无粘结预应力混凝土结构抗冻融耐久性研究_图文

1、中南大学硕士学位论文无粘结预应力混凝土结构抗冻融耐久性研究姓名：周奇峰申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：罗小勇20080501摘要在混凝土结构耐久性破坏中，冻害是仅次于钢筋腐蚀破坏的重要原因，抗冻融破坏已经成为混凝土结构耐久性研究的重要方向。目前，国内外对混凝土结构抗冻融的研究主要集中在材料层次上，对承受一定荷载作用即有应力状态下的混凝土结构特别是预应力混凝土结构的抗冻融研究很少。本文结合国家自然科学基金资助课题“无粘结预应力混凝土结构的疲劳与耐久性研究，主要研究不同应力状态对混凝土冻融耐久性能的影响。主要的研究内容有：、研究不同压应力大小对混凝土抗冻融性能的影响。通过五种应力状态（即

2、、厶）下混凝土试件的抗冻融试验，研究压应力大小对混凝土相对动弹性模量和质量损失率的影响规律，进而总结压应力大小与混凝土冻融寿命的相互关系。试验结果表明，压应力大小对混凝土冻融寿命影响显著。、根据试验测定的压应力大小对混凝土冻融寿命的影响规律，引入压应力大小影响系数，对无应力状态下混凝土冻融寿命预测的李金玉模型进行修正。修正后的预测模型能更好地反映实际结构中承受不同荷载时混凝土的抗冻融性能。、研究冻融循环下无粘结预应力钢绞线的抗冻融腐蚀性能。通过设置不同的试验条件，比较研究冻融和预应力对钢绞线抗腐蚀性能的影响。分析和试验结果表明，冻融环境下混凝土的劣化为腐蚀介质侵入到钢绞线表面提供了通道；在冻融

3、和预应力共同作用下，无粘结钢绞线的腐蚀率大于各因素单独作用时腐蚀率的简单叠加。、初探冻融循环对无粘结钢绞线预应力损失的影响。通过无粘结预应力混凝土试件的冻融试验，研究无粘结预应力钢绞线预应力随冻融循环次数的变化规律。试验结果表明，在冻融循环中，当混凝土所受预压应力大小不同时，无粘结预应力钢绞线的预应力大小随着冻融的进行呈现出不同的变化规律。关键词预应力混凝土，耐久性，冻融，钢绞线锈蚀，预应力损失，：，（六，六，丘，），原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果

4、，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：蔓盛奎日期：三塑量年上月丑日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。日期：竺坠年上月斗日硕士学位论文第一章绪论第一章绪论混凝土结构耐久性研究背景混凝土结构的

5、耐久性是指：结构在规定的使用年限内，在各种环境作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观能力【】。混凝土结构的耐久性破坏都是从混凝土或钢筋的材料劣化开始的，环境条件和自身因素都可以引起材料的劣化。其中，多数材料的劣化是环境条件引起的，根据环境条件的不同，混凝土的耐久性研究方向可分为混凝土的碳化、冻融破坏、化学侵蚀、表面磨损和钢筋腐蚀等。寒冷气候下混凝土结构的冻害即冻融破坏是混凝土结构耐久性研究的一个重要方向，是指混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用，混凝土的抗冻耐久性即是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。一般以耐久性指数表征混凝土的抗冻耐久性，划分等级为：

6、时混凝土的抗冻性不好；时属尚可用；时则认为抗冻性好。在年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，教授在混凝土耐久性年进展报告中指出，“当今世界混凝土耐久性破坏原因按重要性排列的顺序是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”。可见，冻融破坏己成为混凝土影响混凝土结构耐久性的主要原因，我国工程实践中，地处寒冷地区的水电站、工业厂房、铁道桥涵、混凝土路面、桥梁及市政工程等的混凝土，其冻融破坏已成为混凝土建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期运行和安全运行【引。无粘结预应力混凝土技术是建设部“八五”、“九五及发展纲要科技计划重点推广项目之一，是我国建筑工业发展的重要技术方向

7、，随着无粘结预应力混凝土技术的广泛应用，大量处于冻融环境下的无粘结预应力混凝土功能将逐渐衰退，甚至最终达到破坏，这是一个可以预见但又不可逆的过程，其实质即耐久性问题。从理论上讲，预应力混凝土由于施加预应力能够控制混凝土的裂缝丌展及其开展宽度，与一般混凝土结构相比应该有较强的抵御环境侵蚀的能力，这是预应力对混凝土耐久性一个有利的因素；另一方面，预应力混凝土处于高应力状态，如果预应力混凝土由于某些原因造成预应力损失（事实上这种损失是不可避免的）而不能有效控制其裂缝，那么在这种高应力和环境腐蚀作用下，预应力筋自开始腐蚀至失效历时将很短，破坏形式表现为无任何先兆的脆性破坏。现有的预应力混凝土结构耐久性

8、失效事故，预应力钢筋腐蚀引起的破坏占绝硕士学位论文第一章绪论大多数，其中在对后张无粘结预应力混凝土结构进行修复时，由于缺乏对其老化病害的足够认识，修复存在着一定的盲目性，导致大量的财力、人力的浪费引。对世界范围内年期间发生的起预应力筋腐蚀损坏事故分类表明列，先张、后张、无粘结和环向张拉分别占、和。虽然无粘结预应力筋腐蚀损坏仅占，但是如果从这份调查中得出无粘结预应力混凝土的钢绞线发生腐蚀的可能性很少，并不是十分正确的。因为无粘结预应力混凝土在工程中应用虽然始于年代初，但在实际工程应用较少，直到年代，由于采用挤压涂塑工艺制作无粘结钢筋获得成功，无粘结预应力混凝土才得以迅速发展，因此的腐蚀占有率恰恰

9、证明了无粘结预应力混凝土也存在着较严重的耐久性方面的问题。可以预见，随着时的延长，无粘结预应力混凝土结构耐久性问题将变得更加突出。在欧洲混凝土委员会技术通报第号提议中，美国学者曾提出过“倍定律”观点【引，他认为在结构设计施工时省下美元，在维护、修理和翻建时，为提高其耐久性所需的费用，就可能是美元、美元甚至是美元。可见，要取得结构的良好耐久性，确保有足够的使用寿命，关键在于防患于未然，这无疑要求我们对预应力混凝土结构在各种环境条件的耐久性问题做充分的研究，从而为设计、施工和将来的加固维修提供理论基础。混凝土结构抗冻融耐久性研究进展抗冻性是混凝土耐久性的一个重要指标，是诸耐久性指标的集中体现。混凝

10、土抗冻安全性的问题，也是渚耐久性中认识得较早和较重视的问题之一。国内外科学家和工程技术人员对混凝土的抗冻性进行了研究，积累了大量的经验并制定了一系列的标准以保证混凝土的抗冻性能，包括设计标准、施工标准以及试验方法等。混凝土的抗冻性研究经历了从材料层次到结构层次的发展，相对而言，前者的研究比较深入，而后者对构件的研究又多于对结构物整体的研究。基于材料层次对冻融破坏的研究混凝土在饱水状态下因冻融交替作用下产生的破坏作用称为冻融破坏，饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件”。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面，冻胀丌裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度

11、等力学性能严重下降，危害结构物的安全性。材料层次上的研究主要集中在破坏机理、研究的参数及影响因素的研究。）混凝土冻融破坏机理硕士学位论文第一章绪论关于混凝土受冻破坏机理各国学者进行了很多研究，其中以美国的在提出的静水压理论、和在年提出的渗透压理论驴最具影响。静水压理论认为，混凝土毛细孔中的饱和水在结冰时体积膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移而产生静水压力；渗透压假洗认为，由于混凝土孔溶液含有、等盐类，大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差，这个浓度差迫使小孔中溶液向已部分冻结的大孔迁移而产生渗透压。但到目前为止，静水压假说和渗透压假说何者是

12、冻融破坏的主要因素，尚未定论。一般认为水灰比较大、强度较低、期龄较短、水化程度较小的混凝土，静水压破坏是主要的；而对水灰比较小、强度较高及含盐量大的环境下冻结的混凝土，渗透压起主要作用。）混凝土抗冻性研究中的参数平均气泡间距和临界水饱和度作为混凝土抗冻性研究的两个重要参数，已得到公认。在年用冻融循环法测抗冻性，在显微镜下测得空气泡含量及比表面积，以此算出平均气泡间隔系数，将抗冻性显著变化时的平均气泡间隔系数定义为极限平均问隔系数；在年提出了平均气泡间隔系数的计算公式：珀（）；一美国学者在上发表文章认为，原来的气泡间隔系数计算公式，推导过程的假设不准确，他根据几何概率和体视的原理，推导出平均气泡

13、间隔系数的计算公式：剃。邓正刚等将国内部分试验成果按上述两式进行了计算比较，证明公式可将混凝土抗冻性的判断准确率从提高到。年，又提出了临界水饱和度理论。该理论认为随着混凝土中空气泡吸水的增加，平均气泡问距系数将变大，因此从理论上讲混凝土的水饱和度必然存在一个与极限平均气泡问隔系数相对应的临界值。当混凝土的水饱和度小于此值时，混凝土就不会发生冻害，当混凝土的水饱和度大于此值时，混凝土将迅速冻坏，这一临界值即是临界水饱和度。）影响混凝土抗冻性的因素基于混凝土材料层次上的抗冻性研究，一般认为有两种破坏形式：一般的冻融破坏和盐冻破坏。其破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀：一般冻融破坏，在其表面都可以看到

14、裂缝和剥落；而盐冻破坏的主要特征则是表面剥蚀。各研究者从混凝土的破坏机理出发，分析了混凝土抗冻性的影响因素：平均气泡问隔系数【】【】、水灰比、外加剂、强度、骨料、水泥品种、水泥用量、混合材料【】、硕士学位论文第一章绪论盐的种类等，并认为平均气泡间距为最为主要的影响因素。与提出的平均气泡间距系数计算公式虽然在判断混凝土是否抗冻的准确率上有差异，但公式中反映出的平均气泡间距系数的影响因素是一致的：平均气泡间距系数主要与含气量和水灰比有关。盐冻破坏是混凝土冻融破坏的一种特殊形式，指在冻融循环条件下，由除冰盐引起的路面混凝土剥蚀。其机理即有与一般混凝土的冻融相似的一面，又有其自身特点。一方面，除冰盐降

15、低水的冰点，对减少冻融破坏是一个有利因素，另一方面，使用除冰盐会增加混凝土的初始饱水度、渗透压及产生结晶压力等对冻融破坏的不利影响。总的说来，盐冻破坏对混凝土的影响比一般混凝土冻融破坏严重得多。杨全兵等研究者的试验证明，由于不同种类盐的吸湿性不同，其对混凝土的剥蚀程度依次为氯化纳尿素氯化钙海水硫酸钠。对上述单一因素作用下混凝土抗冻性的问题，国内外开展的研究工作，其中除了水泥品种、水泥用量和混合材料掺量对混凝土抗冻性的影响由于各国试验条件不同尚无统一结论外，其它的许多结论和经验公式已经在学术界达成共识，并且在工程实际中得到很好的应用和验证。基于结构层次对冻融破坏的研究实际中的混凝土并不是在单一因

16、素下工作的，而是经受着荷载和环境等多种因素协调作用，如寒冷地区的混凝土结构就经受冻融循环和荷载等的共同作用。实践证明，多种因素共同作用时，对混凝土的冻融破坏并不是各单一因素作用的简单叠加，这使得以往在单一因素作用条件下所得的结论和经验公式具有一定的局限性。为此，从年代起一些混凝土科学工作者逐步丌展了多因素协同作用下混凝土抗冻性的研究，其中较多的是研究在荷载作用下混凝土的冻融性能，混凝土抗冻性研究也随之进入了结构层次的研究。慕儒等进行了荷载和冻融循环双重损伤因子同时作用下高性能混凝土（）的损伤与损伤抑制试验；严安等【建立了荷载作用下冻融循环断裂可靠度的概率统计方法，提出了等效“等效冻融循环寿命”

17、的概念，从而可以根据不同应力状态下的冻融循环寿试验结果计算无应力状态的冻融循环寿命，也可以根据按标准方法在无应力状态下测得的冻融循环寿命来推算不同应力状态下的冻融循环寿命；黄鹏飞等采用自行研制的一套环境性能综合评估试验方法研究了盐冻循环、钢筋腐蚀与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土损伤失效的演变过程；孙伟等【研究了混凝土在弯曲荷载冻融除冰盐腐蚀等多重因素作用下的耐久性。上述在荷载作用下多因素的混凝土抗冻能研究，较一致的结论是：拉应力的存在加速了混凝土的劣化过程和损伤程度，这种劣化过程和损伤程度会随着拉应硕十学位论文第一章绪论力比的增大而加快加深，且在荷载和冻融双因子作用下，混凝土的损伤速率远大于两个

18、因子单独作用时损伤程度的叠加。其加速机理在于：冻融作用下，试件很早就会出现微裂缝，而荷载产生的弯矩在冻融引起的微裂缝处又会使应力集中，从而使裂缝迅速变宽，加速裂缝的引伸、发展和破坏进程，裂缝的发展反过来会加剧混凝土的冻胀破坏。关于预应力混凝土的冻融研究，近年才有所报道。由于预应力混凝土一直处于高应力状态，其冻融破坏也应有别如一般弯曲应力状态下的冻融破坏。江苏大学的刘荣桂等从损伤理论的角度对预应力混凝土冻融破坏进行了研究，结果表明：随着压应力水平的提高，混凝土的抗应变能力是增大的，预应力混凝土的抗冻能力要好于普通混凝士，并且随着压应力水平的提高，抗冻能力也得以提高。但研究中并没有给出应力大小对冻

19、融寿命影响的量化关系。混凝土冻融破坏预测模型和试验方法混凝土冻融破坏预测模型由于混凝土冻融破坏的复杂性，建立混凝土抗冻性预测模型的工作一直进行缓慢，目前处于起步阶段。年，等提出了一个预测混凝土抗冻性的理论数学模型，模拟混凝土的吸水过程、孔隙水在毛细孔和空气泡中的迁移过程、计算孔溶液结冰释放热量时混凝土内的温度分布及混凝土固相中的应力分布，但该模型必须借助计算机和有限元法求解，并有大量参数需要各种新型试验测定，远没达到实用的目的。我国学者也建立了几个混凝土抗冻性预测模型，主要有蔡吴模型、许丽萍模型和李会玉模型等。其中蔡吴模型属理论模型，离实际应用尚有一定距离；许丽萍模型和李金玉模型属经验模型，实

20、用性较好。）许丽萍模型许丽萍等以耐久性指数作为作为混凝土抗冻性的衡量指标，认为耐久性指数的主要影响因素是平均气泡问距和水灰比，而平均气泡间距的主要影响是含气量与水灰比，以国内外有关试验数据为依据，建立了耐久性指数与含气量和水灰比之间的经验关系式。许丽萍等区分水灰比对硬化混凝土的含气量与平均气泡问隔系数关系的影响后，发现其相关性较好，回归方程如下：当时，；当时，当时，当时，：硕十学位论文第一章绪论式中：三一平均气泡间隔系数（）；一混凝土的含气量（）。在此基础上，再将耐久性指数与平均气泡间距的关系进行指数回归，得到耐久性指数与平均气泡间隔系数的关系：当时，（一）当时，（一）一当时，（一）李金玉模型

21、【李金玉等根据试验结果，采用多元回归的方法，建立了混凝土能经受的冻融循环次数与水胶比、含气量及粉煤灰掺量之间的关系：肛舢，南一川昕式中：一混凝土能经受的最大冻融（快冻）次数；一混凝土的含气量（）；（）一水胶比；一粉煤灰掺量（）。混凝土抗冻性的试验方法混凝土抗冻性的试验方法有快速冻融法、慢动法、临界膨胀试验法和临界水饱和度法，其中以快冻法和慢冻法应用较多。）快速冻融法混凝土快速冻融试验方法首先由美国提出，美、日、加等西方国家多采用这种方法，我国水工和港工混凝土试验规程均列入了这种试验方法。法有两种，一种为快速水冻水融法，混凝土在水中冻结和融化；第二种为快速气冻水融法，混凝土在冷冻室的空气中冻结，

22、然后移至水中融化。快冻法一个循环的时间为左右，每个试件应连续进行次循环，若在次循环前混凝土的相对动弹性模量下降或重量损失达时，试验终止，该方法用耐久性指数表征混凝土抗冻性，的计算公式如下：旦：鱼旦式中：次冻融循环后的相对动弹性模量；露次冻融循环后的动弹性模量；嗍验终止时的循环次数。一初始动弹性模量；一般值小于时的混凝土的抗冻性不好；，时属尚可用，时认为抗冻性好川。快冻法以能敏感地反应结构内部损伤的动弹性模量为测试指标，较直接测试抗压强度更能准确地表征冻融造成的损伤情况。但快速冻融法中试件的降温速度比实际环境快得多，试件的充水程度也较实际使用条件苛刻【。因此，有时会出现这样的情况：用快速冻融法判

23、定为不抗冻的混凝土在实际工程中确是颇为耐久的。）慢冻法前苏联和东欧国家采用慢冻法，我国水工和港工混凝土试验规程也列入了这种试验方法。试件的冻结状态模拟实际环境，普通混凝土在空气中冻结；水工规程规定将试件放入铁皮盒中，上部在空气中，下部左右浸在水中。慢冻法一个循环的时间为，冻、融各半。冻融过程中根据不同抗冻标号进行数次抗压强度和失重率检测。普通混凝土以抗压强度损失率不超过或失重率不超过时的冻融循环次数划分混凝土的抗冻标号。）快冻法和慢冻法的评述经多年的实践终结，慢冻法存在较大的不足之处：试验周期长，一个循环至少，一般左右；试验工作量大，由于慢冻法采用抗压强度作为评定指标，因此按规定要较多的实际，

24、包括冻融试讲和对比试件，加之慢冻法基本是人工操作，人员昼夜值班，因此工作量很大；试验误差大，主要由于慢冻法中测量失重率指标时往往存在很大的误差。快冻法在以上三个方面均能克服慢冻法的不足之处：快冻法试验速度快，一个循环左右；快冻法采用无破损的测试方法，一种混凝土只需一组试件，因此试验工作量小，而且试验结果较为准确。本文的研究目的与内容研究目的鉴于冻融的危害性和无粘结预应力混凝土结构在土木建设中所处的重要地位，必需进行无粘结预应力混凝土结构抗冻融耐久性的研究。通过试验研究，得出预应力大小与混凝土冻融寿命的相互关系、无粘结预应力钢绞线在冻融环境下的腐蚀情况及预应力随冻融循环次数的变化规律，为无粘结预

25、应力混凝土结构耐久性设计和评估打下基础。研究内容本文主要的研究内容有：、研究不同压应力大小对混凝土抗冻融性能的影响。通过五种应力状态（即、丘、丘、正、）下混凝土试件的抗冻融试验，研究压应力大小对混凝土相对动弹性模量和质量损失率的影响规律，进而总结压应力大小与混凝土冻融寿命的相互关系。、根据试验测定的压应力大小对混凝土冻融寿命的影响规律，引入压应力大小影响系数，对无应力状态下混凝土冻融寿命预测的李金玉模型进行修正，以便模型能更好地反映实际结构中承受不同荷载时混凝土的抗冻性。、研究冻融循环下无粘结预应力钢绞线的抗冻融腐蚀性能。通过设置不同的试验条件，比较研究冻融和预应力对钢绞线抗腐蚀性能的影响。、

26、初探冻融循环对无粘结钢绞线预应力损失的影响。通过无粘结预应力混凝土试件的冻融试验，研究无粘结预应力钢绞线预应力随冻融循环次数的变化规律。硕十学位论文第二章试件设计与试验过程第二章试件设计与试验过程试件设计参数结合本课题研究的内容，本试验试件设计需满足以下几个研究方面的要求：）不同预应力大小对混凝土结构的耐久性比较；）冻融循环下钢绞线的腐蚀；）预应力钢绞线在冻融循环下预应力的变化，即预应力的损失。考虑到冻融箱的容积，确定制作个构件和段钢绞线，各试件设计参数见表。表本次试验试件设计及其编号注：为构件里面的钢绞线编号压应力比对抗冻融耐久性影响试验试件尺寸为试验中所用混凝土强度等级为】【】，。采用原材

27、料为：普通硅酸盐水泥；中河沙，细度模数为；碎石，最大骨料粒径，其配合比及参数见表。天期龄下测得混凝土强度等级为，采用插值，取矗，硕士学位论文第二章试件设计与试验过程测试强度后分别对混凝土试件施加压应力比（盯，）为、和五个等级的荷载。值得注意的是，虽然本节研究的是无粘结预应力混凝土的耐久性，但如果直接采用预应力钢绞线对试件加载，由于试件短小，锚具少量的滑移就可能导致绝大部分的预应力损失【】，为了避免这种情况，压应力采用高强度螺杆模拟预应力钢筋对混凝土试件加载提供；另外，为了防止进入预留孔隙中的水结冰膨胀将混凝土破坏，在高强螺杆与预留孔中填充泡沫，以起卸压作用。试件编号为，每个等级个共个试件，试件

28、如图所示。图试件试验加载过程中采用应变片测试控制所加应力大小，为了减少多种因素对预加力产生的损失，张拉过程中多张拉、，张拉控制应变见表。无粘结预应力钢绞线的预应力损失试验混凝土配合比及尺寸同，钢绞线采用标准型，公称直径为。采用后张法无粘结预应力混凝土试件，在张拉端安装测力计，用以控制初始的张拉应力及测量钢绞线在不同的冻融循环次数的预拉力值，试件如图所示。按照规定的冻融次数测量冻融状态（编号，置于冻融箱中）钢绞线预拉力损失值。硕士学位论文第二章试件设计与试验过程表张拉控制应变勰鬓蒺囊譬图及试件表钢绞线预拉力损失试件参数硕士学位论文第二章试：设计与试验过程在张拉过程中，由于试件短小，锚具少量的滑移

29、就导致了大部分的预应力损失，过度的超张拉又将压坏试件，本试验只初步探索了低应力状态下预应力钢绞线的预应力损失研究，对于高、中应力状态下的预应力损失研究尚需改进试验措施后进一步进行。试件各参数见表。无粘结预应力钢绞线的腐蚀试验设计三组（每组段，每段长）无粘结预应力钢绞线放置在冻融箱罩进行冻融，用以模拟冻融循环对钢绞线防护层性能的影响：第一组（编号）将钢绞线两端套管各伸出，罩面填以防腐油脂，然后浸入水中，用以研究聚乙烯套管完好时冻融循环对防腐油脂性能影响；第二组（编号）钢绞线两端不填充防腐油脂，直接浸泡在水里面，用以研究聚乙烯套管破损时冻融循环对防腐油脂性能影响；第三组（编号）无粘结预应力钢绞线，

30、除去聚乙烯套管和防腐油脂后浸入水中，用以研究聚乙烯套管和油脂都损坏时钢绞线的腐蚀情况，如图所示。一曷塑缝垡”一）试件一）试件图）试件编号、试件为了研究多因素对无粘结预应力钢绞线腐蚀的影响，设计预应力构件，将其浸入室外水中。待冻融循环结束后，将常温和冻融试件中的钢绞线取出（除去聚乙烯套管和油脂），截取端部的长，并分别将其编号为（常态下预应力构件中的钢绞线）和（冻融状态下预应力构件中的钢绞线），采用称重法分别检测编号为、和钢绞线的质量，衡量不同因素对钢绞线的腐蚀影响程度。硕士学位论文第二章试件设计与试验过程试验过程试验在中国水电第八工程局材料检测中心进行，冻融设备为天津市惠达试验仪器厂生产的型混凝

31、土快速冻融设备。该冻融系统除能对标准混凝土试块进行快速冻融外，还可以根据需要自己设计试件存放槽进行冻融试验。根据冻融箱的容积，并配合各试件的尺寸，不同应力等级的试件按标准试件放置方式放置在冻融箱中，拉力损失试件则沿竖向倾斜放置在冻融箱中，为此，首先设计了放置拉力损失试件的不锈钢冻融盒和支架，冻融盒尺寸为，见图。本课题对三方面内容的研究试验是同时在同一试验箱进行的，计历时天左右（不含试件的制作、养护时间），冻融装置见图，试件在冻融箱中的放置见。图。图不锈钢冻融盒和支架图冻融装置硕士学位论文第二章试仲设计与试验过程图试件在冻融箱中的放置示意图冻融循环试验按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（）

32、中抗冻性能试验的快冻法进行。试件在饱水状态下进行快速冻融试验，试件中心温度分别控制在一。和，左右完成次冻融循环。具体步骤如下【】（）按表进行混凝土拌合物的配制，并测试混凝土拌合物的含气量。（）试件制作好后在标准条件下养护，到达试验期龄（）后，测定混凝土抗压强度，并对需要加载的试件按设计的应力等级进行加载，同时制作段预应力钢绞线试件。（）将试件放在。的水中浸泡，浸泡时水面高出试件顶面。（）浸泡后取出试件，用湿布擦除表面水分、称重，按“普通混凝土动弹性模量试验”的规定测定其横向基频和动弹性模量的初始值，同时测定预应力损失试件拉力的初始值，见图，。（）为使试件受温均衡，并消除试件周围因水份结冰引起附

33、加应力，试件侧面挚放适当宽度与厚度的橡胶板，整个试验过程中，盒内水位高度高出试件顶面。（）把试件装入试验盒中后放入冻融试验机箱进行冻融循环试验。由于在双硕士学位论文第二章试件设计与试验过程因子作用下混凝土的劣化速度较快，为准确分析混凝土的损伤过程，试验中每隔个冻融循环测定一次试件的横向基频和质量，同时测定预应力损失试件拉力的值。（）依据，在个冻融循环内，当试件的动弹性模量下降或质量损失率达到，即认为混凝土破坏，可停止冻融循环试验。（）将预应力损失试件中的钢绞线和试验盒中的钢绞线取出，按称重法进行钢绞线腐蚀的测试。图动弹性模量测量图图预拉力测量图硕士学位论文第二章预压应力对预应力混凝十冻融耐久性

34、的影响第三章预压应力对预应力混凝土冻融耐久性的影响本章研究冻融循环下预应力混凝土的抗冻融性能。通过五种应力等级下混凝土试件的抗冻融试验，研究压应力大小对混凝土相对动弹性模量和质量损失率的影响规律，进而总结压应力大小与混凝土冻融寿命的相互关系。同时根据试验测定的压应力大小对混凝土冻融寿命的影响规律，引入压应力大小影响系数，对无应力状态下混凝土冻融寿命预测的李金玉模型进行修，以便建立能更好地反映实际结构中承受不同荷载时混凝土的抗冻融性能的预测模型。不同应力比下混凝土的相对动弹性模量的变化规律本次试验每隔次冻融循环对混凝土试件采用动弹性检测仪测得其横向基频，然后通过以下公式计算相对动弹性模量：尸：垡

35、式中，为经次冻融循环后试件的相对动弹性模量，以个试件的平均值计算；为经次冻融循环后试件的横向基频（）；为冻融循环前试件的横向基频（）应力对动弹性模量的影响组试件冻融过程中横向基频测量结果与其相对动弹性模量计算值见表一，图、为不同应力比下试件的相对动弹性模量的变化曲线。由数表及曲线图可以看出：混凝土的相对动弹性模量随着冻融次数的增加而降低。在冻融破坏的前阶段，压应力比在之间时，混凝土的初始动弹性模量随应力比的提高而增加，相对动弹性模量下降速率随着压应力比的提高而降低，即经相同冻融次数后，压应力比越高，混凝土的相对动弹性模量下降得越少。当压应力比提高到时，混凝土的初始动弹性模量较低应力状态有所下降

36、，相对动弹性模量下降速率较低应力状态有所提高，即经相同冻融次数后，高压应力状态下的混凝土的相对动弹性模量较低应力状态下的混凝土相对动弹性模量低。在临近损坏时（相对动弹性模量降低到），压应力越高，相对动弹性模量下降越快，曲线越陡，其破坏的突发性愈强。硕士学位论文第二章预压应力对预应力混凝土冻融耐久性的影响硕士学位论文第三章预压应力对预虑力混凝十冻融耐久性的影响注：表中符号为冻融循环次数；六一。为编号试件经次冻融循环后试什的横向基频，只一为编号一试件经次冻融循环后试件的相对动弹性模量（）；只为编号试什和一试件平均值；余者类推。奈、蚓辎趟霰蒋靛罂冻融循环次数图不同应力比下混凝土的相对动弹性模量随冻融

37、次数的变化曲线、装加删辎惫督靛罂：压应力比图不同冻融次数下混凝土相对动弹性模量随压应力比的变化曲线硕士学位论文第三章预乐应力对预应力混凝土冻融耐久性的影响压应力比在之间时，压应力的越高，混凝土冻融循环寿命越高；压应力比达到时，混凝土冻融循环寿命较无应力状态还低。这表明，一定范围内的压应力的存在能延缓混凝土冻融损伤，超过这个范围的压压力则加速混凝土冻融损伤。具体的分析可以看出，当经受次冻融循环时，对于应力比为、的混凝土，其相对动弹性模量分别为、，分别下降了、，无应力的混凝土相对应力比为、时，相对动弹性模量分别下降了、倍，可见混凝土的损伤速率随着应力比的提高而降低；当动融循环达到次时，对于应力比为

38、、的混凝土，其相对动弹性模量分别为、，分别下降了、，无应力的混凝土相对应力比为、时，相对动弹性模量分别下降了、倍，且随着动融次数的增加，混凝土的损伤速率都是随着应力比的提高而降低的。对于应力比为的混凝土，在冻融循环的前期，其损伤速率也较无应力的混凝土慢，但其破坏的突发性很强：经受循环时，相对动弹性模量为，到次循环时，相对动弹性模量迅速下降到，下降幅度接近倍。结果分析本试验的结果表明，压力荷载对混凝土冻融损伤的影响有别于弯曲荷载对混凝土冻融损伤的影响：压应力在一定范围内可缓冻融损伤，超过这个应力比则加速冻融损伤；拉应力的存在加速了混凝土的劣化过程和损伤程度，且这种劣化过程和损伤程度会随着应力比的

39、增大而加快加深。分析预压应力对混凝土冻融破坏的这种影响结果之前，先熟悉弯曲荷载作用下混凝土的冻融破坏机理。）弯曲荷载和冻融循环作用下的冻融破坏机理已有的弯曲荷载和冻融循环作用下的研究表明【，混凝土的损伤过程主要有三种：孔隙水结冰和迁移产生的压力作用在基材中形成均匀的微裂缝；荷载在混凝土微裂缝处形成应力集中，使微裂缝发展加快；试件表面剥落。一般情况下，这三个过程同时作用，但是对于不同的试件（是否引气，水灰比大小，荷载比例，是否盐冻等），这个过程所起的作用有很大差别，导致不同的破坏模式。对于非引气混凝土，荷载和冻融循环同时作用下，混凝土的破坏和水灰比的关系很大。当水扶比较大时，混凝土的破坏是损伤过

40、程和同时作用的结果，这种损伤是一个累积叠加、逐渐损伤的过程：首先由于损伤过程的作用，混凝硕士学位论文第三章预压戍力对预应力混凝士冻融耐久性的影响土中出现微裂缝，荷载作用在裂缝处形成应力集中，使裂缝扩展（过程），冻融过程中温度升高时裂缝中充水，温度降低结冰后形成孔隙水压力，也使裂缝扩展，应力集中程度进一步提高，如此交替进行，在这种低周疲劳作用下，混凝土最终达到破坏。荷载比例的大小对这种损伤影响很大，当荷载比例较小时，损伤过程起主要作用，这时混凝土能经受的冻融循环次数较多；当荷载比例较大时，荷载作用下产生的应力集中影响增大，使得初始裂缝迅速扩展，混凝土损伤速度加快，动弹性模量下降速度比荷载比例较小

41、时大很多。当水灰比较小时，混凝土的抗冻性大大增强，与引气混凝土差不多，荷载对相对动弹性模量的影响大为减小，这时混凝土的破坏主要是损伤过程引起的。荷载对混凝土能经受的冻融循环次数影响较大，当荷载比例较小时，非引气混凝土的破坏主要是损伤过程引起的；这时能经受的冻融循环次数较多。荷载比例较大的非引气混凝土，破坏主要是损伤过程引起的，试件一旦出现初始裂缝，由于荷载的作用便发展极快，一条主要裂缝贯穿试件，达到破坏，所以混凝土能经受的冻融循环次数较少。从破坏形态上来看，文献【】【】【】研究还表明，当应力比超过一定比例时，基体中没有明显的微裂缝，主要破坏形态是临界裂缝的迅速增长导致的脆性断裂，而没有外部应力

42、的试件的破坏主要是源自基体中微裂缝的扩展。因此，外部荷载从机理与破坏形态两方面影响混凝土的冻融破坏，应力存在时破坏迅速，应力水平越高，混凝土破坏越快。）本试验中压力荷载和冻融循环作用下的冻融破坏机理分析外部荷载无论是拉应力还是压应力，混凝土的冻融破坏是一个纯物理的过程，混凝土的冻融破坏无例外都是混凝土本身存在的微裂缝在其内部复杂的应力作用下，进一步积累、发展到一定程度破坏的，所不同的是外部荷载和冻融产生的膨胀力综合作用下，混凝土的内部所处的应力状态。无外荷载作用下的混凝土冻融循环的过程中，混凝土内部的应力状态是三向受拉，其体积微元的破坏相当于在冻结过程中加载，在融解过程中卸载，随着冻融循环的进

43、行，应力不断的加载、卸载，反复循环，微裂缝也随之积累、扩展，到一定程度混凝土破坏。混凝土在压力荷载下，当应力比小于，时，混凝土内部微裂缝处于相对稳定期，这时混凝土的压应力较小，有些微裂缝的尖端因为应力集中而沿界面略有发展，也有些微裂缝和问隙因受压而闭合，混凝土在这种应力比下，即使荷载的多次重复作用或者持续较长的时间，微裂缝也不致有大发展；当应力比大于而小于时，混凝土内部微裂缝处于稳定发展期，这时混凝土内微裂缝发展较多，一些界面裂缝的发展也渐次进入水泥砂浆，但是，当荷载不再增大，微裂缝的发展亦将停滞，裂缝形态保持基本硕士学位论文第二章预压应力对预应力混凝土冻融耐久性的影响稳定；当应力比大于时，裂

44、缝处于不稳定发展期，这时界面裂缝突然加宽和延伸，大量地进入水泥砂浆，水泥砂浆中已有的裂缝也加快发展，并和界面裂缝相连，即使应力维持常值，裂缝仍将继续发展，不再能保持稳定状态。本试验混凝土试件水灰较大（为），荷载比例对冻融损伤影响较大。混凝土在压应力作用下的冻融循环破坏是无应力与冻融损伤二者相互作用的结果：当应力比小于时，微裂缝相对稳定，此时压应力使得部分因冻融而产生的微裂缝闭合，有效的控制和延缓微裂缝的发展，压实作用也使得混凝土的初始动弹性模量随应力比提高而增加。当应力比达到时，混凝土中产生的微裂缝处于稳定发展期，裂缝和孔隙中含水量增大，冻结过程产生的膨胀力与外荷载施加的压应力两者相互作用，加

45、速了混凝土的损坏，从而导致相对动弹性模量较低应力状态下的有所下降。总的说来，无论是弯曲荷载还是压力荷载下的冻融循环，混凝土的劣化机理是类似的，都是由于荷载和冻融相互作用产生不同程度的压应力导致混凝土损坏积累。不同的是外荷载的拉、压应力对这种劣化所起作用的不同：或是加速，或是延缓。不同应力比下混凝土质量损失率的变化规律本次试验每隔次冻融循环对混凝土试件采用天平测得其质量，然后通过以下公式计算其质量损失率：彬：“式中，形为经次冻融循环后试件的质量损失率，以个试件的平均值计算；为经次冻融循环后试件的质量（）；为冻融循环前试件的初始质量（）本次试验未出现质量损失率大于的情况，而是相对动弹性模量下降到来作为试件破坏准则。混凝土表面剥落形态图为冻融结束后部分混凝土试件的剥落情况。冻融过程中对混凝土的表面损坏情况可以发现：混凝土表面的剥落损伤与预应力大小无明显的关系，而与冻融次数关系较大。试验中可以看出，次冻融循环下，混凝土表面有少量剥落；经受次冻融循环后，混凝土表面浮浆已经基本剥落，并