冻融对混凝土受拉性能的影响

冻融对混凝土受拉性能的影响

混凝土结构是现代土木工程中常见的结构形式，也是中国基础设施建设的主导结构。随着混凝土结构领域的不断扩大，服务环境变得越来越复杂。混凝土的不完全破碎是一个不可避免的过程。作为主要的不利因素之一，冻容破坏一开始也会产生负面影响。目前,国内外学者主要研究在冻融循环作用下混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗折强度、抗拉强度、相对动弹性模量以及质量损失等力学性能,在混凝土的拉压、多轴强度方面虽然也有一定的研究成果,但是对抗拉强度方面的研究仅仅局限在单一因素上,而且几乎没有关于混凝土经过冻融后抗拉强度与劈拉强度关系的研究.众所周知,混凝土的抗拉强度和受拉变形特征是其基本的力学性能之一.它既是研究混凝土强度理论和破坏机理的一个重要组成部分,又直接影响钢筋混凝土结构的裂缝宽度和刚度计算.虽然混凝土的抗拉作用在承载力计算时是被忽略的,但在冻融环境中,带裂缝工作的混凝土结构耐久性将急剧下降.因此,开展冻融循环后混凝土受拉性能的研究,对丰富冻融环境下混凝土结构的设计理论以及在役结构的耐久性评价,都具有十分重要的意义.本文对经受冻融循环作用的不同等级混凝土试块进行静弹性模量、受拉峰值应力以及劈拉强度的试验研究,建立了相应的计算模型.1试验总结1.1节点卡具设计本文在设计试件尺寸时,考虑到端部效应,对试件中间部分进行了面积消减,轴拉试件尺寸及断面图如图1所示.在设计端部连接方式时,为实现轴心抗拉,使应力均匀分布,在抗拉试件两端部预埋4根ϕ12×150mm的钢筋,将外露的钢筋部分绞成螺纹,方便试验操作.根据试件形状和端头钢筋螺杆的埋设位置,制作卡具,卡具底板上预留的圆形孔大于螺杆直径,以方便调整卡具相对于试件横截面的位置,保证试件两端的拉力在同一条直线上.卡具内部连接通过类似吊环的形式来完成,这样可以尽量消除夹具所带来的弯矩,最大程度地实现轴心受拉.1.2外加剂的减水率混凝土试块采用P·O42.5水泥、5～31.5mm的碎石以及细度模数为2.88的中砂.强度设计等级分为4个:C20,C30,C40及C50,材料配合比如表1所示.混凝土配制过程中加入了适量减水剂,以有效控制新拌混凝土的工作性.本次试验所用外加剂有3种:(a)山西红化工材料有限司生产的RT-B3型减水剂,减水率为18.3%;(b)南京博特新材料有限公司生产的JM-9型减水剂,减水率为21.4%;(c)南京博特新材料有限公司生产的JM-PCA型减水剂,减水率为26.2%;具体参数见表1.在混凝土搅拌过程中加入减水剂,试块浇筑、养护结束后,用气压式含气量测定仪测得搅拌后混凝土的含气量见表1.在含气量小于4%(体积分数)的范围内,混凝土的抗冻性能随着含气量的增加有明显的提高,而对混凝土强度的影响很小.粉煤灰的掺量为11%～22%(质量分数,下同).掺入粉煤灰会降低混凝土的早期强度,但对后期强度起到提高作用.在粉煤灰掺量小于30%时,随着粉煤灰的增加,混凝土的耐久性系数有一定程度的增加.1.3混凝土抗压强度由于抗拉试件的非标准性,所以采用木模板成型,立方体试件则采用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.浇注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15～20℃的水中浸泡4d.所有试件都在同条件下养护和浸泡,直至冻融试验阶段,以保证它们具有相同的初始强度.正式加载试验前,测得混凝土立方体抗压强度fcu,m如表2所示.从表2可见:C20强度富裕量充足,C30,C40强度富裕量基本满足要求,只有C50强度富裕量存在不足.故本文以实测强度作为拟合依据,结果适用的混凝土抗压强度范围为29.1～50.7MPa.1.4试验制度及设备依据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及125次冻融循环.轴心受拉试验和劈拉试验按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行.2冻融循环试验由于冻融100次以后,C20,C30试件出现了断裂,所以只对C20,C30级试件进行25,50及75次冻融循环,对C40,C50混凝土则进行25,50,75,100及125次冻融循环.试验主要通过测定受拉构件的拉伸来得到混凝土冻融后的受拉峰值应力、受拉峰值应变以及受拉静弹性模量,并通过立方体试件的劈拉试验,研究经过冻融循环后混凝土的受拉峰值应力与劈拉强度的关系.2.1参数分析对力学性能的影响2.1.1冻融循环作用下的混凝土受拉峰值应力混凝土试件受拉峰值应力ft,D与冻融循环次数N的关系,如图2所示.由图2可见,在相同强度等级的条件下,随冻融循环次数的增加,混凝土试件的受拉峰值应力呈明显下降趋势.冻融循环次数达到25次时,各等级试件受拉峰值应力下降了10%左右;冻融循环次数达到75次时,C20,C30试件受拉峰值应力迅速下降了35%;在冻融循环125次时,C40和C50试件受拉峰值应力下降了50%.这是由于经过冻融循环后,毛细孔中的冰晶挤压毛细孔壁产生压力,使部分毛细孔结构破裂,抗拉强度降低.综合上述数据,拟合的混凝土受拉峰值应力与冻融循环次数、立方体抗压强度关系式为:ft,D=1.07e0.019fcu,m-0.01N,R=0.974(1)式中:R为相关系数.图2给出了拟合公式的曲线,可以看出,拟合曲线与试验数据符合得很好.商怀帅等在文献中通过对fcu,m=34.2MPa的混凝土(含气量约为1%～2%)进行试验,给出了相对受拉峰值应力与冻融循环次数的关系式为:ft‚Dft={1−0.023N(0≤N＜25)0.475−0.0022N(N≥25)(2)ft‚Dft={1-0.023Ν(0≤Ν＜25)0.475-0.0022Ν(Ν≥25)(2)将fcu,m=34.2MPa代入式(1),ft=3.14MPa(文献中实测初始抗拉强度)代入式(2),则式(1)和式(2)对应的拟合曲线对比结果如图3所示.由图3可见,2条拟合曲线在受拉峰值应力初始值处有些差异,但在25次冻融循环作用后,两者变化趋势接近.这也说明增大含气量对混凝土的抗冻性起到了正面增强作用,减小了冻融后受拉峰值应力下降的幅度.2.1.2冻融循环次数对混凝土抗压强度的影响各强度等级的混凝土在不同冻融循环次数下的受拉峰值应变εt,D与冻融循环次数的关系如图4所示.由图4可以看出:在相同强度等级下,随冻融循环次数的增加,混凝土试件的受拉峰值应变呈明显的下降趋势.究其原因有二:一是受拉峰值应力降低的影响;二是冻融作用导致试块内部微裂缝增多和裂纹扩展速度增大,加快了内部裂缝发展进程.根据上述试验数据拟合出了混凝土受拉峰值应变与冻融循环次数、立方体抗压强度的关系式:1.3fcu,m+60.02,R=0.981(3)从图4给出的拟合公式曲线,可以看出拟合结果与试验结果符合较好.商怀帅等在文献中通过对fcu,m=34.2MPa的混凝土(含气量约为1%～2%)进行试验,给出了受拉峰值应变与冻融循环次数的关系式:εt,D=(0.015-0.0000908N)×10-2(4)将fcu,m=34.2MPa代入式(3),可得到式(3)与式(4)对应的拟合曲线,见图5.由图5可以看出:由于式(4)只是针对单一强度得到的,并没有考虑到强度等级的影响,所以当冻融循环次数为0时,2条曲线的初始受拉峰值应变有一定的差距,但它们的整体趋势是相同的.2条曲线峰值应变的大小差异说明:经过相同冻融循环次数后,含气量的增大减缓了混凝土单轴受拉峰值应变减小的速度,且随着冻融循环次数的增多,减缓的效果也逐渐减小.2.1.3冻融作用对混凝土受拉静弹性模量的影响本文以50%受拉峰值应力处(即σ=0.5ft,D)的割线模量作为混凝土受拉静弹性模量Et0,D(GPa),其实测结果见图6.结果表明:各等级混凝土的受拉静弹性模量随冻融循环次数的增加呈近似线性趋势下降,C20混凝土的受拉静弹性模量经75次冻融后降低了26%左右,在冻融次数达到125次时,强度等级最高的C50混凝土受拉静弹性模量降低了27%.但从总体变化趋势看,高强度等级的混凝土受拉静弹性模量下降较平缓,说明强度等级提高对混凝土抵抗冻融破坏有一定积极作用.从受拉静弹性模量的定义也可以看出:受拉静弹性模量随冻融作用下降,说明受拉应力的下降速度超过受拉应变,对冻融作用更为敏感一些.综合上述数据,拟合的混凝土受拉静弹性模量与冻融循环次数、立方体抗压强度的关系式为:Et0,D=-(0.0013fcu,m+0.13)N+0.15fcu,m-22.33,R=0.968(5)图6给出了拟合曲线,可见,拟合结果与试验结果符合较好.2.2混凝土受拉峰值应力与建立拉峰值应力、建立拉拉强度关系劈拉试验在设备和技术上都易于实施,因此建立劈拉强度与受拉峰值应力的关系很有意义.表3为冻融后混凝土劈拉强度fst,D实测结果.图7为受拉峰值应力与劈拉强度的关系曲线.由图2及表3可以看出:冻融后受拉峰值应力ft,D、劈拉强度fst,D都有明显降低,而且不同等级的混凝土受拉峰值应力ft,D与劈拉强度fst,D的衰减速度非常接近.综上所述,混凝土受拉峰值应力与劈拉强度、立方体抗压强度的拟合关系为:ft,D=(0.005fcu,m+0.65)fst,D-(0.021fcu,m-0.45),R=0.953(6)由图7可明显看出,受拉峰值应力与劈拉强度呈近似线性关系.从相关系数可以看出,将其关系看作线性,拟合曲线与试验数据符合得较好.3冻融前后混凝土应力的变化(1)随着冻融循环次数的增加,混凝土受拉力学性能下降程度逐渐加大,强度等级越高,该下降趋势越缓慢,这表明提高混凝土强度等级对抵抗冻融破坏是有利的.(2)含气量的提高减缓了混凝土单轴受拉峰值应力和单轴受压应力的衰减速