杜 秀

(新疆維吾爾自治區(qū)烏蘇市水利局, 新疆 烏蘇 833000)

凍融作用下防滲渠道混凝土力學(xué)特性探討

杜 秀

(新疆維吾爾自治區(qū)烏蘇市水利局, 新疆 烏蘇 833000)

目前中國(guó)正加緊高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田配套設(shè)施建設(shè)，受季節(jié)性凍融循環(huán)作用，防滲渠道可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低、滲透性增大等病害。為探討防滲渠道混凝土強(qiáng)度、變形以及滲透特性與凍融循環(huán)的關(guān)系，本文對(duì)防滲渠道混凝土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明，凍融循環(huán)作用顯著降低了防滲渠道混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B能力，當(dāng)其經(jīng)過100次凍融循環(huán)時(shí)，混凝土強(qiáng)度降低了一半。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率增大，其抗?jié)B性能降低，這是由于凍融作用增大了混凝土內(nèi)部的孔隙所導(dǎo)致的。

防滲渠道； 凍融循環(huán)； 混凝土； 強(qiáng)度

工程中把混凝土的抗凍性作為評(píng)判混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，這是因?yàn)樵谥袊?guó)北方地區(qū)，冬季都有凍結(jié)期，受凍害影響嚴(yán)重。為保證糧食質(zhì)量，目前中國(guó)正加緊高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田配套設(shè)施建設(shè)，其中防滲渠道是重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。受凍融循環(huán)作用，防滲渠道混凝土?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度降低、滲透系數(shù)增大等問題，因此對(duì)防滲渠道混凝土抗凍性進(jìn)行研究具有重要意義。

混凝土凍融特性一直是土木工程界的一個(gè)重要課題，自20世紀(jì)以來，有學(xué)者對(duì)混凝土的凍融特性進(jìn)行了大量研究，而且得出許多重要結(jié)論。靜水壓假說和滲透壓假說是由Powers等[1-2]提出，這兩個(gè)假說為混凝土凍融特性研究起到鋪墊的作用。段安等[3]對(duì)85個(gè)混凝土試件開展了凍融循環(huán)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以期探討凍融作用與混凝土應(yīng)力—應(yīng)變的關(guān)系。曹大富等[4]對(duì)影響凍融循環(huán)的3個(gè)影響因素進(jìn)行了綜合分析。此外亦有大量學(xué)者[5-8]對(duì)凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土宏觀物理力學(xué)現(xiàn)象以及細(xì)觀機(jī)理的影響進(jìn)行了深入的研究。

本文通過對(duì)防滲渠道混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，分析了凍融作用對(duì)其強(qiáng)度以及滲透特性的影響，以期為評(píng)估防滲渠道凍融破壞問題提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥作為試驗(yàn)所用水泥，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)3.1的級(jí)配連續(xù)中砂，試驗(yàn)所用粗骨料顆粒級(jí)配良好，20mm為最大粒徑，粉煤灰為Ⅱ級(jí)灰，試驗(yàn)水灰比為0.5，試樣尺寸為100mm×100mm×300mm，試樣養(yǎng)護(hù)齡期為28d。

1.2 試驗(yàn)方法

凍融試驗(yàn)采用快凍法，分別對(duì)試樣進(jìn)行0～125次快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)共6組，每組試驗(yàn)凍融次數(shù)按25次遞增。為保證凍融循環(huán)試樣的飽和度達(dá)到試驗(yàn)要求，試驗(yàn)開展前需將試樣先置于水中浸泡4d，浸泡時(shí)需保持液面高出試樣頂部2cm以上。凍融循環(huán)試驗(yàn)箱的凍結(jié)溫度設(shè)定為零下17℃，融化溫度設(shè)定為8℃，試驗(yàn)箱溫度誤差為2℃，一次凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，凍結(jié)和融化時(shí)間均為2h。本文中的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所用加載速率為0.75mm/min,，試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)儀上開展。滲透試驗(yàn)采用一次加壓，由一定時(shí)間內(nèi)試樣的滲水高度能夠計(jì)算出試驗(yàn)的滲透系數(shù)，通常情況是測(cè)記24h試件的滲水高度，若試樣滲透系數(shù)較大，則當(dāng)試樣端面出現(xiàn)滲水，記錄此時(shí)的時(shí)間作為滲透時(shí)間，該情況下試樣的滲水高度即為試樣高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融次數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖1為防滲渠道混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由圖1可知在125次循環(huán)范圍內(nèi)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)而逐漸降低；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于25次的時(shí)候，試樣的抗壓強(qiáng)度降低顯著；當(dāng)試樣凍融次數(shù)超過100次時(shí)，防滲渠道混凝土強(qiáng)度可以近似地認(rèn)為不再降低。這主要是由于混凝土內(nèi)部存在細(xì)小孔隙，飽和條件下這些孔隙被水填充，凍結(jié)后，水體體積膨脹，試樣內(nèi)部受到擠壓，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。凍融循環(huán)的前25次，由于孔隙小而多，孔隙比表面積大，受凍融作用影響，混凝土強(qiáng)度顯著降低。而隨著凍融次數(shù)繼續(xù)增加，小孔隙逐漸貫通，空隙的比表面積減小，冰壓作用對(duì)其影響降低，因此凍融循環(huán)后強(qiáng)度降低不是很明顯。

為直觀看出凍融作用下混凝土強(qiáng)度的損失量，引入強(qiáng)度折減率，強(qiáng)度折減率可以定義為式(1):

(1)

式中qcu——正常情況下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

qcuN——N次凍融循環(huán)后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

計(jì)算可得經(jīng)25次、50次、75次、100次和125次凍融循環(huán)后，防滲渠道混凝土強(qiáng)度折減率分別為28.1%，41.6%，47.4%，50.6%和51.6%。由不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的試樣強(qiáng)度折減率分析可知，防滲混凝土的強(qiáng)度折減率會(huì)隨著隨凍融次數(shù)的增多而增加；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比正常情況下減少一半，這說明防滲渠道混凝土的強(qiáng)度受凍融作用影響。

圖2為混凝土養(yǎng)護(hù)齡期28d時(shí)，試樣峰值抗壓強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖可知，防滲渠道混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變率隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸增大，這是因?yàn)閮鋈谧饔檬沟迷嚇涌紫蹲兇?，受壓時(shí)，試樣先壓密，強(qiáng)度開始時(shí)增長(zhǎng)緩慢，隨著試樣不斷壓密，孔隙逐漸減小，混凝土強(qiáng)度逐漸發(fā)揮，試樣中的裂隙會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，因此導(dǎo)致壓密所需要的應(yīng)變值也變大。

圖1 不同凍融次數(shù)下混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 不同凍融次數(shù)下混凝土峰值應(yīng)變

2.2 凍融次數(shù)對(duì)混凝土滲透性的影響

防滲渠道混凝土的一項(xiàng)重要的指標(biāo)是滲透系數(shù)，其計(jì)算公式為：

(2)

式中Sk——混凝土試樣的相對(duì)滲透系數(shù)；

Dm——混凝土試樣的平均滲水高度;

H——用以表征水壓的水位高度;

t——滲透時(shí)間;

k——混凝土試樣的吸水率。

防滲渠道混凝土試樣的相對(duì)滲透系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖可知隨凍融次數(shù)增多，混凝土試樣的相對(duì)滲透系數(shù)逐漸增大，這主要是由于凍融作用在增大了試樣內(nèi)部孔隙，形成了滲流通道。

圖3 不同凍融次數(shù)下混凝土相對(duì)滲透系數(shù)

3 結(jié) 論

a.凍融作用對(duì)防滲渠道混凝土強(qiáng)度影響較大，混凝土強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而逐漸降低，當(dāng)其經(jīng)過100次凍融循環(huán)時(shí)，混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比正常工況下降低了一半。

b.隨凍融次數(shù)增多，混凝土峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值增大，混凝土相對(duì)滲透系數(shù)增大，這主要是由于凍融作用使得試樣內(nèi)部孔隙增大。

[1] Powers T C.A working ghypothes is for further studies of frostre sistance of concrete[J].Journal of ACI,1945,16(4):245-272.

[2] Powers T C.Freezing effectsin concrete.Durability of concrete[M].Special Publication SP-47(ACI),1975.

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[4] 曹大富,富立志,楊忠偉,等.凍融循環(huán)作用下混凝土受壓本構(gòu)特征研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2013,16(1):17-23.

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Discussion on impermeable channel concrete mechanical properties under freeze-thaw action

DU Xiu

(XinjiangUygurAutonomousRegionWusuWaterConservancyBureau,Wusu833000,China)

China is accelerating high standard farmland infrastructure construction in China at present.The impermeable channel may suffer from strength reduction, permeability increase and other diseases due to seasonal freeze-thaw cycle effect.In the paper, concrete in impermeable channels undergoes freeze-thaw cycle test, strength test and seepage test in order to discuss the relationship among impermeable channel concrete strength, deformation, seepage characteristics and freeze-thaw cycle.Results show that freeze-thaw cycle effect significantly reduces the compressive strength and impermeability of impermeable channel concrete.The strength of concrete is reduced by 50% after freeze-thaw cycles for 100 times.The strain rate corresponding to the peak value strength is increased, and the impermeability is lowered with the increase of freeze-thaw cycles because freeze-thaw effect increases internal pores of the concrete.

impermeable channel; freeze-thaw cycle; concrete; strength

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.013

TV698.2+6

A

1005-4774(2017)05-0047-03