凍融次數(shù)的變化關(guān)系,如圖4所示.
圖4 試件抗壓強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationships between compressive strength loss ratio and freezing-thawing cycle number
從圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出,各組試件的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出較為明顯的離散特征,這和混凝土骨料的均勻程度有關(guān),個(gè)別試塊骨料混合不是十分均勻?qū)е聫?qiáng)度測(cè)試時(shí)平均值有一定的波動(dòng)現(xiàn)象.但是總體上每組的抗壓強(qiáng)度損失率整體上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì).經(jīng)歷120次凍融循環(huán),四組混凝土試件的抗壓性能大小依次為G1>G2≈G3>G4,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、摻鋼纖維的G1組試件的抗壓強(qiáng)度損失率最小,抗壓性能表現(xiàn)最佳,其次為G2與G3組試件,G4組試件抗壓性能一般,且不穩(wěn)定,隨著凍融次數(shù)的增加抗壓強(qiáng)度損失較大.
在120次凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中,每經(jīng)歷10次試驗(yàn)后,對(duì)試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試,得到了試件抗折強(qiáng)度損失率與凍融次數(shù)的變化關(guān)系,如圖5所示.
圖5 試件抗折強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationships between flexural strength loss ratio and freezing-thawing cycle number
從圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,四組試件的抗折強(qiáng)度損失率呈增加趨勢(shì),即試件的抗折性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)衰減趨勢(shì).其中G1組試件的抗折性能受凍融影響變化較小,抗折性能較好.自然養(yǎng)護(hù)的G3組試件受凍融循環(huán)影響較大.經(jīng)歷80次凍融循環(huán)后,沒摻加鋼纖維的G4組試驗(yàn)件抗折損失率出現(xiàn)突增現(xiàn)象,抗折性能惡化衰退,原因是G4組試件未摻加增強(qiáng)試件阻裂、增韌作用的鋼纖維,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,內(nèi)部裂縫逐漸拓展、損傷逐漸累積,混凝土的韌性迅速下降.
通過(guò)對(duì)四組混凝土試件在-55~74℃溫度環(huán)境下的耐久性的試驗(yàn)研究分析,得出了極端環(huán)境溫度凍融循環(huán)對(duì)混凝土試件耐久性的影響,結(jié)論如下:
(1)經(jīng)60次凍融循環(huán)后,自然養(yǎng)護(hù)組試件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)且未添加鋼纖維組試件的凍融特性參數(shù)相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率均出現(xiàn)了明顯的衰減.抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度特性方面,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和添加鋼纖維組試件受極端溫度凍融循環(huán)的影響程度均小于自然養(yǎng)護(hù)組和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)且未添加鋼纖維組試件.所以,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和添加鋼纖維對(duì)混凝土極端凍融環(huán)境下的耐久性有一定增強(qiáng)作用;
(2)隨著極端凍融循環(huán)次數(shù)的增加,四組試件的凍融特性指標(biāo)均出現(xiàn)了下降.較之自然養(yǎng)護(hù)組試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組混凝土試件的凍融特性明顯好于自然養(yǎng)護(hù)組試件.可見,對(duì)于同等級(jí)混凝土,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土極端環(huán)境下的凍融特性有明顯的增強(qiáng)作用;
(3)對(duì)于同等級(jí)的G40混凝土,相同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件,添加鋼纖維對(duì)混凝土極端環(huán)境下凍融特性有明顯的增強(qiáng)作用.
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