凍融循環(huán)作用下路面水泥混凝土耐久性試驗分析

張 寧

(中鐵十九局集團 第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

目前，我國科研人員對凍融循環(huán)作用導致結(jié)構物的損傷劣化問題研究成果較為豐富.程寧寧等[1]通過對不同摻量火山巖粉、粉煤灰混凝土在不同酸堿性溶液及低溫環(huán)境中的耐久性試驗，分析了混凝土試樣的體積膨脹等變形規(guī)律.覃瀟等[2]針對路面水泥混凝土的耐久性問題，采用高吸水性聚合物作為外加材料，通過鹽凍試驗、斷裂性能試驗、彎拉試驗等分析了改良后的混凝土的抗凍性，并揭示了改良材料的作用機理.曹沈陽等[3]為了提升水泥混凝土路面的抗凍性，采用幾種不同的外加材料對水泥混凝土進行凍融循環(huán)后的力學試驗研究，分析了彎拉強度、質(zhì)量及動彈模量的變化情況.楊冬云[4]通過三軸加載試驗分析了凍融循環(huán)作用對混凝土試樣各力學參數(shù)的損傷劣化效應.郭寅川等[5]針對新疆地區(qū)的高寒氣候，對該地區(qū)橋面板混凝土的耐久性進行了試驗研究，分析了各力學參數(shù)受鹽凍作用的影響規(guī)律.孟憲金等[6]為了研究納米改性碳酸鈣混凝土的路用性，采用不同摻量的納米改性碳酸鈣進行制樣，并對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的改良混凝土試驗進行力學特性測試.

綜上分析可知，凍融循環(huán)作用對建筑物的耐久性影響較為嚴重，文章結(jié)合遼寧某在建水泥混凝土路面的工程實際，在前人研究的基礎上，對凍融循環(huán)導致的水泥混凝土路面的損傷劣化效應進行進一步研究，通過單軸壓縮試驗分析不同試驗條件下各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)的變化規(guī)律，為類似項目提供可靠的技術支持.

1 試驗分析

1.1 原材料與配合比

試驗用水泥為阜新大鷹水泥制造有限公司生產(chǎn)的42.5R(P·O)型普通硅酸鹽水泥；試驗用粗骨料采用粒徑為4～16 mm的普通級配碎石；試驗用細骨料采用普通河砂，經(jīng)實驗室檢測，該河砂細度模數(shù)為2.9，堆積密度為1 541 kg/m3；試驗用外加劑為普通復合外加劑；水為普通自來水.

本文試驗用水泥混凝土標號為C30，與工程實際相同.根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55—2011對強度等級為C30混凝土進行初步配合比設計，經(jīng)過室內(nèi)、施工現(xiàn)場及基準配合比三者相互比對與調(diào)整，最終確定本文水泥混凝土路面試驗用配合比，見表1.

表1 橋梁墩臺混凝土配合比

1.2 試件制備及試驗方案

根據(jù)上述配合比對對本文試驗用混凝土進行制樣，由于本文試驗儀器為MTS815.02多功能巖石及混凝土三軸試驗機，因此試件采用高100 mm、直徑50 mm的圓柱型試件制備，見圖1.試驗采用中國建筑科學研究院研制的CABR-HDK9A型全自動凍融循環(huán)試驗機，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度按正余弦函數(shù)等溫度變化趨勢進行調(diào)節(jié).凍融循環(huán)試驗溫度變化曲線見圖2.

圖1 水泥混凝土試件

圖2 凍融循環(huán)溫度曲線

本文凍融循環(huán)過程為：從+20 ℃開始，按設置好的溫度變化函數(shù)降溫至-20 ℃，然后再升溫至+20 ℃，此為1個完整的凍融過程，歷時約6 h.根據(jù)如2表所示的試驗方案，每達指定凍融次數(shù)后，取出試件測量其質(zhì)量與縱波波速，然后對其進行單軸壓縮試驗，設置單軸壓縮試驗加載速率為0.01 mm/s.

表2 路面水泥混凝土試驗方案

2 物理性質(zhì)分析

由于不同養(yǎng)護齡期水泥混凝土內(nèi)部既有水分散失，又有新的水化反應物產(chǎn)生，導致其質(zhì)量和波速并不呈規(guī)律性變化，因此，本文取標準養(yǎng)護齡期28 d時的水泥混凝土試樣進行凍融循環(huán)試驗，以此來分析凍融循環(huán)對水泥混凝土物理性質(zhì)的影響.當達到指定凍融循環(huán)次數(shù)后對試樣進行稱重，之后對其進行縱波波速測量，檢測結(jié)果如圖3所示.

圖3 試樣物理特性與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

由圖3可以看出：凍融循環(huán)作用下水泥混凝土加載前的損傷劣化影響較為嚴重，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，28 d標準養(yǎng)護齡期水泥混凝土試樣的質(zhì)量逐漸減小，縱波波速同樣呈逐漸下降趨勢；當凍融循環(huán)0次，即未對試樣進行凍融循環(huán)試驗時，試樣的質(zhì)量為412.47 g，縱波波速為1 431 m/s；當凍融循環(huán)70次時，試樣的質(zhì)量降為407.86 g，縱波波速降為1 309 m/s；凍融循環(huán)從0次增加至70次，水泥混凝土試樣質(zhì)量降幅為1.12%，縱波波速降幅為8.53%.可見，凍融循環(huán)是影響水泥混凝土物理力學性質(zhì)的重要因素.

3 單軸壓縮試驗結(jié)果分析

3.1 應力-應變曲線分析

限于篇幅，文章僅給出標準養(yǎng)護齡期28 d不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥混凝土試樣的單軸壓縮應力應變曲線，見圖4.由圖4可以看出：同一養(yǎng)護齡期，不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥混凝土試樣的單軸壓縮應力-應變曲線的變化趨勢基本一致，與巖石經(jīng)典單軸壓縮應力-應變曲線類似，水泥混凝土試樣的單軸壓縮應力-應變曲線同樣可分為4個階段，即微裂隙壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和峰后階段；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的單軸抗壓強度、峰值應變均逐漸減小.

3.2 不同凍融循環(huán)次數(shù)影響分析

根據(jù)不同養(yǎng)護齡期、凍融循環(huán)次數(shù)下水泥混凝土試樣的單軸壓縮試驗結(jié)果繪制各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線(見圖5)，可以看出：各力學參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本相同，水泥混凝土試樣的單軸抗壓強度、峰值應變和彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大呈逐漸遞減趨勢，且減幅逐漸縮小，曲線逐漸趨于平緩.以標準養(yǎng)護齡期28 d為例：當凍融循環(huán)0次時，試樣的單軸抗壓強度為78.986 MPa，峰值應變?yōu)?.830%，彈性模量為9.893 GPa；當凍融循環(huán)70次時，試樣的單軸抗壓強度為71.633 MPa，峰值應變?yōu)?.745%，彈性模量為8.018 GPa；凍融循環(huán)次數(shù)從0到70次，試樣的單軸抗壓強度減幅為9.31%、峰值應變減幅為10.24%，彈性模量減幅為18.95%.可見，凍融循環(huán)作用對路面水泥混凝土力學特性的影響較為嚴重，施工前應提前做好水泥混凝土的凍融損傷預測.采用Origin軟件對圖中曲線進行非線性最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，各力學參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間均滿足指數(shù)函數(shù)關系，擬合相關系數(shù)均在0.95以上，可表示為

yi=y0+Aexp(-R0x)，

(1)

式中:yi為水泥混凝土單軸壓縮不同力學參數(shù)；x為凍融循環(huán)系數(shù)；y0、A、R0均為擬合參數(shù).

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可解釋為，凍融循環(huán)作用使得試樣內(nèi)部骨架在反復的融化與凍結(jié)下承載能力減弱，凍結(jié)使得骨架受膨脹力而產(chǎn)生拉伸變形，融化后這部分拉伸變形不能完全恢復，產(chǎn)生永久的塑性變形，且融化后還有部分微顆粒物質(zhì)流失，加重了水泥混凝土的損傷劣化.但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，其對水泥混凝土內(nèi)部顆粒骨架的影響逐漸減弱，內(nèi)部骨架受力達到屈服，不再產(chǎn)生永久變形，宏觀上變形為各參數(shù)隨凍融循環(huán)的變化趨勢逐漸趨于水平.

(a) 單軸抗壓強度

(b) 峰值應變

(c) 彈性模量圖5 試樣力學參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

3.3 不同養(yǎng)護齡期影響分析

圖6為不同凍融循環(huán)次數(shù)下，水泥混凝土試樣各力學參數(shù)隨養(yǎng)護齡期的分布曲線，可以看出：不同凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣的各力學參數(shù)隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律大體相同，單軸抗壓強度、峰值應變及彈性模量均隨養(yǎng)護齡期呈逐漸遞增變化趨勢，且隨著養(yǎng)護齡期的延長，各參數(shù)漲幅逐漸減小，曲線逐漸趨緩.

(a) 單軸抗壓強度

(b) 峰值應變

(c) 彈性模量圖6 水泥混凝土試樣各力學參數(shù)與養(yǎng)護齡期關系曲線

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可解釋為：水泥混凝土成樣后，混合料中的水泥等材料與水混合后發(fā)生水化反應，產(chǎn)生強度更高的水化產(chǎn)物；隨著養(yǎng)護時間的延長，試樣內(nèi)部的水化產(chǎn)物逐漸增多，水分逐漸減少，試樣內(nèi)部因水分散失而產(chǎn)生的孔隙逐漸被水化產(chǎn)物填滿，進而使試樣的力學性能得到提升，而試樣內(nèi)部的活性水泥也在逐漸減少，因此試樣各力學參數(shù)隨養(yǎng)護齡期的變化逐漸趨緩.

3.4 凍融循環(huán)與養(yǎng)護齡期耦合作用影響分析

圖7為水泥混凝土試樣在凍融循環(huán)與養(yǎng)護齡期耦合作用下的三維關系曲面，可以看出：單軸抗壓強度、峰值應變、彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，隨著養(yǎng)護齡期的延長逐漸遞增；各參數(shù)最大值發(fā)生在凍融循環(huán)0次、養(yǎng)護齡期42 d處，最小值均發(fā)生在凍融循環(huán)70次、養(yǎng)護齡期7 d處.

(a) 單軸抗壓強度

(b) 峰值應變

(c) 彈性模量圖7 不同試驗條件下各力學參數(shù)變化三維曲面

4 結(jié)論

1) 凍融循環(huán)作用下水泥混凝土加載前的損傷劣化影響較為嚴重，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥混凝土試樣的質(zhì)量逐漸減小，縱波波速同樣呈逐漸下降趨勢.

2) 水泥混凝土試樣的單軸抗壓強度、峰值應變和彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大呈逐漸遞減趨勢，且減幅逐漸縮小，曲線逐漸趨于平緩.采用Origin軟件對圖中曲線進行非線性最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，各力學參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間均滿足指數(shù)函數(shù)關系，擬合相關系數(shù)均在0.95以上.

3) 水泥混凝土試樣的單軸抗壓強度、峰值應變及彈性模量均隨養(yǎng)護齡期呈逐漸遞增變化趨勢，且隨著養(yǎng)護齡期的延長，各參數(shù)漲幅逐漸減小，曲線逐漸趨緩.采用Origin軟件對圖中曲線進行非線性最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，各參數(shù)與養(yǎng)護齡期之間同樣滿足之后指數(shù)函數(shù)關系，擬合相關系數(shù)均在0.95以上.