任戰(zhàn)鵬，牛荻濤，吳敬濤，張 劍，孟 寧

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

混凝土的耐久性是指在其使用過程中抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長期保持良好使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全及正常使用的能力[1].目前針對混凝土凍融特性的研究很多，但是凍融環(huán)境溫度都是在-20～20 ℃之間，GJB 82-85中凍融試驗(yàn)要求在凍結(jié)和融化終了時，試驗(yàn)件中心溫度也在-17±2 ℃和8±2 ℃之間，對更嚴(yán)酷條件下混凝土凍融特性的研究很少.文獻(xiàn)[2-3]從理論上對混凝土在凍融凍融循環(huán)條件下的損傷特性及壽命預(yù)測進(jìn)行了詳細(xì)的分析.文獻(xiàn)[4-6]研究了一般溫度(-0 ℃以上)凍融循環(huán)條件下，海水中的混凝土、加鋼纖維混凝土凍融以及碳化后混凝土力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，但沒有對更嚴(yán)酷溫度條件下的混凝土力學(xué)特性以及耐久性進(jìn)行試驗(yàn)分析.混凝土在使用過程中，隨著使用時間的推移會出現(xiàn)各種各樣的耐久性問題，這些有可能會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，就已經(jīng)提前失效，或者說雖未達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，卻存著在嚴(yán)重的安全隱患.對于用于極端溫度環(huán)境下的混凝土建筑，比如橋墩、水壩、碼頭等工程，受干濕和高低溫交變環(huán)境的影響，使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍融損傷，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等性能參數(shù)均出現(xiàn)衰退，甚至出現(xiàn)凍融破壞，使建筑結(jié)構(gòu)不能達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命[7-9].混凝土凍融特性作為混凝土耐久性最具代表性的指標(biāo)[10-13]，在極端環(huán)境使用前，必須對混凝土的耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出極端環(huán)境影響下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的變化規(guī)律，為建筑的材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù).

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室地坪所遇到的極端環(huán)境，開展了極端溫度環(huán)境下環(huán)境室混凝土地坪的凍融試驗(yàn)研究，對極端高低溫凍融環(huán)境下混凝土質(zhì)量、動彈模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出極端環(huán)境凍融循環(huán)對不同類型混凝土凍融特性的影響，為混凝土地坪的材料選型及設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).

1 試件、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

1.1 試件

驗(yàn)共包括G1—G4四組試驗(yàn)件，每組試驗(yàn)件強(qiáng)度等級及養(yǎng)護(hù)條件見表1.每組包括兩種形狀的試驗(yàn)件，一種是用于測試質(zhì)量損失、動彈性模量和抗折強(qiáng)度的150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試塊，另一種是用于測試抗壓強(qiáng)度的150 mm×150 mm×150 mm正方體試塊.

試件制作完成后根據(jù)GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)要求對各組試驗(yàn)件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[14].養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，每組試件抽取三個試件進(jìn)行初始抗壓強(qiáng)度檢測，各組取其平均值得出試件的初始抗壓強(qiáng)度，見表2.從試件初始抗壓強(qiáng)度測試來看，強(qiáng)度等級C50的G1組試件最高，強(qiáng)度等級C40的三組試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)并摻加鋼纖維的G2組試件抗壓強(qiáng)度最高，次之的為自然養(yǎng)護(hù)并摻加鋼纖維的G3組試件，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)但未摻加鋼纖維的G4組試件抗壓強(qiáng)度最低，這說明摻加鋼纖維對提高混凝土的抗壓強(qiáng)度有著比較大的影響.

表1 試件信息

注：棱柱體試塊數(shù)量后括號內(nèi)數(shù)字為預(yù)埋測溫傳感器試塊的個數(shù).

表2 試驗(yàn)件初始抗壓強(qiáng)度

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用UC240環(huán)境箱對G1-G4組試驗(yàn)件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，該環(huán)境箱容積為280 m3，溫度控制范圍為-70～150 ℃，溫度均勻度≤2.0 ℃，溫度波動度≤±0.5 ℃.試驗(yàn)通過在溫度監(jiān)測試塊中心預(yù)埋熱電偶來檢測試驗(yàn)溫度，并作為試驗(yàn)溫度控制的輸入值，溫度監(jiān)測試塊布置在環(huán)境箱內(nèi)不同區(qū)域.試驗(yàn)采用的熱電偶溫度測量范圍為-80～120 ℃，測量精度為±0.5 ℃，每個小循環(huán)凍融試驗(yàn)結(jié)束后，分別使用電子天平秤、NM-4B型非金屬超聲檢測分析儀、DLY-30T型萬能材料試驗(yàn)機(jī)、TYA-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)對各組試驗(yàn)件的質(zhì)量、動彈模量、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測量.

1.3 試驗(yàn)方法

試件制作完成后，根據(jù)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求分別對試件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將所有試驗(yàn)件按組放入水池進(jìn)行浸水4 d，使得試驗(yàn)件充分吸水，之后將試件表面水擦拭干凈按組放入環(huán)境箱進(jìn)行凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)平均升降溫速率約為10.7 ℃/h.

整個試驗(yàn)共進(jìn)行120 次凍融循環(huán)，每10次凍融循環(huán)為一個小循環(huán)，圖1給出了每個小循環(huán)升降溫過程.由于試件中心溫度相對試驗(yàn)環(huán)境箱溫度具有滯后性，因此，試驗(yàn)溫度控制以試件中心溫度為準(zhǔn)，試件中心溫度采用預(yù)埋在試件中心位置的熱電偶來采集.每個小循環(huán)的低溫階段試件中心溫度降至-55 ℃，高溫階段前9次試件中心溫度升至20 ℃，每次試件中心溫度到達(dá)20 ℃后對所有的試驗(yàn)件進(jìn)行一次灑水，保證試驗(yàn)件的含水量，第10次高溫循環(huán)試件中心溫度升至+74 ℃.

圖1 凍融小循環(huán)升降溫過程Fig.1 Heating and cooling process of each small freezing-thawing cycle

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融作用對混凝土試件相對動彈性模量的影響

混凝土相對動彈性模量反映了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化過程，是混凝土內(nèi)部損傷程度的評價指標(biāo)[15].固體材料的動彈模量Ed與其表面波速之間的關(guān)系為

(1)

式中：ρ為固體材料密度；V為表面波速度；μ為泊松比；L為試件長度；T為聲波聲時.

根據(jù)該式可得出混凝土試塊的相對動彈模量與聲波聲時值之間的關(guān)系：

(2)

式中：Erd為相對動彈模量；Edn為經(jīng)歷第n個凍融循環(huán)后試件的動彈性模量；Ed0為未進(jìn)行凍融試驗(yàn)試件初始的動彈性模量；Vn為經(jīng)歷第n個凍融循環(huán)后試件的表面波速度；V0為未進(jìn)行凍融試驗(yàn)試件初始表面波速度；T0為未進(jìn)行凍融試驗(yàn)測得的試件初始聲波聲時；Tn為經(jīng)歷第n個凍融循環(huán)后測得試件的聲波聲時.

試驗(yàn)采用NM-4B型非金屬超聲檢測儀，測出超聲波在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用后的混凝土試件內(nèi)部的傳播聲時值T，通過式(2)可得混凝土試塊的相對動彈模量Erd.每個小循環(huán)結(jié)束后，對試件的聲時值進(jìn)行檢測，從而得出試件相對動彈性模量與凍融次數(shù)的變化關(guān)系，如圖2所示.

圖2 試件相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationships between relative dynamic elastic modulus and freezing-thawing cycle number

由圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加各組混凝土試件的相對動彈模量均有一定的下降.在前60次凍融循環(huán)中，四組試件的相對動彈性模量變化趨勢基本一致.60次凍融循環(huán)后，G3、G4組試件的相對動彈性模量相比G1、G2組有著明顯的加速衰減趨勢.其中G2標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組和G3自然養(yǎng)護(hù)組試件的材料配合比和試驗(yàn)條件均相同，但自然養(yǎng)護(hù)條件的G3組試件相對動彈模量的變化趨勢(抗凍性能)明顯大于G2組試件，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，G3組試塊的動彈模量下降非常明顯，經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后其相對動彈性模量已經(jīng)低至58%，并低于試驗(yàn)終止條件值60%.另外，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、相同配合比的G2、G4組試驗(yàn)件，摻加鋼纖維的G2組試件抗凍性能要優(yōu)于未摻鋼纖維的G4組試件.G2組試件在整個凍融循環(huán)過程中，相對動彈模量有較小程度的離散變化現(xiàn)象，這是受該組試驗(yàn)件中個別試塊骨料的不均勻性影響所致，但總的來看，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加該組混凝土試件的相對動彈模量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，說明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了劣化.

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：該幾種混凝土材料在-55～74 ℃的極端溫度環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)方式的不同對混凝土的抗凍性能有著顯著的影響，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)的；摻加鋼纖維對提高混凝土的抗凍性有著顯著的提高.

2.2 凍融作用與混凝土試件質(zhì)量損失率之間的變化關(guān)系

混凝土試件在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量變化主要由兩部分組成：一部分是混凝土試件表面的漿體、骨料的剝落導(dǎo)致質(zhì)量的下降；另一部分則是在凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件內(nèi)部出現(xiàn)劣化逐漸產(chǎn)生微裂縫，在飽水狀態(tài)下裂縫吸水飽和，導(dǎo)致試件重量的增加.混凝土試件的質(zhì)量損失率Wn可由式(3)得出：

Wn=(1-Gn/G0)×100%

(3)

其中：G0為凍融試驗(yàn)前混凝土試件初始質(zhì)量，Gn為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后混凝土的質(zhì)量.

在120次凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，每經(jīng)歷10次循環(huán)，對試件的質(zhì)量進(jìn)行一次測量，得到了試件質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，如圖3.

圖3 試件質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationships between mass loss ratio and freezing-thawing cycle number

試驗(yàn)過程中，試件表面均未出現(xiàn)明顯的表面骨料剝落現(xiàn)象，因此試件質(zhì)量的變化主要反應(yīng)了試件內(nèi)部的裂縫吸水而引起.從圖3可以看出，經(jīng)歷120次凍融循環(huán)后，4組試件的質(zhì)量出現(xiàn)了不同程度的增加.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件內(nèi)部的凍害慢慢累積，逐漸形成貫通的、較大的微裂縫，從而積蓄了更多的自由水，導(dǎo)致質(zhì)量的增加.由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出：經(jīng)歷120次凍融循環(huán)，4組試件的抗剝落能力都比較強(qiáng)，試件最大質(zhì)量增加率不到1.5%，但標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)且摻加鋼纖維的G1組試件的抗凍裂能力明顯優(yōu)于其他三組試驗(yàn)件.

2.3 凍融作用下混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化規(guī)律

抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性能，因?yàn)閺?qiáng)度與硬化水泥石、骨料和水泥的界面區(qū)以及孔隙等直接相關(guān).在120次凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，每10次凍融循環(huán)對試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試，得到了試件抗壓強(qiáng)度損失率與凍融次數(shù)的變化關(guān)系，如圖4所示.

圖4 試件抗壓強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationships between compressive strength loss ratio and freezing-thawing cycle number

從圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，各組試件的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出較為明顯的離散特征，這和混凝土骨料的均勻程度有關(guān)，個別試塊骨料混合不是十分均勻?qū)е聫?qiáng)度測試時平均值有一定的波動現(xiàn)象.但是總體上每組的抗壓強(qiáng)度損失率整體上呈現(xiàn)出上升的趨勢.經(jīng)歷120次凍融循環(huán)，四組混凝土試件的抗壓性能大小依次為G1>G2≈G3>G4，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、摻鋼纖維的G1組試件的抗壓強(qiáng)度損失率最小，抗壓性能表現(xiàn)最佳，其次為G2與G3組試件，G4組試件抗壓性能一般，且不穩(wěn)定，隨著凍融次數(shù)的增加抗壓強(qiáng)度損失較大.

2.4 凍融作用下混凝土抗折強(qiáng)度的劣化規(guī)律

在120次凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，每經(jīng)歷10次試驗(yàn)后，對試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測試，得到了試件抗折強(qiáng)度損失率與凍融次數(shù)的變化關(guān)系，如圖5所示.

圖5 試件抗折強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationships between flexural strength loss ratio and freezing-thawing cycle number

從圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，四組試件的抗折強(qiáng)度損失率呈增加趨勢，即試件的抗折性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)衰減趨勢.其中G1組試件的抗折性能受凍融影響變化較小，抗折性能較好.自然養(yǎng)護(hù)的G3組試件受凍融循環(huán)影響較大.經(jīng)歷80次凍融循環(huán)后，沒摻加鋼纖維的G4組試驗(yàn)件抗折損失率出現(xiàn)突增現(xiàn)象，抗折性能惡化衰退，原因是G4組試件未摻加增強(qiáng)試件阻裂、增韌作用的鋼纖維，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部裂縫逐漸拓展、損傷逐漸累積，混凝土的韌性迅速下降.

3 結(jié)論

通過對四組混凝土試件在-55～74℃溫度環(huán)境下的耐久性的試驗(yàn)研究分析，得出了極端環(huán)境溫度凍融循環(huán)對混凝土試件耐久性的影響，結(jié)論如下：

(1)經(jīng)60次凍融循環(huán)后，自然養(yǎng)護(hù)組試件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)且未添加鋼纖維組試件的凍融特性參數(shù)相對動彈模量、質(zhì)量損失率均出現(xiàn)了明顯的衰減.抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度特性方面，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和添加鋼纖維組試件受極端溫度凍融循環(huán)的影響程度均小于自然養(yǎng)護(hù)組和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)且未添加鋼纖維組試件.所以，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和添加鋼纖維對混凝土極端凍融環(huán)境下的耐久性有一定增強(qiáng)作用；

(2)隨著極端凍融循環(huán)次數(shù)的增加，四組試件的凍融特性指標(biāo)均出現(xiàn)了下降.較之自然養(yǎng)護(hù)組試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組混凝土試件的凍融特性明顯好于自然養(yǎng)護(hù)組試件.可見，對于同等級混凝土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對混凝土極端環(huán)境下的凍融特性有明顯的增強(qiáng)作用；

(3)對于同等級的G40混凝土，相同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，添加鋼纖維對混凝土極端環(huán)境下凍融特性有明顯的增強(qiáng)作用.

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