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        環(huán)境對混凝土冷縫力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

        2017-05-30 16:55:30鐵新納李立青袁群李宗坤
        人民黃河 2017年9期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        鐵新納 李立青 袁群 李宗坤

        摘要:為系統(tǒng)研究冷縫對混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,針對氣溫、澆筑時(shí)間間隔等因素,以帶冷縫面的混凝土試件為研究對象,進(jìn)行抗折、劈裂、抗?jié)B、抗凍性能的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,冷縫的存在顯著降低了混凝土的抗折和劈拉強(qiáng)度;澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)秋季冷縫面的抗折、劈拉強(qiáng)度最高,夏季次之,冬季最低;混凝土冷縫面的抗折和劈拉強(qiáng)度及抗?jié)B、抗凍性能總體上均隨澆筑時(shí)間間隔的增加呈減弱趨勢,不同的是抗折和劈拉強(qiáng)度在混凝土初凝時(shí)間與終凝時(shí)間之間存在最劣點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞:混凝土冷縫;力學(xué)性能;最劣點(diǎn);澆筑時(shí)間間隔;養(yǎng)護(hù)條件

        混凝土澆筑特別是大體積水工混凝土澆筑過程中,時(shí)常因意外停電、機(jī)械設(shè)備損壞等而澆筑中斷,若中斷時(shí)間超過混凝土的初凝時(shí)問且澆筑面沒有適當(dāng)處理,則將在兩期混凝土之問形成厚度很薄的冷縫面。已有資料表明,一般情況下冷縫面處混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度較低,對結(jié)構(gòu)的劈裂、抗?jié)B、抗折等性能損害嚴(yán)重,是影響結(jié)構(gòu)安全的病害面。目前已有學(xué)者針對冷縫病害狀況進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固研究。酷暑期混凝土澆筑過程中冷縫面處強(qiáng)度降低顯著的試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度對混凝土冷縫面的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響??紤]到我國地域廣闊,南北方溫度差異明顯,氣候條件同樣會(huì)對混凝土冷縫面的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。為此,本文綜合考慮混凝土澆筑時(shí)間間隔、澆筑溫度等影響因素,通過抗折、劈裂、抗凍、抗?jié)B試驗(yàn)研究冷縫面對混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,以期為帶冷縫混凝土結(jié)構(gòu)可靠性的評估及補(bǔ)強(qiáng)加固提供技術(shù)支持。

        1試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

        1.1試驗(yàn)原材料

        (1)水泥。選用P·0 32.5級普通硅酸鹽水泥,其物理性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

        (2)集料。粗集料為粒徑4.75-31.50 mm的石灰石質(zhì)碎石;細(xì)集料為普通河砂,屬Ⅱ區(qū)中砂。粗、細(xì)集料直接取自工地,其各項(xiàng)物理性能指標(biāo)滿足混凝土配制要求。

        (3)水。水為生活用自來水,不含對混凝土性能有負(fù)面影響的有害成分。

        (4)混凝土配合比設(shè)計(jì)?;炷敛捎闷毡閼?yīng)用的C25混凝土,其配合比為水泥:水:砂:石=1.00:0.49:2.06:3.14。

        1.2試驗(yàn)方法

        參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試件的制作和力學(xué)性能測試。試驗(yàn)地點(diǎn)在河南省鄭州市,分夏、秋、冬三個(gè)時(shí)段進(jìn)行,夏季在7月中下旬、秋季在10月中下旬、冬季在12月中下旬。試件澆筑時(shí)各季節(jié)的平均氣溫分別為33.2、18.6、-2.5℃。養(yǎng)護(hù)方式為自然養(yǎng)護(hù),分別于夏季、秋季、冬季測試混凝土的初凝時(shí)間與終凝時(shí)間。測試結(jié)果表明,3種環(huán)境下混凝土的初凝時(shí)間相差不超過15 min,終凝時(shí)間相差不顯著。為便于后期的數(shù)據(jù)處理,混凝土試件制作過程中均取混凝土的初凝時(shí)間為3 h,終凝時(shí)間為6 h。為系統(tǒng)研究澆筑時(shí)間間隔對混凝土冷縫面力學(xué)性能的影響,選取先后兩期混凝土澆筑時(shí)間間隔分別為1.5、3.0、4.5、6.0、24.0 h。先澆筑試件的第1部分,振搗密實(shí),不涂刷任何界面劑,達(dá)到指定的時(shí)間問隔后再澆筑第2部分混凝土;同時(shí)澆筑一組整體試件作為參照樣。此外,預(yù)留一組尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,以測定混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度。試件澆筑完畢立即運(yùn)往室外,24 h后拆模,灑水養(yǎng)護(hù)7 d,然后自然養(yǎng)護(hù)至28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

        抗折、抗凍試件的尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm:劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm;抗?jié)B試件為復(fù)合圓臺(tái)體,上底直徑為175mm、下底直徑為185 mm、高為150 mm。

        2試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1混凝土冷縫面的抗折強(qiáng)度

        抗折試件制備時(shí)將冷縫設(shè)在中間,試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對稱加載方式(見圖1)。

        圖2為澆筑時(shí)間間隔與混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與28d抗壓強(qiáng)度比值的關(guān)系曲線。由圖2可知,混凝土冷縫面的抗折強(qiáng)度受澆筑時(shí)季節(jié)氣溫、澆筑時(shí)間間隔影響很大。

        (1)夏季、秋季、冬季未設(shè)冷縫的參照試件28 d抗折強(qiáng)度分別為4.17、3.45、2.06 MPa,夏季澆筑的混凝土28 d抗折強(qiáng)度最高,表明氣溫高的夏季混凝土強(qiáng)度發(fā)展快,冬季氣溫較低時(shí)強(qiáng)度發(fā)展變緩。這與混凝土的凝結(jié)硬化速度受溫度影響一致,溫度越高,強(qiáng)度發(fā)展越快。

        (2)澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)基本上是秋季混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值最高,夏季次之,冬季最低。超過終凝時(shí)間后形成冷縫試件的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨混凝土澆筑時(shí)間間隔的變化不大,影響趨于穩(wěn)定:時(shí)間間隔超過1 d后,可按新老混凝土黏結(jié)面對待。這與文獻(xiàn)的結(jié)論基本一致:兩期混凝土的澆筑時(shí)間間隔超過一定時(shí)間后,間隔時(shí)間的長短對黏結(jié)強(qiáng)度的影響不太顯著。

        (3)隨澆筑時(shí)間間隔遞增,夏季、秋季混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值整體呈現(xiàn)先降低而后稍有增高的趨勢。該現(xiàn)象說明存在最劣點(diǎn),即在該時(shí)間間隔點(diǎn)澆筑后期混凝土?xí)r抗折強(qiáng)度下降率達(dá)到最大值,在該時(shí)間間隔點(diǎn)最不宜澆筑新混凝土。本試驗(yàn)中該間隔點(diǎn)位于混凝土的初凝和終凝之間。原因分析如下:先澆混凝土初凝后其結(jié)構(gòu)內(nèi)部已形成了初期的C-S-H凝膠和鈣礬石等網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu),后期混凝土澆筑時(shí)的振搗會(huì)在一定程度上破壞先澆混凝土形成的強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu),致使兩期混凝土接觸面處的黏結(jié)強(qiáng)度大幅降低,從而影響到試件的抗折強(qiáng)度。冬季混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨澆筑時(shí)間間隔的增加變化不顯著。

        2.2混凝土冷縫面的劈裂抗拉強(qiáng)度

        劈裂試件制備時(shí),冷縫面設(shè)置在試件中部且呈水平方向,澆筑及加載示意見圖3。

        圖4為澆筑時(shí)間間隔與混凝土冷縫面劈裂強(qiáng)度與28 d抗壓強(qiáng)度比值的關(guān)系曲線。由圖4可知,澆筑時(shí)間間隔相同時(shí),混凝土冷縫面的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值的發(fā)展趨勢和抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值的趨勢相近,秋季最高,夏季稍低,冬季最低。從降低率來看,夏季冷縫面比值的最大降低率為61.0%;秋季冷縫面受澆筑時(shí)間間隔的影響相對較小,最大降低率為38.1%;冬季冷縫面的最大降低率為33.0%。冬季兩期混凝土黏結(jié)面的劈裂強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度發(fā)展趨勢較為相似,在研究范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯最劣點(diǎn)。原因在于,冬季低溫下室外混凝土初凝時(shí)問稍有延緩,澆筑時(shí)間間隔較短時(shí)先澆混凝土形成的強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu)較弱,與后澆混凝土的水化進(jìn)程相差不顯著,故而黏結(jié)面強(qiáng)度下降不明顯:澆筑時(shí)間間隔較長時(shí)兩期混凝土水化進(jìn)程相差較大,致使冷縫面強(qiáng)度下降顯著,然而先澆混凝土長時(shí)間置于寒冷空氣中已被凍實(shí),后期混凝土澆筑過程的振搗對先澆混凝土形成強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu)的影響不明顯,故而未出現(xiàn)明顯最劣點(diǎn)。

        2.3混凝土冷縫面的抗凍性

        抗凍試件的制作與抗折試件相同。養(yǎng)護(hù)至28 d,按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中速凍法在混凝土自動(dòng)快速凍融設(shè)備上試驗(yàn)。因混凝土未摻加外加劑,抗凍性能總體較差,經(jīng)10次凍融循環(huán)后試件表面剝落嚴(yán)重,自振頻率很不穩(wěn)定,且時(shí)常有試件從冷縫面處斷開,故而采用試件的質(zhì)量損失率超過5%,或從冷縫面處斷開時(shí)的循環(huán)次數(shù)作為判斷試件破壞的依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。由圖5可知,澆筑時(shí)間間隔分別為0、1.5、3.0、4.5、6.0 h時(shí)每組試件抗凍融循環(huán)次數(shù)的平均值分別為30.0、23.3、25.0、21.7、21.7?;炷晾淇p面的抗凍性比參照混凝土差,且隨著澆筑時(shí)間間隔的增加,帶有冷縫面混凝土試件的抗凍性能逐漸降低,試件的破壞形式不再以質(zhì)量損失率作為衡量標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)而由混凝土在冷縫面處被凍斷的循環(huán)次數(shù)控制。由此可見,冷縫的存在顯著降低了試件的抗凍性能。

        圖6為夏季、秋季、冬季混凝土冷縫面抗凍性能與澆筑時(shí)間間隔的關(guān)系。由圖6可知,季節(jié)(溫度)對各階段冷縫面的抗凍性能影響顯著,混凝土澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)秋季冷縫面的抗凍性能最好,夏季次之,冬季最差。隨著混凝土澆筑時(shí)間間隔的增加,各季節(jié)帶冷縫試件的抗凍性能整體呈下降趨勢。

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