不同應力條件下水工混凝土性能試驗研究

李彥鋒

(盤錦市水利服務中心,遼寧 盤錦 124000)

近年來,水工混凝土抗凍融和抗碳化耐久性能逐漸引起廣大學者的關注,其中凍融破壞問題大多集中于西北、華北和東北地區(qū),并且以東北為代表的嚴寒地區(qū)水工混凝土凍融破壞最為嚴重[1]。有許多研究探討了混凝土凍融破壞機理,但主要側重于混凝土自身材料的性能分析,而較少考慮工程結構的工作環(huán)境狀態(tài),在受凍融破壞的同時混凝土結構或者構件必然承受荷載,必須考慮荷載對混凝土凍融破壞的影響,特別是荷載復合作用是導致混凝土劣化破壞和內部結構損傷的重要因素,這是一個交互作用與損傷疊加的過程[2-4]。許露露等[5]認為預應力混凝土強度等級與其抗凍性能存在密切聯系;陳妤等[6]通過研究凍融循環(huán)作用下預應力海工混凝土耐久性發(fā)現,預應力混凝土受凍融循環(huán)作用的影響較大,這是導致結構破壞的一種基本動力;孫偉等研究了凍融循環(huán)與彎曲荷載耦合作用的混凝土性能,結果顯示荷載與凍融耦合作用明顯高于單因子作用的劣化損傷程度;羅小勇等[7]分析了混凝土碳化性能受不同應力作用的影響,結果表明拉應力可以加速碳化,而壓應力有利于降低碳化速度。雖然有學者探討了混凝土在荷載作用下的耐久性能,但尚未形成統(tǒng)一的結論,特別是多種工況下的水工混凝土耐久性研究還鮮有報道。因此,文章結合有關試驗研究方法,深入探討了水工混凝土抗凍性及抗碳化性能受不同應力條件的影響作用。

1 試驗方案

1.1 原材料

1)水泥。采用渾河P·MH42.5級中熱硅酸鹽水泥,比表面積320m2/kg,氯離子0.028%,堿含量0.61%,三氧化硫1.88%,燒失量1.05%。

2)粉煤灰。遼寧中電工程有限公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰,細度20.5%,燒失量4.0%,需水量比98%,含水量0.5%,強度活性指數86%,三氧化硫1.2%,游離CaO含量0.3%。

3)粗細骨料。砂選用細度模數2.5的天然河砂,表觀密度2510kg/m3,微粒含量5.2%,含泥量0.2%;石選用花崗巖碎石,5～20mm連續(xù)級配,吸水率1.1%,壓碎指標6%,表觀密度為2680kg/m3。

4)外加劑。聚羧酸高性能減水劑(液態(tài)),固含量16%,含氣量3.0%,摻量0.6%～2.0%,減水率20%～30%,泌水率28%,28d收縮比率87%,初、終凝時間差-40min和-50min。拌合水用自來水。

1.2 試件制備

根據DL/T 5330-2015 《水工混凝土配合比設計規(guī)程》合理確定配合比為m水:m減水劑:m砂:m石:m水泥:m粉煤灰=180:1.5:680:1020:320:80,制備400mm×100mm×100mm的標準試件參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行試驗。

本試驗利用后張法制作壓應力試件,通過千斤頂對試件中心預留的孔道施加預壓應力,應用鐓頭錨固定試件端部,施加0.2fc、0.4fc和0.6fc的壓應力,試驗過程中控制超張拉3%,以防預應力筋應力松弛及混凝土收縮徐變可能引起的預應力損失。在制作拉應力試件時,將螺紋鋼筋預埋在試件兩端,然后利用自制鋼架張拉螺紋鋼筋,從而施加0.2ft、0.4ft和0.6ft的預拉應力。

1.3 試驗方法

試驗采用快速碳化法測試混凝土抗碳化性能,控制碳化箱(型號CABR-HTX12)二氧化碳濃度20%、相對濕度80%、溫度(20±2)℃,將標養(yǎng)28d的各組試件放入碳化箱,然后利用1%酒精酚酞試劑測定碳化3d、7d、14d、28d的碳化深度。

試驗采用快凍法測試混凝土抗凍性能,將標養(yǎng)28d的試件先浸入水中4h使其處于飽水狀態(tài),然后放入快速凍融試驗機(型號H-15564型)凍融4h,控制混凝土中心溫度處于-15～5℃,每4h為1次凍融循環(huán),達到預定凍融次數后取出試件,測定其相對動彈模量和質量損失率,當質量損失率超過5%或相對動彈模量<60%時則認為混凝土已發(fā)生破壞,試驗結束。

2 結果與分析

2.1 碳化深度試驗

不同應力條件下3d、7d、14d、28d碳化時間的水工混凝土碳化深度測試結果,如表1所示。從表1可以看出,無應力條件下(未受力狀態(tài))水工混凝土3d、7d、14d、28d碳化深度依次為7.1mm、12.1mm、16.5mm和20.0mm。水工混凝土碳化深度隨著拉應力的逐漸增加而增大,拉應力增加到0.2ft時水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無應力條件下的1.06倍、1.07倍、1.05倍和1.11倍,拉應力增加到0.6ft時水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無應力條件下的1.27倍、1.17倍、1.18倍和1.25倍。水工混凝土碳化深度隨著壓應力的逐漸增加而減小,壓應力增加到0.2fc時水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無應力條件下的90.14%、94.21%、94.55%和93.00%,壓應力增加到0.6fc時水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無應力條件下的81.69%、79.34%、84.85%和85.00%。

表1 不同應力條件下的碳化深度

壓應力條件下,水工混凝土的抗碳化性能增強,這是因為承受一定壓應力時水工混凝土的內部結構更加密實,部分砂漿與骨料之間的間隙趨于閉合,并且低壓力條件下混凝土內部未形成或只有極少細裂縫。所以,一定壓應力條件下混凝土結構更加致密,有利于降低CO2向內部的傳輸、滲透及擴散速度,明顯減小碳化進程。同理,拉應力條件下水工混凝土的抗碳化性能減弱,這是由于拉應力使得骨料與砂漿之間的原有裂隙不斷增加,隨著荷載的增家新的裂縫又進一步發(fā)展,裂縫的存在會明顯加快CO2的傳輸、滲透及擴散速度,大大降低混凝土的抗碳化性能[8]。

從表1還可看出,0.6ft、0.4ft、0.2ft、無應力、0.2fc、0.4fc、0.6fc應力條件下水工混凝土3d碳化時間的碳化深度依次為9.0mm、8.2mm、7.5mm、7.1mm、6.4mm、6.3mm、5.8mm;各應力條件下,水工混凝土7d相較于3d碳化時間的碳化深度依次增加56.67%、65.85%、73.33%、70.42%、78.13%、63.49%、65.52%;各應力條件下,水工混凝土14d相較于7d碳化時間的碳化深度依次增加38.30%、39.71%、33.85%、36.36%、36.84%、45.63%、45.83%;各應力條件下,水工混凝土28d相較于14d碳化時間的碳化深度依次增加28.21%、23.68%、27.59%、21.21%、19.23%、20.67%、21.43%。因此,水工混凝土碳化深度隨著碳化時間的增加逐漸增大,早期(前7d)水工混凝土的碳化深度快速增加,碳化速度隨著碳化時間的延長逐漸下降。

2.2 質量損失率試驗

不同應力條件下凍融循環(huán)25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次的水工混凝土質量保留率均隨著凍融循環(huán)次數的增加逐漸減小。在0.6ft、0.4ft、0.2ft拉應力條件下,水工混凝土經25次、25次和50次凍融循環(huán)后被拉斷,故無后續(xù)試驗數據。凍融循環(huán)和拉應力耦合作用下水工混凝土試件發(fā)生過早破壞,究其原因是內部結構受拉應力作用變得松弛,從而擴大了骨料與砂漿之間的空隙,對混凝土凍融損傷起到加速破壞作用[9]。隨著凍融次數的增加混凝土抗拉強度不斷降低,損傷破壞逐漸加劇,并進一步加快裂縫的形成與發(fā)展,而裂縫的形成擴展反過來又會加速凍融損傷,如此反復循環(huán)使得抗凍性能逐步劣化,最終使得混凝土發(fā)生過早破壞。

壓應力條件下,水工混凝土質量保留率隨凍融循環(huán)次數的增加逐漸減小。在凍融循環(huán)0～50次時,各壓力條件下的試件質量損失相差較小;凍融循環(huán)50～100次時,各壓應力條件下的試件質量損失相差更小,這是因為一定壓應力條件下,使得混凝土內部孔隙結構在凍融初期階段變得更加致密,從而增大了水分的滲入難度,大大降低了對混凝土的凍融損傷作用;150次凍融循環(huán)后,0.6fc壓應力條件下的試件質量損失增大,究其原因是混凝土強度隨凍融循環(huán)的持續(xù)進行逐漸下降,即使在0.6fc壓應力條件下內部依然形成裂縫,對混凝土抗凍性產生劣化作用。

2.3 相對動彈模量試驗

不同應力條件下凍融循環(huán)25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次的水工混凝土相對動彈模量在拉應力條件下快速下降。0.6ft拉應力條件下,凍融循環(huán)25次后水工混凝土相對動彈模量下降到56%,低于60%試件發(fā)生破壞;0.4ft拉應力條件下,凍融循環(huán)25次后水工混凝土相對動彈模量下降到64%,接近破壞狀態(tài);0.2ft拉應力條件下,凍融循環(huán)50次后水工混凝土相對動彈模量下降到58%,低于60%試件發(fā)生破壞。因此,在拉應力條件下水工混凝土經0～50次凍融循環(huán)就發(fā)生了破壞。究其原因是拉應力作用使得內部微裂縫進一步擴展,外界水分很容易滲入到混凝土內部形成孔隙水壓力和凍脹力,加速試件的凍融破壞,且熱脹冷縮也是導致破壞的重要原因,在熱脹冷縮、凍脹力和拉應力的共同作用下使得混凝土發(fā)生過早破壞〉-11]。

凍融循環(huán)0～75次時,一定壓應力略高于無壓應力條件下的混凝土相對動彈模量;凍融循環(huán)75次后,0.60fc壓應力條件下的試件相對動彈模量快速下降,凍融循環(huán)150次后下降到57%,低于60%試件發(fā)生破壞。通過比較不同壓應力條件下的試件相對動彈模量可知,相對動彈模量最大的是0.4fc組試件。所以,一定的壓應力可以增強水工混凝土抗凍性,超過該極限值就會加速凍融破壞。水工混凝土在壓應力≤0.4fc時不會產生裂縫,且在壓應力作用下混凝土澆筑過程中形成的裂縫也會趨于閉合,在凍融作用時能夠有效抑制外界水分的滲入,降低凍融循環(huán)破壞作用。在0.6fc壓應力條件下,雖然凍融初期的相對動彈模量降幅較小,但混凝土強度隨著凍融次數的增加快速降低,表面逐漸形成裂縫,特別是壓應力作用下混凝土裂縫進一步擴展,從而顯著降低試件的相對動彈模量。

2.4 抗凍壽命測算系數

文章將應力修正系數ψ與已有抗凍性能預測模型相結合,結合試驗數據提出修正的預測模型。應力為0時ψ=1,該條件下無需修正模型。根據無應力和不同應力條件下水工混凝土凍融破壞次數N,計算確定相應的修正系數ψ,其中應力比σ/f為正、負時代表受壓和受壓應力,不同應力條件下的修正系數ψ,見表2。

表2 不同應力條件下的修正系數ψ

通過回歸分析試驗數據確定應力修正系數ψ與應力比σ/f之間的關系式,擬合曲線和試驗數據對比。

3 結 論

1)應力作用對水工混凝土碳化影響較大,其中拉應力會加速碳化,0.6fc拉應力為無應力條件下碳化深度的1.17～1.27倍;壓應力條件能夠有效改善水工混凝土抗碳化能力,0.06fc壓應力為無應力條件下碳化深度79.34%～85.00%。水工混凝土碳化深度隨著碳化時間的增加逐漸增大,早期(前7d)水工混凝土的碳化深度快速增加,碳化速度隨著碳化時間的延長逐漸下降。

2)水工混凝土內部結構受拉應力作用變得松弛,骨料與砂漿之間的空隙擴大,外界水分更易向內部滲入,對凍融損傷起到加速破壞作用。凍融循環(huán)會快速降低抗拉強度,進一步加快裂縫的形成與發(fā)展,而裂縫的形成擴展反過來又會加速凍融損傷,如此反復循環(huán)使得抗凍性能逐步劣化,最終使得混凝土發(fā)生過早破壞。

3)一定的壓應力可以增強水工混凝土抗凍性,壓應力≤0.4fc時內部不會產生裂縫,且混凝土澆筑過程中形成的裂縫也會趨于閉合,增強整體抗凍性能;0.6fc壓應力條件下,雖然凍融初期的相對動彈模量降幅較小,但隨著凍融次數的增加混凝土表面逐漸形成裂縫,在壓應力作用下裂縫進一步擴展,加快混凝土凍融劣化。

4)通過回歸分析試驗數據確定應力修正系數ψ與應力比σ/f之間的關系式,可以為準確預測水工混凝土抗凍性能和承受的最大凍融次數提供一定參考。