低溫條件下水工混凝土抗壓強度影響分析

李志勇

(新民市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 新民 110300)

高寒地區(qū)的溫度極低,可能達到-50℃,這對水庫大壩的混凝土建設(shè)提出了一些挑戰(zhàn),混凝土在低溫和凍融循環(huán)條件下的強度和性能可能發(fā)生變化。水工混凝土通常具有更高的抗凍和抗?jié)B性能,可以更好地抵御凍融循環(huán)和滲水壓力,這使得它在高寒地區(qū)水庫大壩工程中成為首選材料[1]。因此,研究水工混凝土在低溫環(huán)境下抗壓強度及其離散性特征就顯得極為重要。以往的研究主要集中在混凝土強度等級、凍融循環(huán)次數(shù)和低溫溫度等因素,對于強度的影響[2-5]。此外,一些學(xué)者也研究了自然低溫環(huán)境對混凝土性能的影響[6-8]。然而,低溫變化對水工混凝土性能和強度的影響較為復(fù)雜變化。鑒于此,文章結(jié)合北方高寒地區(qū)水工結(jié)構(gòu)的特點,研究了水工混凝土經(jīng)歷不同低溫工況后,其強度變化特征,以期為評估水工結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的安全性能,并為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗配合比

試驗采用中國葛洲壩P·O 42.5級普硅水泥,沈陽熱電廠F類Ⅱ級粉煤灰和山東博肯硅材料廠S95級礦渣粉,砂用渾河中砂,骨料為級配連續(xù)5～20mm碎石,減水劑為安徽森普SPJS-1聚羧酸高性能減水劑,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠硭?試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比 kg/m3

根據(jù)北方高寒地區(qū)實際情況和相關(guān)資料,試驗配制邊長100mm的立方體試件,采用-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃五種作用低溫進行經(jīng)歷低溫再以1℃/min回升至常溫(工況C)、直接回升至常溫(工況B)和低溫(工況A)3種工況見表2,試驗探討強度變化規(guī)律。

表2 工況設(shè)計

1.2 試驗方法

在工況A條件下,將標(biāo)養(yǎng)28d的試件移入低溫試驗爐內(nèi)降溫至預(yù)定值保持6h,然后以0.6MPa/s的加載速率施壓至破壞,利用低溫量測系統(tǒng)完成試驗數(shù)據(jù)的貯存、顯示和采集;在工況B條件下,將標(biāo)養(yǎng)28d的試件移入低溫試驗爐內(nèi)降溫至預(yù)定值保持6h,然后采用塑料膜包裹密封試件,常溫條件下保持6h,再以0.6MPa/s的加載速率施壓至破壞;在工況C條件下,將標(biāo)養(yǎng)28d的試件移入低溫試驗爐內(nèi)降溫至預(yù)定值保持6h,然后控制溫升速率1℃/min回升至常溫,采用塑料膜包裹密封試件,常溫條件下保持48h,再以0.6MPa/s的加載速率施壓至破壞。

不同工況下抗壓強度變化率λA、λB、λC等于基準(zhǔn)組和試驗組抗壓強度之差與基準(zhǔn)組強度的比值,并計算不同工況下混凝土強度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差,強度變異系數(shù)就是各工況下的標(biāo)準(zhǔn)差/平均值;不同工況下抗壓強度變異系數(shù)變化率δA、δB、δC等于基準(zhǔn)組和試驗組抗壓強度變異系數(shù)之差與基準(zhǔn)組系數(shù)的比值,在此基礎(chǔ)上分析抗壓強度及其離散性受不同工況的影響特征,并分析3種工況下的水工混凝土表觀質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 對表觀質(zhì)量的影響

研究發(fā)現(xiàn),3種工況下水工混凝土棱角并未因回溫或降溫而產(chǎn)生損傷缺失的情況,也未發(fā)現(xiàn)明顯的蛻皮、龜裂等現(xiàn)象?；炷帘砻骖伾谕还r下隨低溫的下降未表現(xiàn)出明顯差異,但在不同工況下表現(xiàn)出了明顯差異。具體來說,經(jīng)歷-50℃低溫下的B、C工況混凝土表面顏色較深。在受壓破壞方面,結(jié)果顯示各組混凝土均出現(xiàn)骨料劈裂、裂縫開展等情況。但是在不同工況下,破壞響聲的大小和聲音特征也存在較大差異,例如工況A下試件具有相對較大、清脆、長且響亮的響聲。此外,低溫工況下粗骨料大多發(fā)生劈裂,但較少出現(xiàn)與砂漿界面破壞的情況,對于工況A試件,低溫越低這種情況越明顯。

在各個工況下,水工混凝土均呈對頂錐狀的破壞,但因經(jīng)歷低溫工況而試件出現(xiàn)上、下受壓面殘留部分明顯不同。在工況A條件下,受壓面殘留部分隨低溫的下降逐漸減小,甚至完全破碎,相比之下在工況B、C條件下的受力面殘留部分相差較小。

2.2 對抗壓強度的影響

隨低溫溫度變化3種工況下的試件強度變化率如圖1,結(jié)果表明除-20℃時強度變化率λA隨低溫溫度下降有所減小外,其它低溫條件下均呈上升趨勢,不同溫度的增幅存在一定差異。從-20℃下降到-50℃時強度變化率λA增幅最大,-40℃時基本維持平穩(wěn)狀態(tài),-50℃時強度變化率λA達到最高達到1.02;隨低溫溫度的下降強度變化率λB、λC的變化趨勢相似均呈波動下降趨勢,但強度變化率λB的波動變化明顯低于λC。強度變化率λB總體圍繞0.4上下波動,而強度變化率λC變化范圍為0～0.25,說明試件強度受低溫影響有所差異。

圖1 低溫與強度變化率的之間關(guān)系

為了更加直觀地對比抗壓強度變化率與不同工況之間的關(guān)系,計算工況B與A之間、工況C與A之間的強度變化差值比γB/A、γC/A等于工況B、C與A之間的強度變化率差值再除以工況A的變化率,如圖2所示。

圖2 低溫溫度與抗壓強度變化率差值

從圖2可以看出,強度變化差值比γB/A、γC/A隨低溫溫度的下降整體表現(xiàn)出相似的變化趨勢,各溫度下強度變化差值比γB/A均高于γC/A。因此,必須考慮不同回溫方式對經(jīng)歷低溫再回升至常溫試件強度的影響,但不同回溫方式對低溫下降變化的影響較小,可以忽略。針對不同低溫工況下的試件,隨著低溫的下降,其強度變化差值比γB/A、γC/A呈波動下降趨勢,具體而言,在低于-40℃之前,γB/A、γC/A明顯下降;在低于-40℃之后,γB/A、γC/A變得平緩,結(jié)果表明低溫對于強度影響最為顯著的范圍是在-20℃到-40℃之間。在-30℃以后強度變化差值比γB/A變成負值,而整個低溫區(qū)間內(nèi)強度變化差值比γC/A均為負,表明隨低溫溫度的下降工況A與工況B、C試件之間的強度差異逐漸增大。因此,實際工程中必須考慮這種變化的差異性,重點分析混凝土強度在未經(jīng)歷低溫和各種低溫作用下的變化特征[9]。

低溫溫度與工況C、B試件強度變化率差值之間的關(guān)系如圖3所示,結(jié)果顯示隨低溫溫度的下降工況C、B試件強度變化率差值呈波動減小趨勢,其均值整體低于-0.2,-20℃～-50℃的最大降幅也低于0.2,說明工況B相比于工況C試件強度高,但并未表現(xiàn)出明顯差異。

圖3 低溫溫度與工況C、B抗壓強度變化率差值

綜上分析,低溫與經(jīng)歷低溫再升至常溫的混凝土強度之間的關(guān)系較小,這是因為水工混凝土在低溫環(huán)境下的水化反應(yīng)速率變慢,導(dǎo)致強度的生成和發(fā)展的過程相對較慢,而當(dāng)試件經(jīng)歷低溫再溫升至常溫時其強度可以得到恢復(fù)和提高。因此,在設(shè)計和評估結(jié)構(gòu)的強度方面,可以將試件經(jīng)歷低溫再溫升至常溫的強度視為常溫下的強度,這簡化了對混凝土性能的考慮和計算。

2.3 強度離散性分析

低溫溫度與不同工況混凝土強度變異系數(shù)變化率之間的關(guān)系如圖4所示,結(jié)果表明,在特定的低溫范圍內(nèi),強度變異系數(shù)變化率δA可能隨著溫度的下降而增加達到一個峰值,然后隨著溫度的繼續(xù)下降而減小,這可能與混凝土在不同溫度下發(fā)生的物理和化學(xué)反應(yīng)過程有關(guān)。在不同的低溫溫度下,δA可能會有較大的變動范圍,這表明混凝土在不同的低溫條件下的強度變化會更加不確定和不穩(wěn)定。-10℃時強度變異系數(shù)變化率δA未負值,說明此時相比于常溫時試件強度離散性有所減小;-20℃時強度變異系數(shù)變化率δA從負轉(zhuǎn)變成正,說明此時相比于常溫時試件強度離散性明顯提高。究其原因可能是降低低溫溫度有利于改善粗骨料與砂漿之間的黏結(jié)性,發(fā)生破壞時試件的脆性增幅變緩,從而降低了強度離散性,但整體依然高于常溫條件的離散性[10-12]。因此,水工混凝土強度離散性受工況A的影響顯著。

圖4 低溫溫度與不同工況混凝土強度變異系數(shù)變化率

強度變異系數(shù)變化率δB隨低溫溫度的下降也表現(xiàn)出先上升后降低的變化特征,強度變異系數(shù)變化率δC隨低溫溫度的下降基本呈波動下降趨勢,變化幅度較小,低溫范圍內(nèi)δB和δC均為負,說明工況B、工況C相比于常溫條件下的試件強度離散性有所下降,這是因為回溫在一定程度上改善了粗骨料與砂漿界面之間的應(yīng)力集中情況。綜上分析,工況A相比于常溫時的試件強度離散性要高,并且與低溫存在一定聯(lián)系,工況B、工況C相比于常溫時的試件強度離散性較小。

3 結(jié) 論

1)水工混凝土在低溫環(huán)境下具有較好的耐久性和抗凍性能,盡管混凝土表觀顏色會受到低溫作用的影響,但是該現(xiàn)象并不會對混凝土產(chǎn)生明顯的損傷。此外,不同低溫工況下的混凝土破壞特征也存在差異,這對于混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工具有指導(dǎo)意義。

2)低溫環(huán)境會對水工混凝土的強度產(chǎn)生影響,雖然經(jīng)歷低溫相較于未經(jīng)歷低溫的混凝土強度有所增加,但增幅不大。在水工混凝土經(jīng)歷低溫再回溫時,其強度會發(fā)生較大程度的損失。因此,在實際工程中需要考慮不同低溫對混凝土性能的影響,并具體分析和考慮各種因素,以確保水工混凝土結(jié)構(gòu)在低溫條件下的安全和可靠性。