周 樂, 吳佳奇

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

反復(fù)凍融作用下軸壓混凝土構(gòu)件的承載力計(jì)算

周 樂, 吳佳奇

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

為研究混凝土軸壓構(gòu)件受凍融循環(huán)影響下的承載力計(jì)算公式,采用模型試驗(yàn)測(cè)得在不同的凍融次數(shù)下,混凝土構(gòu)件的質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量損失率.參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,推導(dǎo)出受凍融循環(huán)影響下的混凝土軸壓構(gòu)件的正截面承載力公式,并將理論值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,二者的平均誤差在10%左右,表明公式合理,具有工程意義和實(shí)用價(jià)值.

凍融作用; 混凝土構(gòu)件; 模型試驗(yàn); 承載力的計(jì)算公式

目前我國(guó)擁有很多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物,隨著時(shí)間的流逝,這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)在問題逐一顯現(xiàn).一方面是早期混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低,另一方面是施工、管理、自然環(huán)境與災(zāi)害等因素的影響導(dǎo)致建筑物中鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力不足,或者是隨著使用時(shí)間的增加,老化、破損等問題的出現(xiàn)降低了結(jié)構(gòu)部件的承載能力和使用功能.國(guó)內(nèi)學(xué)者周樂[1]等研究了纖維材料在工程加固中的應(yīng)用,提高了建筑物構(gòu)件的承載能力,得出的結(jié)論可應(yīng)用于工程實(shí)際,提高了鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力,完善了構(gòu)件在承載方面的不足.但鋼筋混凝土構(gòu)件的常見病害多是因?yàn)閮鋈谝蛩氐淖饔?影響混凝土耐久性的一個(gè)重要因素就是抗凍性[2].混凝土在凍融作用的影響下,會(huì)造成凍裂和表面侵蝕,并引起混凝土構(gòu)件承載力發(fā)生變化.建筑物的安全性受很多因素影響,混凝土構(gòu)件內(nèi)部毛細(xì)孔中的殘余水結(jié)冰引起的凍裂會(huì)使混凝土的彈性模量、抗拉壓強(qiáng)度等力學(xué)機(jī)能下降顯著,這是受凍融作用所引起的影響結(jié)構(gòu)安全的因素之一[3].地處寒冷氣候的混凝土結(jié)構(gòu)建筑物在投入使用期間出現(xiàn)的主要問題就是凍融破壞,其中以位于東北嚴(yán)寒地區(qū)的建筑物為主,接近全部的竣工工程在局部或大面積上都承受了不同程度的凍融破壞,甚至部分工程在施工過程中或竣工后不久即發(fā)生嚴(yán)重的凍害.

眾所周知,中國(guó)是發(fā)展中國(guó)家,有大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施需要建設(shè),我國(guó)可應(yīng)用于工程中的資源種類不多,所以如何才能高效地投入資金、節(jié)約資源、綠色生產(chǎn)是需要思考的重要問題.不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦O(shè)計(jì)出符合建筑方針的結(jié)構(gòu)物,還需要在有安全保證的前提下保持現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的使用功能,并延長(zhǎng)它的使用壽命.所以,研究?jī)鋈谧饔脤?duì)混凝土構(gòu)件的破壞作用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 影響混凝土構(gòu)件抗凍性的因素

1.1 含氣量

關(guān)于凍融損壞,從T.C.Powers發(fā)現(xiàn)的靜水壓假說[4]以及Powers和R.A.Helmuth一同創(chuàng)造的滲透壓假說[5]中可得出孔構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土抗凍性能有很大影響的結(jié)論,而評(píng)價(jià)混凝土孔構(gòu)造的因素包含了孔隙率、孔的形狀、氣泡的距離、孔直徑的粗細(xì)和散布等.混凝土是否具備抗凍融機(jī)能的標(biāo)準(zhǔn)之一就是含氣量,為了使建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗凍融機(jī)能良好,通常會(huì)加入引氣劑增加含氣量.增加含氣量是為了減少大孔,增加微小孔,這樣就減小了混凝土構(gòu)件內(nèi)部的氣泡間距.經(jīng)大量的工程實(shí)例可知,在拌制的混凝土中加入引氣劑能夠增強(qiáng)混凝土的抗凍機(jī)能,但是加入過多的引氣劑會(huì)使混凝土內(nèi)部的氣孔直徑明顯擴(kuò)大,從而進(jìn)一步的影響其強(qiáng)度和抗凍機(jī)能,所以存在一個(gè)合理含氣量的范圍,在這個(gè)范圍內(nèi)加入的引氣劑既能夠起到增強(qiáng)混凝土抗凍性的作用,還不會(huì)出現(xiàn)大幅度的強(qiáng)度流失現(xiàn)象[6].在含氣量的臨界范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)目紫堕g距將會(huì)減小凍融作用所導(dǎo)致的膨脹壓力,因而增強(qiáng)混凝土的抗凍融機(jī)能.

1.2 摻合料

為了增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的力學(xué)機(jī)能,加入了大量的礦物輔助用料,經(jīng)常使用的有粉煤灰、?；郀t礦渣、火山灰類物質(zhì).這些外加劑的引入將降低水泥用量,細(xì)化硬化水泥漿體中的孔隙結(jié)構(gòu)并改良孔徑的散布,提高混凝土的密實(shí)度和抗凍性.修雨欣[7]通過試驗(yàn)分析得出適量的添加礦物摻合料能夠增加混凝土的抗壓折強(qiáng)度;適量的加入復(fù)合型摻合料能降低混凝土在鹽溶液和凍融的共同作用下引起的混凝土試件外表面的破壞程度;礦物摻和料能夠改良混凝土試件的孔隙構(gòu)造.將混凝土試件放于水中進(jìn)行凍融循環(huán)作用之后,其外表面的剝落程度不大,由于試件內(nèi)孔隙構(gòu)造的變化,混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量有很大變化,加入礦物摻合料可以增強(qiáng)混凝土的密實(shí)程度,降低由于水分結(jié)冰對(duì)混凝土的強(qiáng)度造成的消極影響.

1.3 水灰比

混凝土的許多評(píng)價(jià)指標(biāo)都與水灰比的高低有關(guān).混凝土試件在相同的制作和養(yǎng)護(hù)條件下,以水灰比為試驗(yàn)變量得出水灰比越低,試件的強(qiáng)度越高、密實(shí)度越高、孔隙越少.李建國(guó)[8]等指出水灰比不一樣的試件,混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的大小呈正相關(guān),這表明了水灰比高的混凝土試件因?yàn)楹休^高的水分,致使其內(nèi)部孔隙率相對(duì)較高,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化就相對(duì)較遲緩.水泥在進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí),水灰比對(duì)硬化的水泥漿孔隙率有直接的影響,而孔隙率又影響混凝土的孔隙體積.混凝土的孔隙直徑擴(kuò)大而相互連接,候補(bǔ)孔的數(shù)量縮減導(dǎo)致緩解凍脹壓力的作用減小,以上使其受凍后產(chǎn)生較高的膨脹壓力,增加了孔隙的體積.在經(jīng)過反復(fù)凍融作用后,混凝土構(gòu)件會(huì)遭到不可忽略的構(gòu)造上的損傷.要增強(qiáng)混凝土的抗凍能力,務(wù)必嚴(yán)格遵循適宜的水灰比指標(biāo),需要人為參與,比如人為加入引氣劑優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)等.

1.4 混凝土的受凍齡期

文獻(xiàn)[9]依據(jù)工程中混凝土的實(shí)際受凍狀況,以混凝土的齡期為變量,以干燥環(huán)境為前提,研究了混凝土的受凍破壞,指出質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度損失與齡期負(fù)相關(guān),混凝土構(gòu)件抵抗凍脹能力與凍齡的長(zhǎng)短正相關(guān).原因是構(gòu)件的受凍時(shí)間越長(zhǎng)水泥的水化作用越完全,而且混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高,降低凍脹現(xiàn)象發(fā)生的可能性就越大.可見,在中國(guó)東北部地區(qū)冬季嚴(yán)寒、夏季高溫,反復(fù)凍融作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不利影響尤其明顯,這是應(yīng)用混凝土構(gòu)件時(shí)必須考慮的問題.

1.5 混凝土的強(qiáng)度和骨料

混凝土凍融破壞現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在凍融循環(huán)作用下,混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗其內(nèi)部的靜水壓和滲透壓,所以混凝土的強(qiáng)度是影響混凝土構(gòu)件抗凍性的因素之一.在含氣量一致的前提下,高強(qiáng)度混凝土的抗凍性比低強(qiáng)度混凝土的抗凍性好,但混凝土試件內(nèi)的氣泡構(gòu)造對(duì)其抗凍性的影響比混凝土強(qiáng)度對(duì)其抗凍性的影響更為顯著.因此,高強(qiáng)度的素混凝土的抗凍性可能比摻入外加劑如引氣劑的低強(qiáng)度混凝土低.混凝土中骨料的抗凍性與骨料的吸水率和尺寸大小有關(guān),當(dāng)骨料尺寸低于臨界值時(shí),一般不會(huì)發(fā)生凍融破壞.骨料的質(zhì)量也會(huì)在一定程度上影響混凝土構(gòu)件的抗凍性[10].

2 實(shí)驗(yàn)概況與因素分析

2.1 試件制作與分組

試驗(yàn)中使用的水泥是來自于遼寧省本溪市工源水泥廠的32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥,粗細(xì)骨料各自采用碎石和河砂,制備C30級(jí)混凝土,配合比采用水泥300 kg,水185 kg,碎石1 094 kg(其中5～10 mm為219 kg,10～16 mm為547 kg,16～20 mm為328 kg),河砂728 kg.本次試驗(yàn)共連續(xù)分批澆筑了20根截面為100 mm×100 mm,高為400 mm的純混凝土柱,試驗(yàn)分為4組, 每一組4個(gè)試件.為了減小試驗(yàn)的誤差,試件成型脫模,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 d后,隨機(jī)選取3個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,采用5 000 kN的液壓式伺服壓力機(jī)和控制載荷的方法檢測(cè)混凝土柱是否達(dá)到C30混凝土的設(shè)計(jì)要求,符合標(biāo)準(zhǔn)就能開始凍融試驗(yàn).

2.2 試驗(yàn)方法和現(xiàn)象

本試驗(yàn)采用快凍法,設(shè)計(jì)制作了20根C30級(jí)混凝土柱,截面為100 mm×100 mm, 柱高400 mm,凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、50、100、150,每次在快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)(圖1)中凍融循環(huán)2～4 h,試驗(yàn)前后分別用電子稱測(cè)量混凝土柱的質(zhì)量,用動(dòng)彈儀(圖2)測(cè)量彈性模量并做好記錄,之后將凍融后的混凝土試件在5 000 kN的壓力機(jī)上進(jìn)行軸壓試驗(yàn),混凝土被壓碎視為達(dá)到承載能力極限狀態(tài), 記錄反復(fù)凍融次數(shù)為0、50、100、150次時(shí)試驗(yàn)試件的抗壓承載力,同時(shí)整理試驗(yàn)現(xiàn)象(表1).

圖1 快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)Fig.1 The rapid freeze-thaw cycle machine

圖2 動(dòng)彈性模量?jī)xFig.2 Dynamic modulus of elasticity meter

凍融循環(huán)次數(shù)n試 驗(yàn) 現(xiàn) 象n≤30試件的質(zhì)量上升,有針狀小孔出現(xiàn)30lt;n≤50試件麻面凹凸不平,成蜂窩狀,光面部分骨料出露,出現(xiàn)裂紋50lt;n≤100試件麻面損傷比較嚴(yán)重,少部分粗骨料外露,裂紋發(fā)展100lt;n≤150試件表層水泥大面積脫落,大部分粗骨料外漏,部分裂縫貫通,端部損壞嚴(yán)重150lt;n≤200試件表層破壞進(jìn)一步加劇,粗骨料掉落,裂縫貫通,部分試件端部斷裂、破壞

3 凍融作用下純混凝土柱承載力的計(jì)算

3.1 質(zhì)量損失

觀察試驗(yàn)過程中試件的變化,反復(fù)凍融100次之后試件的水泥面表層脫落明顯,浮砂出現(xiàn),粗骨料露出、脫落,并且試件端部掉渣,所以在凍融循環(huán)作用下,試件的質(zhì)量變化不能忽略.混凝土試件在相同的試驗(yàn)環(huán)境和條件下得出不一樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)首先與制作試件的過程中每一個(gè)操作步驟不完全一樣有關(guān);其次是與進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)機(jī)測(cè)量選取的某一固定試件的芯溫不完全一致有關(guān);第三是電子天平有一定的誤差,在凍融循環(huán)結(jié)束后雖然擦拭了試件表面的水,但是由于每個(gè)試件自身的孔隙率不同,孔隙間的冰或水被處理的程度不一,所以對(duì)試件的質(zhì)量有一定的影響.故采用概率密度積分法處理誤差,得出本次試驗(yàn)對(duì)4個(gè)試件分別測(cè)得的質(zhì)量變化結(jié)果見圖3.

圖3 質(zhì)量損失率Fig.3 The mass loss rate

3.2 動(dòng)彈性模量損失

動(dòng)彈性模量?jī)x的基頻為2 700 Hz,記錄每組混凝土柱的動(dòng)彈性模量值,整理并發(fā)現(xiàn)試件的頻率與凍融循環(huán)次數(shù)負(fù)相關(guān),隨著反復(fù)凍融次數(shù)的增加,混凝土柱的測(cè)量頻率整體上呈下降的趨勢(shì),經(jīng)過誤差的處理得到動(dòng)彈性模量的變化結(jié)果見圖4.

圖4 動(dòng)彈性模量損失率Fig.4 The loss ratio of dynamic elastic modulus

3.3 面積損失與折算

試件在反復(fù)凍融循環(huán)之后遭到破壞,截面已經(jīng)不完整,量取本次試驗(yàn)混凝土試件在反復(fù)循環(huán)凍融試驗(yàn)前后的截面面積,整理得出在經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)作用后試件的面積折算公式如下:

式中:A′為經(jīng)過反復(fù)融凍循環(huán)之后混凝土試件的折減面積;A0為混凝土試件的原始截面面積;γ為單次凍融循環(huán)作用下混凝土試件的折減面積;n為凍融循環(huán)次數(shù).

由面積折減公式得出的經(jīng)反復(fù)凍融循環(huán)作用下,混凝土試件的折減面積和折減后的截面面積見圖5.

圖5 凍融后試件的折減面積和折減后的面積

3.4 混凝土強(qiáng)度損失與折算

軸心受壓試驗(yàn)在沈陽大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.使用5 000 kN的液壓式伺服壓力機(jī)用控制負(fù)載的方法加載,初始加載速率為50 N/s,當(dāng)施加的負(fù)載達(dá)到預(yù)估負(fù)載的80%時(shí),將加載速度降為25 N/s,直到加載的混凝土試件破壞.試件在經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)之后抗壓強(qiáng)度會(huì)下降,文獻(xiàn)[11]中提出了簡(jiǎn)便的應(yīng)用于凍融循環(huán)作用下的混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算方法見公式(2),用式(2)計(jì)算的經(jīng)過不同次數(shù)凍融循環(huán)作用的混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)值見表2.當(dāng)反復(fù)凍融達(dá)到200次時(shí),試驗(yàn)試件的強(qiáng)度折算值是負(fù)數(shù),表明此時(shí)試件已被破壞不能承載.

式中:fdc為凍融循環(huán)n次后的混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;fwc為未凍融的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;n為凍融循環(huán)次數(shù).

表2 不同次數(shù)凍融循環(huán)作用的混凝土抗壓強(qiáng)度

3.5 反復(fù)凍融影響下混凝土軸心受壓柱的承載力計(jì)算

按照現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[12]中的要求,鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的正截面受壓承載力應(yīng)滿足式

由于本試驗(yàn)的混凝土試件沒有配置鋼筋,故計(jì)算中不計(jì)入鋼筋的承載力,因此軸心受壓混凝土柱的正截面受壓承載力公式應(yīng)滿足:

式中:N為軸向壓力設(shè)計(jì)值;φ為鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;A為構(gòu)件截面面積.

在本次試驗(yàn)中構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比為4,小于8,由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可知取值為1;折減系數(shù)0.9是考慮外力的初始偏心和軸心受壓柱可靠性對(duì)構(gòu)件承載力的影響.由式(1)、式(2)和式(4)可得出在反復(fù)凍融循環(huán)作用下混凝土軸心受壓構(gòu)件的正截面承載力公式應(yīng)滿足:

式中:Nd為軸向壓力設(shè)計(jì)值;φ為鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);fdc為反復(fù)凍融循環(huán)n次后的混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;A′為凍融循環(huán)之后混凝土試件的折減面積.

為了簡(jiǎn)便計(jì)算凍融后混凝土試件的承載力,根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范將混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值換算成設(shè)計(jì)值,經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)作用后混凝土試件的極限承載力為

式中:Ndu為凍融循環(huán)之后軸壓混凝土構(gòu)件的極限承載力;fdc為反復(fù)凍融循環(huán)n次后的混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;A′為凍融循環(huán)之后混凝土試件的折減面積.

運(yùn)用式(6)計(jì)算試驗(yàn)中混凝土試件在凍融循環(huán)次數(shù)分別為50、100、150次的承載力,并與式(5)的計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)值比較(見表3).

表3 試驗(yàn)值與理論值對(duì)比表

在表3中,式(6)計(jì)算值均小于試驗(yàn)值,且小于式(5)的計(jì)算值,試驗(yàn)值與式(6)計(jì)算值的平均誤差在10%左右,驗(yàn)證了公式的合理性.

4 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)作用后,混凝土構(gòu)件的承載能力顯著下降,所以對(duì)于寒冷地區(qū)考慮溫差變化對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷作用是必要的.

(2) 本試驗(yàn)和眾多研究表明,混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、截面面積都與凍融循環(huán)次數(shù)負(fù)相關(guān),凍融這一外部環(huán)境因素會(huì)直接影響混凝土柱的承載能力.在工程中,對(duì)處于凍融環(huán)境中的構(gòu)件,要采取措施降低損害,例如加入引氣劑優(yōu)化孔結(jié)構(gòu),加入摻合料增加密實(shí)度和提升抗凍性,人為控制水灰比等.

(3) 理論推導(dǎo)出在凍融前提下純混凝土構(gòu)件的軸心受壓正截面承載力公式,將其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,驗(yàn)證了公式的合理性,運(yùn)用此公式提高了混凝土構(gòu)件在凍融作用下承載力計(jì)算的可靠度.

(4) 在工程實(shí)際中,處于凍融循環(huán)作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不局限于混凝土軸心受壓構(gòu)件,試驗(yàn)可繼續(xù)補(bǔ)充其他材料和受力類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件;推導(dǎo)公式的理論值與試驗(yàn)值之間存在誤差,分析原因,首先是部分混凝土試件自身在制作時(shí)存在缺陷,其次是推導(dǎo)的公式只考慮了宏觀因素,沒有考慮微觀層面.

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【責(zé)任編輯:趙炬】

CalculationofBearingCapacityofAxiallyLoadedConcreteMembersSubjectedtoRepeatedFreeze-ThawCycles

ZhouLe,WuJiaqi

(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

In order to study the formula of bearing capacity of axially loaded concrete members under repeated freeze-thaw cycles, the model test was used and the loss rate of mass and the loss rate of dynamic elasticity modulus were measured. Refer to the code for design of concrete structures, the formula of axially loaded concrete members under repeated freeze-thaw cycles was inferred. The theoretical value was compared with the experimental data, the average error of the two is about 10%, the results show the rationality of the formula, the research has engineering significance and practical value.

freeze-thaw action; concrete member; model test; the formula of bearing capacity

TU 312

A

2017-05-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408371).

周 樂(1978-),女,遼寧營(yíng)口人,沈陽大學(xué)教授,博士后研究人員.

2095-5456(2017)06-0485-05