低溫環(huán)境下全輕混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

田 琦，劉宗輝 ，秦文博

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450045)

我國幅員遼闊，南北溫差很大，北部寒帶省份溫度低且溫差大。黑龍江漠河最低溫度曾達(dá)到-52.3 ℃，內(nèi)蒙古、吉林、新疆等省份也出現(xiàn)過-30 ℃甚至-40 ℃的低溫。而目前對于混凝土性能的研究往往都是常溫下進(jìn)行的，只能反映其在常溫下的受力狀態(tài)[1]。寒帶地區(qū)冬夏兩季凍融循環(huán)，中午與夜間小溫差凍融循環(huán)都會對混凝土的性能造成影響，這些因素的影響導(dǎo)致低溫環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，也不安全。而作為特殊的地下工程建設(shè)，凍結(jié)法無疑是最好的選擇，它利用人工制冷的方法[2]，將低溫介質(zhì)送入地層，使地層中的水凍結(jié)成冰，從而使土層強(qiáng)度增大，地下水得到控制。保證凍結(jié)法施工成敗的關(guān)鍵是確保低溫條件下混凝土免受損害。因此，研究低溫養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土的性能非常必要。

由于輕骨料混凝土在低溫環(huán)境下的物理力學(xué)性能研究還相對較少，而且輕骨料的筒壓強(qiáng)度較低、孔隙率較大、攪拌和養(yǎng)護(hù)過程中吸水率遠(yuǎn)大于普通混凝土等顯著特征，致使其與普通混凝土存在顯著區(qū)別。因此，為了探討低溫環(huán)境對全輕頁巖陶粒混凝土(以下簡稱為全輕混凝土，ALWC)的一般力學(xué)性能影響，本文以LC30為例，按照目標(biāo)溫度 (-5℃、-10℃、-15℃)分別在低溫室中養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d，然后對其特征強(qiáng)度、彈性模量以及單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，通過對其變化規(guī)律的系統(tǒng)總結(jié)，以期為相關(guān)試驗(yàn)研究、工程設(shè)計(jì)、施工與評價(jià)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

采用焦作堅(jiān)固牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為焦作電廠Ⅱ級粉煤灰；粗骨料選用洛陽正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的頁巖陶粒(以下簡稱為陶粒)，最大粒徑為15 mm，堆積密度755 kg/m3，筒壓強(qiáng)度3.6 MPa；細(xì)骨料選用洛陽正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的頁巖陶砂(以下簡稱為陶砂)，細(xì)度模數(shù)Mx為3.2，堆積密度806 kg/m3；減水劑為FDN型高效減水劑，摻量為膠凝材料總量的1%；水為自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)，采用松散體積法初步確定LC30配合比的基本范圍，在此基礎(chǔ)上經(jīng)多次調(diào)整、試配，確定基準(zhǔn)配合比；然后通過正交試驗(yàn)方法，最終確定如表1所示的最優(yōu)配合比。其中，坍落度T為187～230 mm。

表1 全輕混凝土的配合比與試驗(yàn)值

注：W/B表示水膠比；fcu28d表示28 d立方體抗壓強(qiáng)度/MPa；fst28d表示28 d劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa；ρd表示干表觀密度/(kg/m3)。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究對象分為不同的試件和不同的試件尺寸?？箟骸⑴瓕?shí)驗(yàn)采取100 mm×100 mm×100 mm的試塊，軸心抗壓和應(yīng)力-應(yīng)變曲線采取100 mm×100 mm×300 mm的試塊。本試驗(yàn)依據(jù)其不同的目標(biāo)溫度T(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、20 ℃)、不同的齡期t(3 d、7 d、14 d、28 d)，共制作了96塊立方體，48塊棱柱體。所有試塊均采用相同配合比，機(jī)械攪拌，-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃的試塊制作完成后帶模放入低溫室，低于-5 ℃的混凝土需在試塊上蓋一層薄膜、再在薄膜上加蓋一層棉被進(jìn)行保護(hù)，然后養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模后繼續(xù)在低溫室中養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期t后，立即從低溫室中取出并馬上進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)；20 ℃的試塊在常溫下養(yǎng)護(hù)，24 h后拆模，再在室內(nèi)灑水養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期t后，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，作為空白對照組，每種工況均采用3個(gè)試件；如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，按倍數(shù)增加試件，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象

在低溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)后的試件，試塊表面均未出現(xiàn)可見裂縫和角落剝落現(xiàn)象，顏色與常溫時(shí)無明顯變化，表面有一層薄霜。但在相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，不同低溫下混凝土立方體試塊的破壞形態(tài)相似，但其破壞隨溫度的降低變得越來越突然，隨著T降低，抗壓試驗(yàn)過程中，其上下斷面和邊角損壞逐漸嚴(yán)重，兩端錐狀體更加明顯，中間部分破裂分離；劈裂試驗(yàn)時(shí)的破壞塊體較為完整，僅在表面有少量粉末[3]。與常溫試驗(yàn)相比，所有試件在受壓加載過程中伴有輕微碎裂聲；當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)伴隨有巨大的爆裂聲，且隨T降低破碎程度越趨嚴(yán)重，說明脆性破壞特征更加明顯。

2.2 絕熱溫升

水泥水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生早期裂縫的一個(gè)重要原因。由于水泥在水化過程中產(chǎn)生水化熱的不均勻分布和硬化后混凝土在降溫時(shí)變形受到結(jié)構(gòu)約束，或不同溫度的混凝土層間互相約束，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生早期裂縫。因此，在低溫養(yǎng)護(hù)時(shí)必須考慮混凝土的絕熱溫升。

本試驗(yàn)將攪拌均勻的混凝土用牛皮紙裝入體積為1.5 L的暖水瓶中，待裝滿后，將鉆有小孔的木塞蓋嚴(yán)，并用密封膠密封，隨后將溫度計(jì)由小孔插至混凝土中心并將小孔密封，每隔4 h進(jìn)行溫度讀數(shù)，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)記錄該溫度值。共做5組作比較驗(yàn)證，若五組溫度值相差不大，則記錄的5個(gè)溫度值的平均值即為1.5 L混凝土的絕熱溫升。

表2 全輕混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)值

2.3 特征強(qiáng)度

不同低溫作用后，全輕混凝土的抗壓強(qiáng)度fcu隨T和t變化關(guān)系，分別如表3和圖1所示，其部分相互關(guān)系式分別如式(1)、式(2)所示。

表3 不同低溫和齡期時(shí)的全輕混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

圖1 不同低溫作用后全輕混凝土抗壓強(qiáng)度與溫度、齡期之間的變化關(guān)系

(1)

fcutd= -0.014t2+0.847t+8.59，3 d≤t≤28 d，T=-15 ℃，R2=0.967 9

(2)

由表3和圖1可知：全輕混凝土在-15℃、-10℃、-5℃養(yǎng)護(hù)溫度下28 d的立方體抗壓強(qiáng)度與常溫相比下降率分別為37%、29%、10%，隨著T的降低fcutd逐漸減小，而αcutd逐漸增大，但前者也隨t增長而增大，而后者則隨t增長而降低，并均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。其抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，這是由于混凝土在早期受凍時(shí)，溫度較低，水泥水化速度減慢，混凝土強(qiáng)度增長緩慢，另外當(dāng)溫度降低時(shí)冰晶的形成會導(dǎo)致混凝土體積膨脹[4-6]，使得剛剛搭界的水泥石凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架失去凝膠特性，界面變得松散從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

不同低溫養(yǎng)護(hù)條件下，全輕混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc隨T和t的變化關(guān)系，分別如表4和圖2所示，其部分相互關(guān)系式分別如式(3)、式(4)所示。

表4 不同低溫和齡期時(shí)的全輕混凝土軸壓強(qiáng)度 MPa

圖2 不同低溫作用后全輕混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與溫度、齡期之間的變化關(guān)系

(3)

fctd= -0.020t2+1.079t+9.85， 3 d≤t≤28 d，T=-15 ℃，R2=0.998 4

(4)

與圖1比較可知：全輕混凝土fctd和αctd的變化規(guī)律與fcutd和αcutd相似。其中，常溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下fc28d平均為fcu28 d的89%，fc7 d為fc28 d的77%；-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃養(yǎng)護(hù)時(shí)，fc28 d分別為常溫時(shí)的45%、57%、83%，下降率分別為56%、43%、20%，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的下降率比立方體抗壓強(qiáng)度較大，這與軸心抗壓強(qiáng)度的試件大小、受力方式有關(guān)，軸心抗壓試驗(yàn)的試件比立方體抗壓試驗(yàn)的試件要大，且在受壓時(shí)立方體試件所受的環(huán)箍效應(yīng)要遠(yuǎn)大于軸心試件，因此當(dāng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損害時(shí)，軸心抗壓的下降率要大[7]。

不同低溫作用后，全輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度fst隨T和t的變化關(guān)系，分別如表5和圖3所示，其部分相互關(guān)系式分別如式(5)、式(6)所示。

表5 不同低溫和齡期時(shí)的全輕混凝土下劈拉強(qiáng)度 MPa

fst28d= -2.79×10-3T2+0.053T+3.76，-15 ℃≤T≤20 ℃，R2=0.998 3

(5)

fsttd= -1.97×10-3t2+0.111t+0.784 ，3d≤t≤28 d，T= -15 ℃，R2=0.999 9

(6)

圖3 不同低溫作用后全輕混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度、齡期之間的變化關(guān)系

與圖1和圖2比較可知：全輕混凝土fsttd和αsttd的變化規(guī)律也與fcutd和αcutd、fctd和αctd相似。其中，常溫養(yǎng)護(hù)條件下fst7d為fst28d的74%；-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃養(yǎng)護(hù)的混凝土fst28d分別為常溫時(shí)的63%、80%、92%，下降率分別為37%、20%、8%，劈拉強(qiáng)度下降率和立方體抗壓強(qiáng)度下降率較為接近。

2.4 彈性模量

不同低溫作用后，全輕混凝土彈性模量E隨T和t的變化關(guān)系如圖4所示，其相互關(guān)系式分別如式(7)、式(8)所示。其中，E取自σ-ε曲線上σ=0.4fc時(shí)的割線模量作為初始彈性模量E0。其變化規(guī)律與各種特征強(qiáng)度的變化規(guī)律相似，且一般較普通混凝土低25%～65%，-15 ℃時(shí)E28d較常溫時(shí)下降了31%。

E28d=0.186T+17.14，-15 ℃≤T≤20 ℃，R2=0.993 5

(7)

Etd=-1.28×10-2t2+0.682t+5.18，3 d≤t≤28 d，T=-15 ℃，R2=0.907 1

(8)

圖4 不低溫作用后全輕混凝土彈性模量與溫度、齡期之間的變化關(guān)系

2.5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5(a)是不同低溫作用后，齡期為28 d時(shí)的σ-ε曲線；圖5(b)是常溫時(shí)不同齡期下的σ-ε曲線。

圖5 不同低溫作用后全輕混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與溫度、齡期之間的變化關(guān)系

由圖5(a)可知：在常溫養(yǎng)護(hù)條件下，全輕混凝土的峰值應(yīng)力σc隨著t的增加而增加，單峰值應(yīng)變εc的增加幅度則很?。簧仙巫兓幻黠@，但下降段的坡度隨著齡期的增加則越來越陡。由圖5(b)可知：σc和εc都隨著T降低而減小，在單軸壓應(yīng)變在2 000×10-6范圍內(nèi)時(shí)，σ-ε關(guān)系基本保持線性，一旦超過該值，將很快發(fā)生破壞。隨著溫度的降低，應(yīng)力減小的幅度越來越小，應(yīng)變變化幅度也越來越小。

由此可見，不論是在同溫度時(shí)隨著t增加，還是同齡期時(shí)隨著T降低，在應(yīng)力變化幅度相同時(shí)，變形減小，延性變差，這與前述各種特征強(qiáng)度的變化特征相一致。

3 結(jié)果討論

試塊成型后立即放入低溫室中，測得的抗壓強(qiáng)度損失率在-10 ℃、-15 ℃時(shí)表現(xiàn)的較為明顯，而-5 ℃養(yǎng)護(hù)的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的試塊抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，是由于負(fù)溫養(yǎng)護(hù)后混凝土的初始結(jié)構(gòu)都較為疏松，存在著大量孔洞，且孔洞中水化產(chǎn)物較少，在-5 ℃養(yǎng)護(hù)的混凝土中，孔隙中觀察到已生成一定量的針棒狀A(yù)Ft和絮狀C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物；-10 ℃養(yǎng)護(hù)的混凝土中，盡管已經(jīng)形成了一定的水泥石骨架結(jié)構(gòu)，但是結(jié)構(gòu)不連續(xù)，存在著大量的微裂紋和孔隙；而-15 ℃養(yǎng)護(hù)的混凝土中，在少量絮狀C-S-H凝膠周圍存在著大量的未水化水泥顆粒，呈堆積狀散亂分布，結(jié)構(gòu)亦較為疏松[8]。綜合文獻(xiàn)[9]、[10]的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，低溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)下全輕混凝土的特征強(qiáng)度影響變化規(guī)律與普通混凝土相似。

4 結(jié)論

(1) 試塊成型后放入低溫室，養(yǎng)護(hù)到一定的齡期后，測得全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量均隨齡期的增長而提高，但隨溫度的降低而減小，且早期溫度越低，受到的損傷程度越大；

(2)低溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力較常溫減小，峰值應(yīng)變也隨之減小，說明低溫作用后其破壞更具有脆性特征，也更具有突發(fā)性；

(3) 分別給出了全輕混凝土各力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度、齡期變化的部分?jǐn)M合公式，可為相關(guān)試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；

(4) 低溫作用是混凝土損傷的一個(gè)基本因素,混凝土工程在冬季或負(fù)溫的環(huán)境中施工時(shí)，為保證水泥在負(fù)溫下的水化、硬化，防止混凝土的早期凍害，經(jīng)常根據(jù)環(huán)境溫度的不同在混凝土內(nèi)摻入適量的防凍劑。

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