冻融循环作用下混凝土力学性能试验研究

冻融循环作用下混凝土力学性能试验研究

作为一个复杂的服务环境，混凝土结构的性能无法逆转，并且累积的损坏积累了不同的破坏，降低了结构的耐用性。对寒冷地区的混凝土结构来说，冻容环的作用是一个非常不利的因素。目前国内外大部分学者把冻融循环次数作为主要变量,研究冻融循环对混凝土的作用.相对动弹性模量损失率由于比较容易实现无破损检测,被广大学者采用.SunW.等认为,相对动弹性模量就是评价混凝土抗冻性的1个重要因素;D.J.Janssen等采用测试混凝土基频的方法研究其碟形试件抗冻性;刘荣桂等同样采用相对动弹性模量作为一个评价指标;LiG.D.等在灰度系统理论的基础上,提出计算相对动弹性模量的数学模型.冻融循环后混凝土的力学性能也被深入研究.商怀帅等系统研究了冻融循环作用后混凝土的单轴、双轴及三轴的强度和变形性能;曹大富等研究了冻融循环作用下混凝土的受拉本构特征.目前这些研究中,相对动弹性模量的测试虽然简单易行,但却不能直观反应混凝土的力学性能;而冻融后的力学性能测试需要留置试块,若需长期监测结构的健康度,就必须要留置大量的试块,且需要进行大量试验,造成浪费.为此,本研究对冻融循环作用后的混凝土试块进行抗压、抗拉等力学性能试验,综合考虑混凝土等级和动弹性模量等因素的影响,拟建立有关混凝土力学性能及相对动弹性模量的数学模型.1测试1.1粗骨料及粉煤灰本次试验所用水泥为扬州亚东水泥有限公司生产的普通硅酸盐42.5级水泥;细骨料为江西赣江产的中砂,连续级配,细度模数为2.8;粗骨料来源于南京六合,粒径为5.0~31.5mm,级配良好;粉煤灰为仪征华盛热电公司生产的Ⅱ级灰;外加剂为江苏博特新材料有限公司生产的混凝土高效增强剂.混凝土的配合比及主要参数见表1.1.2抗压强度试验及养护抗拉试验中,浇筑C20,C30,C40和C50共4个等级的试块.每个等级包括6组抗拉试块(120mm×120mm×400mm)用于测试0,25,50,75,100和125次冻融后的受拉性能;1组立方体试块(150mm×150mm×150mm)用于测试养护28d后的立方体抗压强度平均值f28cu,m.抗压试验中,浇筑C20等级的试块,共6组棱柱体试块(100mm×100mm×300mm)用于测试0,25,50,75,100和125次冻融后的受压性能,每组4个试块.由于抗拉试件的非标准性,采用木模板成型,立方体试件和棱柱体试件采用GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》规定的标准试块钢模成型.浇筑完成的试块放在空调房中养护24h后拆模,随后放入标准养护室养护23d,再将试件放在温度为15~20℃的水中浸泡4d,所有试件都在同条件下养护和浸泡,以保证具有相同的初始强度.1.3试验设计与试验依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中快冻法试验制度,对各组试件分别进行25,50,75,100和125次冻融循环.达到设计的冻融循环次数后,按GB/T50081—2002进行力学性能试验.2冻融循环对拉力学性能的影响由于冻融100次以后,C20和C30级受拉试件破坏比较严重,所以对C20和C30级试件经过25,50和75次冻融循环后的受拉力学性能进行研究,对C40和C50级试件经过25,50,75,100和125次冻融循环后的受拉力学性能进行研究.对设计强度等级为C20的试件经过25,50和75次冻融循环后的受压性能进行研究.2.1c0和s10级混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的变化图1为各等级混凝土不同冻融循环次数后相对动弹性模量的试验结果.从图1可以看出:随着冻融循环次数增加,相对动弹性模量逐渐降低.当冻融循环次数达到25次时,C20和C30级混凝土动弹性模量下降了10%左右,C40和C50级混凝土相对动弹性模量下降了5%左右.当冻融循环次数达到75次时,强度最低的C20级混凝土动弹性模量损失率达到30%,而C50级混凝土动弹性模量损失率也达到25%左右.各等级混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的整体变化趋势表明:在冻融开始时,相对动弹性模量下降速度较快,因为混凝土中原有的初始缺陷在冻融过程中得以发展;这些初始缺陷扩展到一定程度后,将进入一段稳定期,无新的缺陷源产生,所以当冻融次数达到一定数值时,相对动弹性模量下降速度变慢;继续冻融,原有的初始缺陷将继续扩展,而且混凝土中产生了新的缺陷源,这些缺陷源也会随冻融次数继续增加不断扩展,从而导致相对动弹性模量的下降速度加大.2.2参数分析对力学性能的影响2.2.1混凝土力学性能图2为不同冻融循环次数后,各等级混凝土的受拉峰值应力试验值与相对动弹性模量的关系.从上述结果可以看出:随着相对动弹性模量的降低,受拉峰值应力呈明显的衰减,但变化关系是非线性的.在动弹性模量下降34%时,C20级混凝土受拉峰值应力下降了34%;在动弹性模量下降38%时,C50级混凝土受拉峰值应力下降了50%.根据上述数据,拟合出了受拉峰值应力ftD与相对动弹性模量P的变化关系函数:式中:ftD为冻融后混凝土受拉峰值应力;P为冻融后混凝土相对动弹性模量;fcu,m为未经冻融循环作用的混凝土立方体抗压强度平均值;a,b,c和d为未冻融混凝土立方体抗压强度fcu,m对ftD的影响参数,其中,2.2.2fcd模型中相对构建的接触问题图3为C20级混凝土冻融循环后相对受压峰值应力与相对动弹性模量之间的关系.由图3可知:冻融循环作用后,相对受压峰值应力与相对动弹性模量之间存在良好的线性关系,相对受压峰值应力随着相对动弹性模量的降低而减小,当动弹性模量下降了34%左右时,相对受压峰值应力下降了33%.根据图3中实测数据,拟合了相对受压峰值应力与相对动弹性模量的变化关系函数,即式中:fcD为经冻融循环作用后的混凝土单轴受压峰值应力;fc为未经冻融循环作用的混凝土单轴受压峰值应力.2.3变形能参数分析2.3.1动弹性模量的影响图4为在不同冻融循环次数下各等级混凝土的受拉峰值应变与相对动弹性模量的关系.从图4中可以看出:相同强度等级的条件下,随着相对动弹性模量的降低,混凝土试件的受拉峰值应变呈非常明显的下降趋势,且强度等级高的混凝土受拉峰值应变对动弹性模量的变化更敏感.动弹性模量下降33%时,C20级混凝土受拉峰值应变下降30%;动弹性模量下降32%时,C50级混凝土受拉峰值应变下降50%.根据上述数据拟合了受拉峰值应变与相对动弹性模量、抗压强度的关系,即式中:εtD为经冻融循环作用后的受拉峰值应变,10-6.2.3.2相对热弹性模量优选图5为C20级混凝土冻融循环后相对受压峰值应变与相对动弹性模量之间的关系.由图5可知:冻融循环作用后的相对受压峰值应变与相对动弹性模量之间存在良好的线性关系,受压峰值应变随着相对动弹性模量的降低而增大,当动弹性模量下降了34%左右时,受压峰值应变增大了60%.根据图5中实测数据,拟合了相对受压峰值应变与相对动弹性模量的变化关系函数,即式中:εcD为经冻融循环作用后的混凝土受压峰值应变,10-6;εc为未经冻融循环作用的混凝土受压峰值应变,10-6.2.3.3混凝土相对可抗压强度与极限应变的关系根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》附图C.2.3及附录C.2.4条规定,在应力-应变关系曲线下降段上,当应力(残余强度)减至0.5fc时(fc为混凝土棱柱体的单轴受压峰值应力),所对应的压应变为受压极限应变εc,u.图6为C20级混凝土冻融循环后相对受压极限应变与相对动弹性模量之间的关系.由图6可知:冻融循环作用后的相对受压极限应变与相对动弹性模量之间存在近似的线性关系,受压极限应变随着相对动弹性模量的降低而增大,当动弹性模量下降了34%左右时,受压极限应变增大了20%.根据图6中实测数据,拟合了相对受压极限应变与相对动弹性模量的变化关系函数为式中:εcD,u为经冻融循环作用后的混凝土受压极限应变,10-6;εc,u为未经冻融循环作用的混凝土受压极限应变,10-6.2.3.4冻融循环作用后混凝土受拉初始弹性模量的变化从加载开始到混凝土受拉峰值应力的40%~60%左右,应力σ和应变ε呈很好的比例关系,拉伸应力-应变关系曲线在此阶段为一直线,该直线的斜率即为混凝土的受拉初始弹性模量EtD0(见图7).取受拉峰值应力的50%(即σ=0.5ftD)所对应的割线模量作为混凝土受拉初始弹性模量,即式中:EtD0为经冻融循环作用后的混凝土受拉初始弹性模量;ε0D.5t为经冻融循环作用后与0.5ftD相应的拉伸应变.按照式(6)对不同冻融次数下各等级试件应力、应变数据进行处理,得到各种情况下受拉初始弹性模量与相对动弹性模量的关系,如图8所示.由图8可知:冻融循环作用后,混凝土受拉初始弹性模量随相对动弹性模量呈线性下降.在动弹性模量下降34%时,C20级混凝土受拉初始弹性模量下降了26%;而在动弹性模量下降32%时,C50级混凝土受拉初始弹性模量下降了26%.混凝土等级的提高增加了曲线斜率,但增加的幅度很小.综合上述公式,受拉初始弹性模量与相对动弹性模量、抗压强度fcu,m的关系式为式中:EDt0为冻融循环后的混凝土受拉初始弹性模量.3相对动弹性模量的影响1)建立了冻融循环作用下混凝土力学性能与相对动弹性模量关系的函数,可以依托相对动弹性模量的测定实现各性能参数的确定.2)受拉峰值应力随相对动弹性模量非线性变化;受拉峰值应变与相对动弹性模量呈