軸向及偏心壓力作用下混凝土抗凍性試驗(yàn)分析*

王海軍， 郭 宸， 魏 華

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

我國(guó)北方大型水利水電混凝土工程中，由于耐久性不好而產(chǎn)生的病害最突出的就是凍融破壞[1]，這些建筑物中幾乎所有混凝土構(gòu)件都會(huì)承受不同類型的荷載作用，荷載、環(huán)境和氣候等多種因素協(xié)同作用將大大加速結(jié)構(gòu)的破壞[2].至今，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土破壞機(jī)理的研究已經(jīng)有很多，但多數(shù)研究是針對(duì)混凝土材料本身的性能研究，而未考慮混凝土材料的受力工作狀態(tài)和環(huán)境[3]，結(jié)構(gòu)中的混凝土構(gòu)件都會(huì)不同程度地受到軸力和偏心力等荷載作用，考慮到這些因素的試驗(yàn)研究才更接近真實(shí)工況.在我國(guó)，C25混凝土廣泛用于水庫(kù)、水壩和泵站等經(jīng)常與水接觸的結(jié)構(gòu)[4-6]，更容易發(fā)生凍融破壞.國(guó)內(nèi)對(duì)軸壓中高強(qiáng)度的混凝土抗凍性能進(jìn)行了很多研究[7-8]，因此，本試驗(yàn)針對(duì)常用的C25混凝土在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的抗凍性進(jìn)行了試驗(yàn).

試驗(yàn)采用400 mm長(zhǎng)的短試件通過(guò)張拉鋼絞線施加荷載，預(yù)應(yīng)力損失的影響不可忽略.在實(shí)際工程中常使用理論公式來(lái)計(jì)算構(gòu)件鋼絞線張拉前后的預(yù)應(yīng)力損失，何海文等[9]對(duì)20 m T型梁和30 m箱梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力損失理論公式計(jì)算，發(fā)現(xiàn)跨徑越短，放張后鋼絞線的回縮值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響越大.在本試驗(yàn)的預(yù)研究中發(fā)現(xiàn)，采用理論公式確定的預(yù)應(yīng)力損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際損失值.本研究在凍融試驗(yàn)之前先對(duì)試件的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了試驗(yàn)分析，以超張拉的方式補(bǔ)償預(yù)應(yīng)力損失.試驗(yàn)結(jié)果也可為類似的后張法混凝土短試件加載提供參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的C25混凝土試件，鋼絞線采用1860級(jí)7φ15.2 mm，選用夾片錨具.軸心受壓試件設(shè)計(jì)壓應(yīng)力水平σ/fc為0.4、0.5、0.6，每種應(yīng)力水平設(shè)計(jì)四個(gè)試件.試件中心預(yù)留φ20 mm薄PVC管以穿入鋼絞線.偏心受壓共一組三個(gè)試件，設(shè)計(jì)偏心距為15 mm，加載使受壓一側(cè)邊緣達(dá)到0.5的壓應(yīng)力水平，經(jīng)計(jì)算另一邊緣受壓應(yīng)力作用很小，應(yīng)力水平為0.026.制作時(shí)需將上述預(yù)留孔道上提15 mm.試件澆筑前預(yù)先在試模兩端放上中心開(kāi)洞的錨墊板，使墊板與混凝土粘結(jié)以減少預(yù)應(yīng)力損失.其中軸心受壓試件墊板尺寸為100 mm×100 mm，偏心受壓試件墊片尺寸為50 mm×50 mm.

對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及質(zhì)量要求較高的構(gòu)件，通常使用較高標(biāo)號(hào)的水泥配制，因此，本試驗(yàn)采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥.細(xì)骨料采用人工中砂，細(xì)度模數(shù)為2.80；粗骨料采用人工碎石，最大粒徑為31.5 mm.減水劑是萘系高效減水劑FDN-A，減水率為18%～28%，摻量為水泥質(zhì)量的0.7%；引氣劑摻量為水泥質(zhì)量的0.015%，試驗(yàn)得到混凝土含氣量為6%.配合比計(jì)算嚴(yán)格按照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5330-2005)和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)的要求進(jìn)行，結(jié)果如表1所示.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete (kg·m-3)

配制出的試件養(yǎng)護(hù)3 d后，標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.03 MPa，為計(jì)算配制強(qiáng)度的82.4%，28 d達(dá)到34.4 MPa.根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)計(jì)算出fc=13.3 MPa，根據(jù)此設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度對(duì)試件加載.軸心受壓試件的編號(hào)為XC4-1至XC4-4，XC5-1至C5-4，XC6-1至XC6-4，偏心受壓試件編號(hào)為XE-1至XE-3.試件制作前均在鋼絞線上粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片表面均涂抹環(huán)氧樹(shù)脂包裹.

1.2 試件預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)

圖1 壓力加載過(guò)程Fig.1 Pressure loading process

1.3 凍融試驗(yàn)

將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的9個(gè)軸心受壓、3個(gè)偏心受壓及3個(gè)不加載的試件放入混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)中，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB-T 50082-2009)的規(guī)定進(jìn)行快速凍融，試件中心溫度在(-18±2) ℃～(8±2) ℃.每25個(gè)循環(huán)對(duì)所有試件的基頻和質(zhì)量測(cè)試一次，當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量小于60%和質(zhì)量損失率大于5%滿足其一時(shí)，試件即宣告破壞.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)應(yīng)力損失分析及加載結(jié)果

對(duì)XC4-4、XC5-4和XC6-4進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力損失結(jié)果如表2所示.從表2中可以看出，預(yù)應(yīng)力損失占所加預(yù)應(yīng)力的比例Δli在15.4%～28%之間，平均值為20.4%，計(jì)算出ηo=1.25.試驗(yàn)過(guò)程對(duì)試件所加荷載如表3所示.試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，放張時(shí)預(yù)應(yīng)力損失約占總預(yù)應(yīng)力損失的70%，這是由于后張法混凝土構(gòu)件在張拉結(jié)束并進(jìn)行錨固時(shí)，錨具將受到巨大的壓力，使錨具自身及錨下墊板壓密而變形，同時(shí)還有錨具的預(yù)應(yīng)力筋向內(nèi)回縮，這些變形均會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失.試件鋼絞線屬于直線型且是單批次張拉，所以在傳力錨固時(shí)鋼絞線與管道壁之間的摩擦、混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失影響較小，可忽略不計(jì)，這部分的預(yù)應(yīng)力損失可認(rèn)為是錨具變形、鋼筋回縮引起的.

表3 試件壓力加載值Tab.3 Loading values of specimen pressure

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)剩余試件進(jìn)行1.25倍設(shè)計(jì)荷載值的超張拉，加載結(jié)果和相對(duì)偏差如表4所示.從表4中可以看出，對(duì)試件超張拉，鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失之后基本能達(dá)到所設(shè)計(jì)的荷載值，有效預(yù)應(yīng)力相對(duì)設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的偏差均在10%范圍以內(nèi)，均值為4.24%.最小的是試件XC4-1和XE-1，相對(duì)偏差僅為0.92%，與設(shè)計(jì)值偏差分別為3.5和2.3 MPa.

表4 壓力加載結(jié)果及相對(duì)偏差Tab.4 Pressure loading results and relative deviation

2.2 凍融試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件發(fā)生凍融破壞后，其側(cè)表面情況如圖2、3所示.圖2為軸心受壓試件，從圖2中可以看出，三種應(yīng)力水平的試件表面都發(fā)生了硬化水泥砂漿剝落，其中，應(yīng)力水平為0.5和0.6的試件最為嚴(yán)重，粗骨料大面積外露，并且粗骨料之間的硬化水泥砂漿也不同程度地發(fā)生了剝離形成了深淺不一的溝壑，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力的提高加速了混凝土表面的剝落.圖3為偏心受壓試件，其側(cè)表面剝落情況介于軸心受壓應(yīng)力水平為0.4和0.5的試件之間.無(wú)論是偏心受壓還是軸心受壓試件，破壞時(shí)質(zhì)量損失率均未達(dá)到5%，說(shuō)明質(zhì)量損失率不是受壓混凝土凍融破壞的控制因素.

圖2 軸心受壓試件側(cè)面剝落情況Fig.2 Spalling situation on side surfaces of axial compression specimens

圖3 偏心受壓試件側(cè)面剝落情況Fig.3 Spalling situation on side surfaces of eccentric compression specimens

2.2.1 混凝土質(zhì)量損失

不同受力形式的試件相對(duì)質(zhì)量比(n次凍融循環(huán)混凝土質(zhì)量與初始質(zhì)量之比)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖4所示.從圖4中可以看出，這幾組試件破壞時(shí)質(zhì)量損失率均未達(dá)到5%，無(wú)應(yīng)力試件質(zhì)量減少得相對(duì)較快，這說(shuō)明一定的壓應(yīng)力可以減緩混凝土表面硬化水泥砂漿的剝落.軸心受壓試件質(zhì)量損失隨著應(yīng)力水平的增加而增加，偏心受壓試件的質(zhì)量變化情況介于無(wú)應(yīng)力試件和軸心受壓試件之間.對(duì)于有應(yīng)力試件，在前100個(gè)循環(huán)時(shí)，水分逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，試件質(zhì)量有所增加.隨著混凝土內(nèi)部孔隙逐漸被水填充，結(jié)冰應(yīng)力開(kāi)始由內(nèi)向外釋放，外表面出現(xiàn)翹曲并迅速剝落，則出現(xiàn)后期循環(huán)相對(duì)質(zhì)量比快速下降.

圖4 相對(duì)質(zhì)量比Fig.4 Relative mass ratio

2.2.2 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量可表示為n次凍融循環(huán)后試件的基頻與初始基頻之比的平方，當(dāng)該指標(biāo)小于60%時(shí)，則認(rèn)定混凝土試件發(fā)生了凍融破壞.本試驗(yàn)中試件的破壞均是由相對(duì)動(dòng)彈性模量所確定，其變化曲線如圖5所示.

圖5 相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.5 Relative dynamic elastic modulus

從圖5可以看出，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，所有試件的動(dòng)彈性模量都在下降，無(wú)應(yīng)力試件下降速度最快，破壞的也最早.在軸心受壓試件中，隨著應(yīng)力水平的提高，前期凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈性模量下降就越慢.但是隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，應(yīng)力水平為0.5、0.6的兩組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度明顯加快，且先于0.4應(yīng)力水平的試件發(fā)生破壞.這說(shuō)明高應(yīng)力水平對(duì)混凝土早期抗凍性能有一定的幫助，限制了水分的滲入以及微裂縫的產(chǎn)生，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低[10]，相對(duì)的壓應(yīng)力水平必然會(huì)提高，內(nèi)部的微裂縫在高壓應(yīng)力和凍脹應(yīng)力的作用下逐步延伸、擴(kuò)展，使水分越來(lái)越多地滲入到混凝土內(nèi)部，結(jié)冰過(guò)程則產(chǎn)生更大的凍脹力，加速了裂縫的貫通，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷嚴(yán)重，動(dòng)彈性模量快速下降.

偏心受壓試件相對(duì)動(dòng)彈性模量變化介于應(yīng)力水平為0.5和0.6的試件之間，走勢(shì)與0.5應(yīng)力水平的試件相似.由于試件內(nèi)部壓應(yīng)力上部(澆筑面)大下部小，接近三角形分布，上部的高應(yīng)力抑制了前期凍融循環(huán)時(shí)的微裂縫發(fā)展，而下部由于澆筑時(shí)振搗的原因密實(shí)度較高，因此，在混凝土強(qiáng)度明顯下降前抗凍性能較好.在150次凍融循環(huán)時(shí)，試件受壓邊緣裂紋開(kāi)始發(fā)展，動(dòng)彈性模量也快速下降，到225個(gè)凍融循環(huán)時(shí)試件上表面已產(chǎn)生兩條主裂縫，破壞比較明顯，如圖6所示.因此，偏心受壓混凝土構(gòu)件要提高受壓一側(cè)混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度.

圖6 偏心受壓試件上表面裂縫Fig.6 Surface crack on eccentric compression specimen

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)C25混凝土試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論：

1) 對(duì)尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的預(yù)應(yīng)力混凝土試件，為達(dá)到設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平，按1.25倍的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行超張拉，加載后與荷載設(shè)計(jì)值的相對(duì)偏差在0.92%～9.04%之間，均值為4.24%，且對(duì)偏心加載試件也適用.

2) 壓應(yīng)力作用下的混凝土試件的凍融破壞主要是由相對(duì)動(dòng)彈性模量控制，其質(zhì)量變化不明顯.質(zhì)量損失主要由表面剝落引起，隨著混凝土內(nèi)部飽和度增加，剝落速度加快.

3) 壓應(yīng)力的存在對(duì)混凝土抵抗前期凍融循環(huán)的性能有所提高，但在后期凍融過(guò)程中隨著混凝土強(qiáng)度降低，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降加快，曲線越來(lái)越陡峭.

4) 偏心受壓試件(受壓邊緣壓應(yīng)力水平為0.5)相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線走勢(shì)與軸心受壓試件較為相似，但破壞形態(tài)為受壓邊緣產(chǎn)生的兩條主裂縫.因此，要保證偏心受壓構(gòu)件受壓側(cè)具有比較高的強(qiáng)度和密實(shí)度以提高抗凍性能.