凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能試驗研究

凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能試驗研究

作為一個復雜的服務環(huán)境，混凝土結構的性能無法逆轉(zhuǎn)，并且累積的損壞積累了不同的破壞，降低了結構的耐用性。對寒冷地區(qū)的混凝土結構來說，凍容環(huán)的作用是一個非常不利的因素。目前國內(nèi)外大部分學者把凍融循環(huán)次數(shù)作為主要變量,研究凍融循環(huán)對混凝土的作用.相對動彈性模量損失率由于比較容易實現(xiàn)無破損檢測,被廣大學者采用.SunW.等認為,相對動彈性模量就是評價混凝土抗凍性的1個重要因素;D.J.Janssen等采用測試混凝土基頻的方法研究其碟形試件抗凍性;劉榮桂等同樣采用相對動彈性模量作為一個評價指標;LiG.D.等在灰度系統(tǒng)理論的基礎上,提出計算相對動彈性模量的數(shù)學模型.凍融循環(huán)后混凝土的力學性能也被深入研究.商懷帥等系統(tǒng)研究了凍融循環(huán)作用后混凝土的單軸、雙軸及三軸的強度和變形性能;曹大富等研究了凍融循環(huán)作用下混凝土的受拉本構特征.目前這些研究中,相對動彈性模量的測試雖然簡單易行,但卻不能直觀反應混凝土的力學性能;而凍融后的力學性能測試需要留置試塊,若需長期監(jiān)測結構的健康度,就必須要留置大量的試塊,且需要進行大量試驗,造成浪費.為此,本研究對凍融循環(huán)作用后的混凝土試塊進行抗壓、抗拉等力學性能試驗,綜合考慮混凝土等級和動彈性模量等因素的影響,擬建立有關混凝土力學性能及相對動彈性模量的數(shù)學模型.1測試1.1粗骨料及粉煤灰本次試驗所用水泥為揚州亞東水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5級水泥;細骨料為江西贛江產(chǎn)的中砂,連續(xù)級配,細度模數(shù)為2.8;粗骨料來源于南京六合,粒徑為5.0~31.5mm,級配良好;粉煤灰為儀征華盛熱電公司生產(chǎn)的Ⅱ級灰;外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的混凝土高效增強劑.混凝土的配合比及主要參數(shù)見表1.1.2抗壓強度試驗及養(yǎng)護抗拉試驗中,澆筑C20,C30,C40和C50共4個等級的試塊.每個等級包括6組抗拉試塊(120mm×120mm×400mm)用于測試0,25,50,75,100和125次凍融后的受拉性能;1組立方體試塊(150mm×150mm×150mm)用于測試養(yǎng)護28d后的立方體抗壓強度平均值f28cu,m.抗壓試驗中,澆筑C20等級的試塊,共6組棱柱體試塊(100mm×100mm×300mm)用于測試0,25,50,75,100和125次凍融后的受壓性能,每組4個試塊.由于抗拉試件的非標準性,采用木模板成型,立方體試件和棱柱體試件采用GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》規(guī)定的標準試塊鋼模成型.澆筑完成的試塊放在空調(diào)房中養(yǎng)護24h后拆模,隨后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護23d,再將試件放在溫度為15~20℃的水中浸泡4d,所有試件都在同條件下養(yǎng)護和浸泡,以保證具有相同的初始強度.1.3試驗設計與試驗依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中快凍法試驗制度,對各組試件分別進行25,50,75,100和125次凍融循環(huán).達到設計的凍融循環(huán)次數(shù)后,按GB/T50081—2002進行力學性能試驗.2凍融循環(huán)對拉力學性能的影響由于凍融100次以后,C20和C30級受拉試件破壞比較嚴重,所以對C20和C30級試件經(jīng)過25,50和75次凍融循環(huán)后的受拉力學性能進行研究,對C40和C50級試件經(jīng)過25,50,75,100和125次凍融循環(huán)后的受拉力學性能進行研究.對設計強度等級為C20的試件經(jīng)過25,50和75次凍融循環(huán)后的受壓性能進行研究.2.1c0和s10級混凝土相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化圖1為各等級混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后相對動彈性模量的試驗結果.從圖1可以看出:隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,相對動彈性模量逐漸降低.當凍融循環(huán)次數(shù)達到25次時,C20和C30級混凝土動彈性模量下降了10%左右,C40和C50級混凝土相對動彈性模量下降了5%左右.當凍融循環(huán)次數(shù)達到75次時,強度最低的C20級混凝土動彈性模量損失率達到30%,而C50級混凝土動彈性模量損失率也達到25%左右.各等級混凝土相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的整體變化趨勢表明:在凍融開始時,相對動彈性模量下降速度較快,因為混凝土中原有的初始缺陷在凍融過程中得以發(fā)展;這些初始缺陷擴展到一定程度后,將進入一段穩(wěn)定期,無新的缺陷源產(chǎn)生,所以當凍融次數(shù)達到一定數(shù)值時,相對動彈性模量下降速度變慢;繼續(xù)凍融,原有的初始缺陷將繼續(xù)擴展,而且混凝土中產(chǎn)生了新的缺陷源,這些缺陷源也會隨凍融次數(shù)繼續(xù)增加不斷擴展,從而導致相對動彈性模量的下降速度加大.2.2參數(shù)分析對力學性能的影響2.2.1混凝土力學性能圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)后,各等級混凝土的受拉峰值應力試驗值與相對動彈性模量的關系.從上述結果可以看出:隨著相對動彈性模量的降低,受拉峰值應力呈明顯的衰減,但變化關系是非線性的.在動彈性模量下降34%時,C20級混凝土受拉峰值應力下降了34%;在動彈性模量下降38%時,C50級混凝土受拉峰值應力下降了50%.根據(jù)上述數(shù)據(jù),擬合出了受拉峰值應力ftD與相對動彈性模量P的變化關系函數(shù):式中:ftD為凍融后混凝土受拉峰值應力;P為凍融后混凝土相對動彈性模量;fcu,m為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土立方體抗壓強度平均值;a,b,c和d為未凍融混凝土立方體抗壓強度fcu,m對ftD的影響參數(shù),其中,2.2.2fcd模型中相對構建的接觸問題圖3為C20級混凝土凍融循環(huán)后相對受壓峰值應力與相對動彈性模量之間的關系.由圖3可知:凍融循環(huán)作用后,相對受壓峰值應力與相對動彈性模量之間存在良好的線性關系,相對受壓峰值應力隨著相對動彈性模量的降低而減小,當動彈性模量下降了34%左右時,相對受壓峰值應力下降了33%.根據(jù)圖3中實測數(shù)據(jù),擬合了相對受壓峰值應力與相對動彈性模量的變化關系函數(shù),即式中:fcD為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土單軸受壓峰值應力;fc為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土單軸受壓峰值應力.2.3變形能參數(shù)分析2.3.1動彈性模量的影響圖4為在不同凍融循環(huán)次數(shù)下各等級混凝土的受拉峰值應變與相對動彈性模量的關系.從圖4中可以看出:相同強度等級的條件下,隨著相對動彈性模量的降低,混凝土試件的受拉峰值應變呈非常明顯的下降趨勢,且強度等級高的混凝土受拉峰值應變對動彈性模量的變化更敏感.動彈性模量下降33%時,C20級混凝土受拉峰值應變下降30%;動彈性模量下降32%時,C50級混凝土受拉峰值應變下降50%.根據(jù)上述數(shù)據(jù)擬合了受拉峰值應變與相對動彈性模量、抗壓強度的關系,即式中:εtD為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的受拉峰值應變,10-6.2.3.2相對熱彈性模量優(yōu)選圖5為C20級混凝土凍融循環(huán)后相對受壓峰值應變與相對動彈性模量之間的關系.由圖5可知:凍融循環(huán)作用后的相對受壓峰值應變與相對動彈性模量之間存在良好的線性關系,受壓峰值應變隨著相對動彈性模量的降低而增大,當動彈性模量下降了34%左右時,受壓峰值應變增大了60%.根據(jù)圖5中實測數(shù)據(jù),擬合了相對受壓峰值應變與相對動彈性模量的變化關系函數(shù),即式中:εcD為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土受壓峰值應變,10-6;εc為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土受壓峰值應變,10-6.2.3.3混凝土相對可抗壓強度與極限應變的關系根據(jù)GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》附圖C.2.3及附錄C.2.4條規(guī)定,在應力-應變關系曲線下降段上,當應力(殘余強度)減至0.5fc時(fc為混凝土棱柱體的單軸受壓峰值應力),所對應的壓應變?yōu)槭軌簶O限應變εc,u.圖6為C20級混凝土凍融循環(huán)后相對受壓極限應變與相對動彈性模量之間的關系.由圖6可知:凍融循環(huán)作用后的相對受壓極限應變與相對動彈性模量之間存在近似的線性關系,受壓極限應變隨著相對動彈性模量的降低而增大,當動彈性模量下降了34%左右時,受壓極限應變增大了20%.根據(jù)圖6中實測數(shù)據(jù),擬合了相對受壓極限應變與相對動彈性模量的變化關系函數(shù)為式中:εcD,u為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土受壓極限應變,10-6;εc,u為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的混凝土受壓極限應變,10-6.2.3.4凍融循環(huán)作用后混凝土受拉初始彈性模量的變化從加載開始到混凝土受拉峰值應力的40%~60%左右,應力σ和應變ε呈很好的比例關系,拉伸應力-應變關系曲線在此階段為一直線,該直線的斜率即為混凝土的受拉初始彈性模量EtD0(見圖7).取受拉峰值應力的50%(即σ=0.5ftD)所對應的割線模量作為混凝土受拉初始彈性模量,即式中:EtD0為經(jīng)凍融循環(huán)作用后的混凝土受拉初始彈性模量;ε0D.5t為經(jīng)凍融循環(huán)作用后與0.5ftD相應的拉伸應變.按照式(6)對不同凍融次數(shù)下各等級試件應力、應變數(shù)據(jù)進行處理,得到各種情況下受拉初始彈性模量與相對動彈性模量的關系,如圖8所示.由圖8可知:凍融循環(huán)作用后,混凝土受拉初始彈性模量隨相對動彈性模量呈線性下降.在動彈性模量下降34%時,C20級混凝土受拉初始彈性模量下降了26%;而在動彈性模量下降32%時,C50級混凝土受拉初始彈性模量下降了26%.混凝土等級的提高增加了曲線斜率,但增加的幅度很小.綜合上述公式,受拉初始彈性模量與相對動彈性模量、抗壓強度fcu,m的關系式為式中:EDt0為凍融循環(huán)后的混凝土受拉初始彈性模量.3相對動彈性模量的影響1)建立了凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能與相對動彈性模量關系的函數(shù),可以依托相對動彈性模量的測定實現(xiàn)各性能參數(shù)的確定.2)受拉峰值應力隨相對動彈性模量非線性變化;受拉峰值應變與相對動彈性模量呈