冻融循环作用下普通混凝土断裂能试验

于孝民,任青文

(1.河海大学土木工程学院,江苏南京 210098;2.徐州水利局规划计划处,江苏徐州 221002)

冻融循环作用下普通混凝土断裂能试验

于孝民1,2,任青文1

(1.河海大学土木工程学院,江苏南京 210098;2.徐州水利局规划计划处,江苏徐州 221002)

为了研究冻融循环对普通混凝土断裂性能的影响,依据相关规范进行混凝土快速冻融循环试验,对4组C20普通混凝土进行了冻融次数分别为0次,10次,20次和30次的试件的断裂能测试.试验结果表明,随着冻融循环次数的增加,混凝土断裂能呈逐渐下降趋势,断裂能损失与相对动弹模损失率的变化规律基本一致.这说明断裂能也可作为衡量混凝土冻融损伤的一个重要指标.

冻融破坏;断裂能;混凝土

混凝土抗冻耐久性是混凝土耐久性研究的重要内容之一.近年来,围绕混凝土冻融循环的试验研究主要集中于冻融破坏机理、影响因素、改善措施以及抗冻耐久性寿命预测模型等方面[1-2].宋玉普等[3-8]开展了冻融环境下混凝土静力学特性方面的试验研究,建立了相应的破坏准则以及损伤本构方程,为研究冻融混凝土力学特性奠定了一定的基础.研究表明,混凝土冻融破坏的实质是:在冻融循环下,其疲劳损伤累积扩展导致混凝土体积膨胀、结构松散而发生开裂破坏的过程.断裂能对冻融循环产生的裂缝较为敏感,因为能量的耗散包含了强度和变形2个方面的信息,能够较好表征混凝土冻融损伤的状态,是衡量混凝土抗裂特性的一个重要指标.目前,采用断裂能研究冻融作用后混凝土的断裂行为和断裂特征的较少[9-10],对冻融环境下普通混凝土断裂能试验研究就更少.本文通过对承受若干次冻融循环的中低标号C20普通混凝土进行的断裂能测试,研究了其断裂能随冻融循环次数的变化规律.

1 试验设计

1.1 材料及配合比

混凝土原材料:水泥P·O 32.5;中砂,细度模数2.6;连续级配碎石;混凝土塌落度(70±10)mm.配制的C20 混凝土配合比:水泥342kg/m3;砂638kg/m3;石 1178kg/m3;水188kg/m3.水灰比 0.55;塌落度65mm;含气量1.3%.C20混凝土主要力学参数——抗压强度33.6MPa.

1.2 试件设计

对C20混凝土进行0次,10次,20次和30次的冻融试验,测量不同冻融循环次数下的混凝土断裂能.为此,试验按照SL211—98《水工建筑物抗冰冻设计规范》和SL352—2006《水工混凝土试验规程》,需制作4组(每组3块)100mm×l00mm×400mm试件和1组150mm×150mm×150mm立方体试件.立方体试件用来测定抗压强度,而测定断裂能的试件则要在试件中间底部预制40mm深裂缝,缝宽1～2mm.为预制裂缝,采用木模在中间部位预先嵌入1.5mm薄钢片,待混凝土初凝时及时拔出预置钢片.试件拆模后,立即在标准养护室中养护,达到试验龄期的前4d,将试件放在(20±3)℃的水中浸泡,28d养护后进行冻融试验.

1.3 试验设备

冻融试验在DDR-2型混凝土快速冻融试验机上(图1)进行.该设备主要性能:试件中心温度(-18±2)～(5±2)℃;冻融液温度-25～20℃;冻融循环1次历时2～4h(融化时间不少于整个冻融历时的25%);采用热电偶测量试件中心温度时,精度达0.3℃.试件中心和表面的温差小于28℃,冻和融之间的转换时间不超过10min.

____当冻融循环到达某一设计冻融次数时,从试验箱中拿出其中1组试件,进行断裂能试验.而其余各组试件继续进行后续的冻融循环,直至完成最后的循环次数.

各次冻融的混凝土试件的断裂能测定在河海大学结构力学试验室内完成,试验装置如图2所示.

2 试验结果与分析

断裂能测试的试件尺寸为100mm×100mm ×400mm,支距为300mm,预制裂缝深度为40mm.断裂能计算公式为

图1 DDR-2型混凝土快速冻融试验机Fig.1 DDR-2 rapid freeze-thaw test machine for concrete

图2 冻融混凝土断裂能试验装置Fig.2 Test devices for fracture release energy of freeze-thaw concrete

式中:GF——断裂能,N·m/m2;p——荷载,N;b——试件截面宽度,m;d——试件截面高度,m;a0——裂缝深度,m;δmax——预制裂缝试件加力点处的最大位移,mm.

2.1 不同冻融循环次数混凝土荷载与位移的关系

通过采集的整个试验过程的数据,作出不同冻融次数的混凝土所受荷载与中心位移的关系图,如图3所示.所谓中心位移,是指带裂缝三点弯曲梁加力点处的位移(图2).

可以看出:(a)混凝土承载能力随着冻融循环次数的增加而降低.以C20普通混凝土为例,未冻融试件最大承载力可达2.87kN左右,而冻融30次的试件最大承载力只有1.83kN左右.(b)随着冻融次数的增加,冻融试件开裂屈服提前:未冻融试件在中心位移0.45mm时发生断裂,而经冻融后的试件,中心位移不到0.25mm就发生断裂.

图3 不同冻融次数混凝土荷载与中心位移关系Fig.3 Relationship between concrete load and central displacement with different freeze-thaw cycles

2.2 不同冻融循环次数混凝土断裂能测试结果

断裂能是衡量材料断裂性能的重要指标之一,可以用来描述材料对裂纹扩展阻力的大小.断裂能数值越大,表明材料阻裂效果越好[11].利用混凝土荷载与中心位移关系曲线(图3)和式(1)可计算出不同冻融次数混凝土断裂能,结果如图4所示.

从图4可知:混凝土断裂能冻融次数由0次变为10次时断裂能降低仅0.6%,表明混凝土内部损伤较小;冻融20次时,断裂能降低了14%;冻融30次时,断裂能降低了18.6%.由10次变为20次时断裂能下降明显.可见,普通混凝土断裂能随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,开始时降低较为缓慢,到10次以后内部损伤速度明显加快,到30次冻融循环时断裂能就已经降低了18.6%,这与测试的混凝土相对动弹模变化规律(表1)基本一致,说明断裂能这一参数能反映混凝土冻融循环造成的内部损伤及损伤累计的变化规律.

图4 断裂能随冻融次数的变化规律Fig.4 Variation of fracture release energy with number of freeze-thaw cycles

2.3 混凝土断裂能与冻融循环次数关系分析

根据上述试验数据进行回归分析,可以得到混凝土断裂能与冻融循环次数的关系:

式中N为冻融次数,相关系数为R2=0.9125.利用式(2)可估算具体冻融循环下的混凝土断裂能.需要指出的是,由于试验组数有限,式(2)的相关系数偏小,需通过更多试验数据对其进行改进.

表1 各次冻融混凝土的最大试验荷载与断裂能、相对动弹模的关系Table 1 Maximum concrete load and fracture release energy with different freeze-thaw cycles

3 结 论

a.通过试验研究,揭示了冻融循环作用下混凝土断裂能变化规律,即:混凝土承载能力随着冻融循环次数的增加而降低;随着冻融次数的增加,试件开裂点提前.断裂能损失与相对动弹模损失率的变化规律基本一致,表明断裂能也可作为衡量混凝土冻融损伤的一个重要指标.

b.根据试验数据,得出了普通混凝土断裂能与冻融循环次数的关系式,该关系式可作为冻融损伤混凝土分析的依据.

[1]杨英姿,巴恒静.负温防冻剂混凝土的界面显微结构与性能[J].硅酸盐学报,2007,35(8):1125-1130.(YANG Ying-zi,BA Heng-jing.Interface microstructure and mechanical properties of concrete with antifreezing admixture at subzero temperature[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2007,35(8):1125-1130.(in Chinese))

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[8]张众.冻融及高温后混凝土多轴力学特性试验研究[D].大连:大连理工大学,2006.

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Fracture release energy for ordinary concrete with freeze-thaw cycles

YU Xiao-ming1,2,REN Qing-wen1
(1.College of Civil Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;
2.Planning Department of Xuzhou Water Resources Bureau,Xuzhou221002,China)

In order to study the influence of freeze-thaw cycles on the fracture properties of ordinary concrete,rapid freeze-thaw cycle tests were carried out on concrete according to the relevant specifications.The fracture release energy of four groups of C20 concrete specimens with 0,10,20,and 30 freeze-thaw cycleswas tested.The test results show that the fracture release energy of the concrete gradually decreases with the freeze-thaw cycles.The variation pattern of the loss of the fracture release energy is basically the same as that of the relatively dynamic Yang's modulus.The fracture release energy can also be an important index for the evaluation of teh freeze-thaw damage of the concrete.

freeze-thaw failure;fracture release energy;concrete

TU528.1

A

1000-1980(2010)01-0080-03

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.017

2009-08-31

国家自然科学基金(50539030);2008年江苏省水利科技重点项目(苏财农[2008]190号))

于孝民(1963—),男,江苏新沂人,高级工程师,博士研究生,主要从事水工结构设计与混凝土耐久性研究.E-mail:xzslyxm@163.com