覃麗坤，宋宏偉，王秀偉

(大連民族學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 大連，116605)

中國(guó)北方寒冷地區(qū)水利工程和海洋工程中的混凝土結(jié)構(gòu)物，在冬季會(huì)遭受不同程度地凍融破壞。其中海工混凝土結(jié)構(gòu)還承受凍融循環(huán)與腐蝕介質(zhì)雙因素的共同作用，這是導(dǎo)致北方海工混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因［1-2］?；炷恋目箖鲂阅苁瞧淠途眯缘囊豁?xiàng)重要指標(biāo)［3-13］。目前，從國(guó)內(nèi)外的研究成果來(lái)看，對(duì)凍融循環(huán)及腐蝕介質(zhì)共同作用下混凝土的抗凍性能的研究，大多是針對(duì)質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量的研究，對(duì)材料強(qiáng)度損失的研究成果不多，導(dǎo)致對(duì)寒冷地區(qū)海水中混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的了解不夠充分，即沒(méi)有把結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)結(jié)合起來(lái)，理論研究滿(mǎn)足不了工程實(shí)際的發(fā)展變化。因此，開(kāi)展海水中引氣混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，對(duì)于準(zhǔn)確分析北方寒冷地區(qū)水利工程和海洋工程混凝土構(gòu)筑物的受力性能，不僅有理論上的意義，同時(shí)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)引氣混凝土凍融試件，分別在海水中進(jìn)行100、200、300、400 次凍融試驗(yàn)，測(cè)量相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率，檢驗(yàn)試件經(jīng)受不同凍融循環(huán)后的宏觀(guān)形態(tài)。凍融試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.1 試件設(shè)計(jì)

混凝土試件尺寸分別為100 ×100 ×100 mm、100×100×400 mm、150 ×150 ×150 mm。其中100×100 ×400 mm 和100 ×100 ×100 mm 的試件各分為五組，兩組用于凍融試驗(yàn)，另三組分別用于凍融前及凍融后的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn);150×150×150 mm 分為兩組，分別用于凍融前后的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。

水泥采用大連小野田水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的PO42.5R普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為中砂，粗骨料為碎石，最大粒徑為20 mm。引氣劑選用松香皂類(lèi)引氣劑，該引氣劑減水率≥6%，試配時(shí)采用8%，減水劑采用大連西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽系1210 型減水劑?；炷烈龤鈩搅繛樗噘|(zhì)量的0.01%。

試配混凝土塌落度選擇50 -70 mm，含氣量4-6%，最大水灰比≤0.5。試件按照試配后的配合比澆筑，攪拌3 min 后出料，在鐵板上翻拌2 -3次后測(cè)量含氣量及塌落度。表1 為混凝土每立方米的配合比及性能指標(biāo)。由于試驗(yàn)周期長(zhǎng)，引氣劑摻量隨澆筑的的條件進(jìn)行微調(diào)。表中除含氣量以外，其余數(shù)據(jù)為各批試件的平均值。

試件用鋼模成型，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)，棱柱體試件采用臥式成型。成型后覆蓋表面，防止水分蒸發(fā)，在室溫為20 ±5℃情況下靜置一至二晝夜，然后編號(hào)拆模。脫模后混凝土試件在20 ±3℃的不流動(dòng)水中養(yǎng)護(hù)，水的PH 值不小于7，養(yǎng)護(hù)90 天以后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。同批次凍融試件和對(duì)比試件同時(shí)澆注。

表1 引氣混凝土配合比表(每m3 用量)

1.2 試驗(yàn)方法

凍融試驗(yàn)是利用TDRF -1 型混凝土自動(dòng)快速凍融試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。凍融試驗(yàn):在海水中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用“快凍法”進(jìn)行。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 天后開(kāi)始試驗(yàn)，提前4 d 將試件浸泡在溫度為15 -20 ℃的海水中，設(shè)定凍融循環(huán)時(shí)間為2.5 h，(其中用于融化的時(shí)間不小于整個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間的1/4);控制凍結(jié)和融化終了時(shí)的試件中心溫度分別為-17 ±2 ℃和82 ℃。每50 次凍融循環(huán)測(cè)一次動(dòng)彈性模量及試件質(zhì)量。

力學(xué)性能試驗(yàn):試驗(yàn)前將試件表面的殘留水份擦干，按照普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法，在電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行混凝土立方體單軸抗壓試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

引氣混凝土在海水中經(jīng)過(guò)100 次、400 次凍融循環(huán)后的照片如圖1。經(jīng)凍融循環(huán)后，試件表面出現(xiàn)層狀破損，開(kāi)始疏松并逐漸剝落，表面剝落程度隨著凍融次數(shù)的增加逐漸加重。如經(jīng)過(guò)100 次凍融循環(huán)后，引氣混凝土表面砂漿稍有剝離，但當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到400 次時(shí)，混凝土表面粗骨料處的砂漿開(kāi)始脫落，并與砂漿產(chǎn)生明顯的分離，在部分表面，可見(jiàn)砂漿與粗骨料交界處有細(xì)裂縫產(chǎn)生。

圖1 經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)后引氣混凝土試件的宏觀(guān)形態(tài)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量損失

按照前述凍融試驗(yàn)方法，量測(cè)海水中凍融循環(huán)后引氣混凝土試件的動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失。測(cè)得的引氣混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量平均值見(jiàn)表2。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后引氣混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量平均值

由表2 可見(jiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，引氣混凝土的動(dòng)彈性模量降低。在400 次凍融循環(huán)后，混凝土試件尚有抵抗更多次凍融循環(huán)的能力，其中，第二組動(dòng)彈性模量下降很少。引氣混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)如圖2，N 為凍融次數(shù)。

圖2 引氣混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

試驗(yàn)測(cè)得的引氣混凝土在海水中經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量見(jiàn)表3。由表可見(jiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，引氣混凝土的質(zhì)量降低。在400次凍融循環(huán)后，兩組引氣混凝土試件的質(zhì)量損失分別為3.52%和3.64%;引氣混凝土試件的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化趨勢(shì)如圖3，N 為凍融次數(shù)。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后引氣混凝土的質(zhì)量

圖3 引氣混凝土試件的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系

按照前述試驗(yàn)方法對(duì)在海水中凍融后的混凝土進(jìn)行單軸壓的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、100、200、300、400 次，試件為100 ×100 ×100 mm 的立方體，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

由表4 可見(jiàn)，引氣混凝土在滿(mǎn)足抗凍等級(jí)的條件下，立方體抗壓強(qiáng)度有非常明顯的下降。如引氣混凝土經(jīng)受400 次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈模平均降為94.80 %，質(zhì)量損失為3.58 %，而抗壓強(qiáng)度平均值已降為21.50 MPa，為凍融循環(huán)前的48.20 %。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)海水中引氣混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且下降的趨勢(shì)近似為線(xiàn)性關(guān)系，以線(xiàn)性回歸方程表達(dá)立方體抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系:

凍融循環(huán)后100 ×100 ×100 mm 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值與按式(1)的計(jì)算值擬合曲線(xiàn)對(duì)比情況如圖4。與式(1)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合較好。

圖4 實(shí)測(cè)值式(1)計(jì)算值與的對(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)海水中的引氣混凝土進(jìn)行了凍融循環(huán)后的性能試驗(yàn)。對(duì)凍融循環(huán)后的混凝土試件進(jìn)行宏觀(guān)分析，并進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

(1)在滿(mǎn)足抗凍等級(jí)的前提下，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加有較大程度的下降，在工程中應(yīng)引起足夠的重視。

(2)經(jīng)400 次凍融循環(huán)后，海水中引氣混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量均有不同程度降低?？偨Y(jié)了海水中引氣混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低的規(guī)律。

(3)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，海水中引氣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度下降的規(guī)律近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

(4)建立了海水中引氣混凝土凍融循環(huán)后立方體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，便于工程應(yīng)用。

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