持續(xù)荷載作用下混凝土吸水特性試驗研究

楊季 回澤

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院）

0 引言

混凝土作為目前最廣泛使用的建筑工程材料，在荷載作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫，會加快水及侵蝕物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而降低混凝土的耐久性能。

現(xiàn)有關(guān)于荷載作用對混凝土吸水特性的研究，因液壓加載設(shè)備中不便設(shè)置吸水液面，而采用在試件卸載后取出進(jìn)行吸水試驗的研究方式?？紤]到實(shí)際情況下，混凝土多為在承壓情況下吸水，且卸載后會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫部分閉合，為解決這一問題，本文設(shè)計混凝土試件持載吸水試驗裝置，以實(shí)現(xiàn)混凝土試件毛細(xì)吸水過程中荷載的持續(xù)施加。試驗中設(shè)置不同的持載水平（極限荷載的0%、15%、30%、45%、60%、75%），不同的水灰比（0.4、0.5、0.6）作為混凝土吸水特性的影響因素，并通過數(shù)據(jù)分析得出影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 原材料與試塊制作

本試驗采用的原材料有P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂；有機(jī)硅密封膠；砂漿水灰比如表1 所示。本試驗共制作36 個40mm×40mm×40mm 軸心受壓砂漿試件，按照水灰比不同分為3 組（每組12 個）。試驗前需將試塊放入105℃的烘干箱中進(jìn)行烘干（約24h)，然后取出置于室內(nèi)干燥處，待其自然冷卻后，將各試塊側(cè)面均勻刷上有機(jī)硅密封膠，處理完畢后用塑料袋將所有試塊分組封存待用。試件的幾何平面尺寸及加載形式如圖1所示。

表1 砂漿的水灰比

圖1 試件的幾何平面尺寸及加載形式示意圖

1.2 持載吸水試驗

本試驗設(shè)計混凝土試件持載吸水試驗裝置，以實(shí)現(xiàn)混凝土試件毛細(xì)吸水過程中荷載的持續(xù)施加。持載吸水試驗裝置如圖2 所示。

圖2 持載吸水試驗裝置示意圖

向裝置水槽內(nèi)注水，直至水槽內(nèi)支撐完全淹沒。設(shè)置6 個持載水平，分別為試塊極限荷載的0%、15%、30%、45%、60%、75%。通過調(diào)節(jié)夾具四角的螺帽進(jìn)行加載，待施加荷載達(dá)到持載水平后，停止調(diào)節(jié)。將6 個（相同水灰比）不同持載水平的試塊分別置于水槽內(nèi)支架上，設(shè)置前密后疏的時間間隔稱量各試塊與夾具的總質(zhì)量。每次稱量前人工擦拭試件及夾具，時間間隔前后的質(zhì)量差值即為該時段內(nèi)的吸水量。

時間間隔設(shè)置：試驗開始間隔5min；試驗開始30min 后，時間間隔擴(kuò)大為10min；試驗開始60min 后，時間間隔擴(kuò)大為20min；試驗開始180min 后，時間間隔擴(kuò)大為30min；試驗開始240min 后，結(jié)束試驗。根據(jù)砂漿試塊水灰比（0.4，0.5，0.6）的不同，共進(jìn)行三次試驗。

混凝土累積吸水量與時間的1/2 次方有以下關(guān)系：

式中：

i——單位面積累積吸水量，mm；

t——吸水時間，min；

k——吸水率，mm/min1/2；

b——激增吸水量，mm；

單位面積累積吸水量i 的計算式如下：

式中：

Δm（t）——0 時刻與t 時刻試塊質(zhì)量的差值，g；

ρ——水的密度，g/cm3；

S——試件與水接觸的面積，cm2；

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 累積吸水量曲線

持續(xù)荷載作用下砂漿試塊的累積吸水曲線如圖3所示。從圖3 中可以看出，在持續(xù)荷載作用下試件的累積吸水量隨時間的變化趨勢相同；同一水灰比的砂漿試塊，在持續(xù)荷載作用下，其累積吸水量較無荷載作用下有明顯提升；同一持載水平下，試件的水灰比越高，其累積吸水量越大。

圖3 累積吸水量曲線

從圖3 中還可以看出，在0～5min 時段內(nèi)其吸水率k1明顯大于5～240min 時段內(nèi)的吸水率k2，說明持續(xù)荷載作用下的混凝土試塊初期吸水量存在激增現(xiàn)象。

2.2 吸水率分析

由累積吸水量曲線分析可知，初期吸水率k1遠(yuǎn)大于后期吸水率k2，且初期吸水階段持續(xù)時間極短，較長期持載的構(gòu)件而言其時間可忽略。故主要分析后期吸水階段，以i 軸截距b 作為初期吸水階段的激增吸水量。

不同持載水平或不同水灰比的后期吸水率曲線如圖4 所示。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，持載水平和水灰比對吸水率的影響不是單一遞增關(guān)系：在持載水平為0%時，即無荷載作用下時，水灰比越大，其吸水率越大，呈正相關(guān)；在持載水平為60%時，同樣滿足正相關(guān)；在持載水平為75%時，呈負(fù)相關(guān)。

圖4 后期吸水率曲線

并且，水灰比為0.6 的試塊在持載水平為45%和75%時，出現(xiàn)了吸水率低于持載水平為0%時的情況。由圖1 分析可知，受壓持載方向與毛細(xì)吸水方向正交，毛細(xì)吸水通道不能排除部分被壓密而閉合的可能，從而降低了吸水率。

3 結(jié)論

⑴持續(xù)荷載的作用會加快混凝土的吸水率，持載大小對吸水率的影響不是完全正相關(guān)。

⑵持續(xù)荷載作用下的混凝土試塊初期吸水量存在激增現(xiàn)象，初期吸水率遠(yuǎn)大于后期吸水率，呈雙線性變化。

⑶混凝土在持續(xù)荷載作用下的最大累積吸水量與水灰比呈正相關(guān)，水灰比越大，其吸水能力越強(qiáng)。

⑷當(dāng)持續(xù)荷載作用方向與毛細(xì)吸水方向正交時，存在某一持載水平下混凝土的后期吸水率降低的情況。