不同類型混凝土凍融損傷比較研究

田肖 陳升平

摘要：抗凍性差是混凝土在低溫工程實(shí)踐中破壞的主要原因，為研究混凝土凍融損傷特性，文章對(duì)素混凝土、鋼纖維混凝土、鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土、礦渣粉煤灰混凝土以及礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土進(jìn)行了快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，并測(cè)量了凍融后混凝土的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈性模量。并比較了基于以抗壓強(qiáng)度和相當(dāng)動(dòng)彈模衰減作為損傷變量的凍融損傷模型，數(shù)據(jù)表明以相對(duì)動(dòng)彈模為損傷變量建立的模型能更好的表征混凝土的凍融損傷程度。

Abstract： Concrete will be damaged due to poor frost resistance in low temperature engineering practice. In order to research the damage characteristics of concrete during freeze-thaw and improve the frost resistance of concrete， the rapid freeze-thaw cycle test of plain concrete， steel fiber concrete， steel polypropylene hybrid fiber concrete， slag fly ash concrete and slag fly ash steel fiber concrete were conducted in this paper. The quality loss rate， compressive strength and dynamic modulus of elasticity were measured.? Two different freeze-thaw damage model of concrete were ompared. One was based on the changes of dynamic elastic modulus， and the other was based on? ?the changes of compressive strength. Rresults show that the quadratic polynomial damage model based on relative dynamic modulus of elasticity can better reflect the freeze-thaw damage degree of concrete.

關(guān)鍵詞：混凝土;動(dòng)彈性模量;凍融循環(huán);凍融損傷模型

Key words： concrete;dynamic elastic modulus;freeze-thaw cycle;freeze-thaw damage model

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）27-0154-03

0? 引言

目前，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者們都對(duì)不同類型的混凝土的抗凍性[1，2，3]都有所研究。付亞偉[4]等人對(duì)高性能堿礦渣混凝土（ASC）進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，建立了以相對(duì)動(dòng)彈模量為損傷變量的ASC凍融損傷模型，發(fā)現(xiàn)以相對(duì)動(dòng)彈模衰減的冪指數(shù)模型能夠良好地反映ASC的凍融損傷程度。Jiangchuan Li[5]基于Weibull概率法，以質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量為損傷變量建立了鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土凍融損傷模型并分析其凍融耐久性，所建立的函數(shù)關(guān)系可以直接反映混凝土耐久性與凍融循環(huán)的關(guān)系。文章五組不同混凝土的凍融損傷規(guī)律進(jìn)行了研究，并建立以動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度為變量的凍融損傷模型。

1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及配合比

本次試驗(yàn)制作了5組混凝土試件，分別為：素混凝土（OC）、礦渣-粉煤灰混凝土（KC）、鋼纖維混凝土（SC）、礦渣-粉煤灰鋼纖維混凝土（KSC）和鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土（PSC）。

本次試驗(yàn)采用的水泥：武漢三峽牌普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）。粗骨料：級(jí)配良好的碎石（5-20mm）。細(xì)骨料：級(jí)配良好的中砂。纖維各項(xiàng)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)用到的混凝土試塊均按照規(guī)范所要求的制作步驟制作完成，所有凍融試驗(yàn)均在試塊養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行。凍融試驗(yàn)使用快凍法，所有試驗(yàn)在TDRF-1AF型快凍試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)試件共兩大類，第一類試件為立方體（100mm×100mm×100mm）用于測(cè)定抗壓強(qiáng)度;第二類試件為棱柱體試件（100mm×100mm×400mm）用于測(cè)量質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量。每?jī)鋈谘h(huán)25次就記錄一次，最高凍融次數(shù)為200次。

2? 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 混凝土在凍融循環(huán)下的損傷機(jī)理

在凍融循環(huán)時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生膨脹和滲透兩種壓力而使混凝土破壞?；炷猎谒柡蜖顟B(tài)下，達(dá)到結(jié)冰溫度時(shí)，毛細(xì)孔和膠凝孔中結(jié)成冰，使其發(fā)生膨脹;此外，由于膠凝孔中水分子向受壓毛細(xì)孔中滲透，這樣混凝土中的細(xì)小孔壁同時(shí)受到膨脹和滲透2種壓力[6]，而混凝土試件在制作的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些小裂縫，隨著凍融試驗(yàn)的進(jìn)行，小裂縫在膨脹力與滲透力的反復(fù)作用下變成大裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐漸降低，最終使其破壞。

礦渣粉煤灰具有一定的密實(shí)效應(yīng)?；炷羶?nèi)一部分粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)生成具有膠凝性質(zhì)的物質(zhì)并進(jìn)一步填充、細(xì)化孔隙，提高混凝土的抗?jié)B能力[7]。鋼纖維的摻入，能與材料充分黏結(jié)，當(dāng)試件受凍膨脹時(shí)，鋼纖維能承擔(dān)一部分拉應(yīng)力作用，延緩裂縫的產(chǎn)生，聚丙烯纖維用來(lái)改善混凝土結(jié)構(gòu)，延緩結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，起到了引氣劑的作用。

2.2 質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量

對(duì)于凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)后混凝土外表層剝落的現(xiàn)象，最直觀的方法是通過(guò)混凝土試件的質(zhì)量損失來(lái)進(jìn)行描述，一般用公式（1）計(jì)算：

（1）

每?jī)鋈谘h(huán)25次時(shí)，用動(dòng)彈性模量測(cè)量?jī)x測(cè)量試件的橫向基頻，計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可用試件共振頻率之比計(jì)算。計(jì)算公式如下：

（2）

具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2反映出了5組混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加的變化。在凍融次數(shù)為25次時(shí)，部分組混凝土的質(zhì)量損失率為負(fù)數(shù)，這是由于在試驗(yàn)初期，混凝土自身質(zhì)量損失還很小，混凝土在制作中不可避免會(huì)存在一些裂縫和孔隙，而裂縫和孔隙在一定程度上的增長(zhǎng)會(huì)吸收水，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部吸收的水的質(zhì)量超過(guò)損失的質(zhì)量，從而造成這種現(xiàn)象?？梢钥闯龅V渣鋼纖維混凝土的質(zhì)量損失率僅為0.9%，則從質(zhì)量損失率這一項(xiàng)來(lái)看，礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土的抗凍性最好。各組的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)的次數(shù)呈反比例關(guān)系，當(dāng)凍融次數(shù)相同時(shí)，從相對(duì)動(dòng)彈性模量這一項(xiàng)來(lái)看，礦渣粉煤灰混凝土抗凍性最好。

2.3 抗壓強(qiáng)度衰減

從表3可以看出從左至右200次凍融循環(huán)每一組的抗壓強(qiáng)度降低率分別為51%、38%、14%、0.1%、34%。礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土在200次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失率僅為0.1%，抗凍性最好。

3? 凍融損傷模型

在凍融循環(huán)次數(shù)為25時(shí)，部分組的質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)現(xiàn)象，而且在200次凍融循環(huán)試驗(yàn)后礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土質(zhì)量損失率不到1%，這種情況可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成較大誤差，故采用相對(duì)動(dòng)彈性模量為損傷變量來(lái)評(píng)估混凝土耐久性。對(duì)于凍融循環(huán)對(duì)混凝土造成的損傷程度，一般是利用動(dòng)彈性模量為變量的損傷值DE來(lái)定義，凍融損傷度計(jì)算公式如下：

（3）

按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，可繪制關(guān)系曲線如圖1所示。

從圖中可以看出鋼-聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的凍融損傷度均小于素混凝土，鋼纖維混凝土的與礦渣粉煤灰混凝土相差無(wú)幾。礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土凍融損傷度最小，抗凍性能最優(yōu)。

抗壓強(qiáng)度是綜合評(píng)價(jià)混凝土重要指標(biāo)，為研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，可定義抗壓強(qiáng)度損傷變量為下式：

（4）

式中fcn為混凝土在n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，fc0為混凝土在開(kāi)始凍融循環(huán)前的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算繪制Dc與凍融次數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，素混凝土的凍融損傷度最大，礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土的最小。圖中可見(jiàn)線KC和線PSC出現(xiàn)了交點(diǎn)，所以以抗壓強(qiáng)度來(lái)定義的凍融損傷度不能準(zhǔn)確的反映5組試件損傷程度。

本文采用二次多項(xiàng)式凍融損傷度模型即：D=XN2+YN+Z，N為凍融循環(huán)次數(shù)，對(duì)分別以相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度定義的損傷度進(jìn)行擬合分析，得到模型如表4、表5所示。

從表中可以看出，相對(duì)動(dòng)彈性模量為損傷變量所構(gòu)建的五組混凝土凍融損傷模型相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，可見(jiàn)基于相對(duì)動(dòng)彈性模量擬合的二次多項(xiàng)式衰減模型對(duì)混凝土的凍融損傷規(guī)律的預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)。

4? 結(jié)論

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，素混凝土的質(zhì)量損失率大于其他四組，相對(duì)動(dòng)彈性模量小于其他四組，從這兩項(xiàng)指標(biāo)可以得出，礦渣粉煤灰的摻入對(duì)混凝土抗凍性提高有促進(jìn)作用;摻入鋼和玄武巖混雜纖維效果優(yōu)于單摻鋼纖維;礦渣粉煤灰和鋼纖維搭配的效果最優(yōu)。

隨著凍融次數(shù)的增加，鋼纖維和礦渣粉煤灰的摻入對(duì)改善混凝土抗凍融能力的效果更好。

采用二次多項(xiàng)式模型構(gòu)建混凝土凍融損傷度模型能較好的反映混凝土的凍融損傷程度，尤其是以動(dòng)彈性模量為損傷變量的混凝土凍融損傷模型，各組相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99以上，能對(duì)混凝土的凍融損傷規(guī)律起到較好的預(yù)測(cè)作用。

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