凍融循環(huán)作用下混凝土強(qiáng)度退化試驗(yàn)研究

【摘 要】為研究?jī)鋈谘h(huán)作用下標(biāo)號(hào)混凝土的強(qiáng)度退化，選取了強(qiáng)度等級(jí)為C50、C60混凝土，在保證砂率和外加劑等一致情況下，對(duì)凍融0次、25次、50次、75次、100次、125次、150次后的混凝土的表面損傷情況、受壓破化現(xiàn)象、立方體抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)增加混凝土表面剝蝕加劇、粗骨料露出；受壓破壞時(shí)裂縫數(shù)量增多、寬度增加、破壞時(shí)混凝土整體更加酥松；抗壓強(qiáng)度降低；動(dòng)彈性模量下降。

【關(guān)鍵詞】混凝土； 凍融循環(huán)； 強(qiáng)度退化； 動(dòng)彈性模量

【中圖分類號(hào)】TU502+.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

我國(guó)寒冷地區(qū)分布非常廣泛，總體年平均氣溫低，冬季尤其嚴(yán)寒，相較其他地區(qū)，這些區(qū)域中橋梁鋼-混結(jié)構(gòu)［1］更容易遭受凍融破壞的侵蝕，凍害也更加嚴(yán)重。在嚴(yán)寒的環(huán)境下性能會(huì)出現(xiàn)不同程度的劣化，因此研究?jī)鋈谧饔孟禄炷恋哪途眯?［2］，是保障橋梁在凍融環(huán)境下長(zhǎng)期服役的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凍融作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性作用進(jìn)行了大量研究，結(jié)構(gòu)表明，混凝土結(jié)構(gòu)在凍融作用下，隨著凍融次數(shù)增加，混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化會(huì)不斷加深直至混凝土結(jié)構(gòu)完全破環(huán)［3-4］。目前針對(duì)混凝土的凍融破壞理論，認(rèn)可度較高的是由美國(guó)學(xué)者Powers［5-7］提出的膨脹壓理論和滲透壓理論。劉佳奇等［8］對(duì)處于碳酸鹽環(huán)境下混凝土的凍融損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明碳酸鹽環(huán)境下混凝土凍融損傷明顯加劇。曹大富等［9-10］對(duì)凍融后混凝土的受壓受拉性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20～C50范圍內(nèi)凍融作用下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程。本文針對(duì)C50、C60兩種高強(qiáng)度等級(jí)混凝土研究了其強(qiáng)度退化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

本文分別澆筑了C50、C60兩種普通硅酸鹽混凝土試件（配合比見表1），混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩種，分別用于混凝土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量測(cè)試。為消除砂率和骨料種類對(duì)混凝土抗凍性的影響［11-12］，砂率均為0.36，骨料采用相同種類。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 凍融試驗(yàn)方案

本文采用快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)。試件的凍融循環(huán)中心溫度控制最低和最高溫度調(diào)整（-15±2） ℃和（5±2）℃內(nèi)，本次混凝土凍融循環(huán)的中心溫度也等同控制，其余試驗(yàn)條件參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。為控制凍融過(guò)程中的溫度變化，在部分試件混凝土內(nèi)部布置溫度測(cè)點(diǎn)（圖1）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 凍融表面損傷

混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)完成后，表面光滑完整，在經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)，混凝土表面出現(xiàn)了不同程度的損傷。

凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次時(shí)，混凝土表面的表皮脫落的面積擴(kuò)大，同時(shí)出現(xiàn)部分區(qū)域的小麻點(diǎn)；凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，混凝土表面出現(xiàn)了骨料暴露現(xiàn)象，表面粉砂情況加劇，同時(shí)混凝土容器底部沉有泥沙；凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次時(shí)，混凝土表面的骨料幾乎全部暴露，鮮有能保持混凝土邊角完整的構(gòu)件，用手能輕易剝落邊角混凝土。損傷的情況如圖2所示。

2.2 動(dòng)彈性模量

凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部會(huì)受到由混凝土內(nèi)部游離水反復(fù)凍脹產(chǎn)生的膨脹壓力和滲透壓力，使得混凝土在凍融過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)部既有裂縫的進(jìn)一步延伸以及新的微裂縫的產(chǎn)生，動(dòng)彈性模量可以在一定程度上反映出凍融作用對(duì)于混凝土性能造成的損傷。本次動(dòng)彈性模量的測(cè)試方法采用共振法。

混凝土棱柱塊在每經(jīng)受25次凍融循環(huán)作用后進(jìn)行次測(cè)試，C60混凝土直到凍融次數(shù)達(dá)到150次，對(duì)C50混凝土分別測(cè)試了最大凍融次數(shù)為50次、75次、100次下動(dòng)彈性模量變化，測(cè)試所得均值和相對(duì)值見圖3。

從圖3中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加混凝土的動(dòng)彈性模量整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明混凝土的損傷隨凍融次數(shù)增加而加劇。C60混凝土在凍融150次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為66%，C50混凝土最大凍融次數(shù)為50次、75次、100次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量為79.5%、61.3%、39.4%。C60混凝土在0～75次凍融循環(huán)作用下其動(dòng)彈模整體下降速度較75-150次階段更平緩，這表明C60混凝土損傷在凍融75次更加明顯。對(duì)于C50混凝土在凍融50次后動(dòng)彈性模量下降速度變快，表明C50混凝土凍融損傷在凍融50次后更加明顯。

2.3 受壓破壞現(xiàn)象

如圖4所示隨著凍融次數(shù)的增加混凝土在受壓破壞時(shí)伴隨著混凝土裂縫數(shù)量增多、裂縫寬度增加，并且在凍融100次后受壓破化時(shí)混凝土表面出現(xiàn)大面積脫落，破壞后整體結(jié)構(gòu)更酥松。

未凍融的混凝土在斷裂時(shí)，斷面比較平整，有微小的一些裂縫，以骨料和漿體被拉斷為主，個(gè)別出現(xiàn)一些因骨料拔出而形成的孔洞，如圖5所示。但在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，隨著次數(shù)的增多，斷裂面規(guī)整度變差，多伴有漿體疏松、孔洞、多溝壑裂紋，觸感多粉灰，可以看到斷裂韌度大幅降低，承載能力下滑嚴(yán)重，如圖 6所示。

2.4 抗壓強(qiáng)度

在凍融作用下混凝土微孔隙中的游離水，形成膨脹壓力以及滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋以及混凝土表面的剝蝕破壞，最終導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低。

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)加載結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著凍融次數(shù)的增多，混凝土的抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，C50混凝土在凍融100次后強(qiáng)度剩余為64%，而C60混凝土在150次動(dòng)凍融后混凝土強(qiáng)度剩余60%。可以看出使用同一種標(biāo)號(hào)水泥時(shí)提高混凝土的標(biāo)號(hào)，可以很大程度上改善混凝土的抗凍性。這是由于高標(biāo)號(hào)混凝土的水灰比較低，會(huì)使得混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔減少，可凍融的自由水減少，混凝土在凍融過(guò)程中受到的損傷也更低［9-10］。C50混凝土在凍融50次、75次、100次后混凝土強(qiáng)度累計(jì)降比為14%、7%、40%；C60混凝土在凍融50次、100次、150次后混凝土強(qiáng)度累計(jì)將比為11.7%、12.9%、22.1%，可以看出隨著凍融次數(shù)增加混凝土強(qiáng)度損傷速度加快。C50、C60混凝土分別在凍融75次、100次后強(qiáng)度下降加快，表明C50、C60混凝土強(qiáng)度退化分別主要發(fā)生在凍融75次、100次后。

3 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土由內(nèi)到外產(chǎn)生肉眼可見的損傷，外表面主要是表皮脫落，骨料暴露甚至是局部脫落，內(nèi)部主要表現(xiàn)為斷面規(guī)整度變差，漿體疏松、孔洞、多溝壑裂紋，觸感多粉灰等現(xiàn)象。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、立方體抗壓強(qiáng)度逐漸下滑，且隨著次數(shù)的增加，有下滑幅度輕微增加的趨勢(shì)。C50、C60混凝土分別在凍融100次、150次時(shí)抗壓強(qiáng)度降為未凍融試件的64%、60%，動(dòng)彈性模量降為66%、39.4%；且兩種混凝土分別在凍融50次和100次后損傷速度加劇。

參考文獻(xiàn)

［1］ 衛(wèi)星，李小珍，李俊，等.鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋中的應(yīng)用［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007（5）：43-46.

［2］ 《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》編輯部.中國(guó)橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（5）：1-96.

［3］ 張一奔，徐飛，鄭山鎖.凍融損傷混凝土研究綜述［J］.混凝土，2021（3）：10-14.

［4］ 馬鳳華，魯艷蕊，陳琳.凍融后混凝土力學(xué)性能及鋼筋混凝土黏結(jié)性能的研究［J］.混凝土，2021（4）：13-15.

［5］ Powers T C， Helmuth RA. Theory of volume changes in hardened portland-cement paste during freezing［C］//Highway research board proceedings， 1953， 32： 285-297.

［6］ Powers T C， Willis T F. The air requirement of frost resistant concrete［C］//Highway Research Board Proceedings，1949，29： 183-211.

［7］ Powers T C.A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete［C］//ACI journal Proceedings，1945，1（ 1） ： 245-272.

［8］ 劉佳奇，王伯昕，汪飛.碳酸鹽侵蝕-凍融循環(huán)條件下混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2021（11）：21-23+28.

［9］ 曹大富，富立志，楊忠偉，等.凍融循環(huán)下砼力學(xué)性能與相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（6）：721-725.

［10］ 曹大富，富立志，楊忠偉， 等.凍融循環(huán)作用下混凝土受壓本構(gòu)特征研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)， 2013，16（1）：17-23.

［11］ 陳松，李偉龍，王起才.水泥砂漿含氣量對(duì)孔隙特征及抗凍性影響的研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2014，33（6） ： 1293-1297.

［12］ 譚克鋒.水灰比和摻合料對(duì)混凝土抗凍性能的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：58-60.

［作者簡(jiǎn)介］陳?。?998—），男，碩士，研究方向?yàn)殇?混組合結(jié)構(gòu)耐久性。