低温环境对混凝土抗压特性的影响

亚森·肉孜，陈光亮

(1.石河子公路管理局，新疆 石河子 832000; 2.石河子公路管理局泉水地分局，新疆 石河子 832000)

0 前言

自从水泥出现后，混凝土材料对世界各国的土木工程建设起到了革命性的作用，混凝土材料具有强度高、耐久性好和价格便宜等优点，是建筑、水利、铁路和公路等土木工程建设的主要材料［1］。实际使用时，混凝土结构要面临严峻的气候考验，尤其是温度对混凝土材料的使用性能会产生重要的影响。一方面，温度直接影响着水泥的水化硬化，另一方面由于温度的大幅变化会使混凝土内部产生不同程度的温度应力，因此对混凝土造成不同程度的损伤，使其性能发生劣化［2，3］。目前，对于火灾发生后高温对混凝土性能的影响，我国学者进行了大量的研究［4～7］，而对低温作用下混凝土的性能，至今的研究较少。基于此，本文通过试验，研究了不同低温作用后混凝土抗压强度、抗压弹性模量和抗压应变峰值的变化，并与常温时的结果作对比，为进一步研究混凝土材料的力学性能提供技术参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥选用湖北武当水泥有限公司生产的P.O42.5 水泥，其主要组成见表1;细集料采用普通河砂，细度模数为2.7，密度为2.63 g/cm3;粗集料为5～20 mm 连续级配碎石;矿物掺和料选用Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣，两者的比表面积分别为565 kg/m3和500 kg/m3，其主要化学组成见表1;减水剂为聚羧酸系高效减水剂;混凝土配合比见表2。

表1 水泥、粉煤灰及矿渣的化学组成 %

表2 混凝土配合比设计

1.2 试验方法

成型标准尺寸的混凝土抗压试件，1 d 后脱模并养护至规定龄期后，将试件取出;然后将试件放入低温室冷冻，冷冻室的温度可以调至－40 ℃，其中制冷速度为35 ℃/h，将试件冷冻至一定时间后取出，按相关规定进行抗压强度试验、抗压弹性模量试验和抗压强度峰值试验。

2 试验结果及分析

2.1 轴心抗压强度

为了研究低温作用下对混凝土抗压强度的影响，测定不同温度(20 ℃、－10 ℃、－20 ℃、－30 ℃和 －40 ℃)作用后混凝土3 d、7 d、14 d 和28 d 的抗压强度，并由负温时的抗压强度除以20 ℃时的抗压强度，计算抗压强度相对值，试验结果如图1所示。

图1 温度对轴心抗压强度的影响

从图1可以看出，混凝土各龄期的轴心抗压强度和轴心抗压强度相对值都随着温度的降低而逐渐增大，当温度由20 ℃降低至－40 ℃时，3 d 的轴心抗压强度和抗压强度相对值分别从16.73 MPa 和0.496 增长为 19.63 MPa 和 0.578，而 28 d 的轴心抗压强度和抗压强度相对值分别从33.05 MPa 和1.0 增长为38.93 MPa 和1.18。表明负温越低，混凝土的轴心抗压强度越高。这主要是因为，随着负温的降低，混凝土内部自由水结冰，在压力作用下，冰晶会参与混凝土内部的受力，且温度越低，冰晶越坚硬，承受荷载的能力越强，因此轴心抗压强度越大;另外，由于试件无约束，在冷冻条件下试件整体发生收缩，其中温度越低，试件收缩越严重，收缩使试件的密实度增大，因此抗压强度提高。

相同温度下，混凝土轴心抗压强度随着龄期的延长而增大，其中14 d 之前抗压强度随龄期的变化较快，而14 d 之后变化趋势放缓;当温度为20 ℃时，混凝土3 d 和7 d 的抗压强度分别为16.73 MPa和22.51 MPa，分别达到了28 d 强度的50.6%和68.1%;而当温度降低为 －40 ℃ 时，3 d 和7 d 的抗压强度分别达到19.63 MPa 和26.41 MPa，分别为28 d 强度的50.4%和67.8%;说明低温对混凝土的早期的抗压强度有一定的负面影响，这主要是由于低温使水结冰，阻止了水泥的水化作用。

为了进一步探索混凝土轴心抗压强度与低温的关系，对各龄期混凝土的轴心抗压强度和温度进行二次函数回归，回归结果见表3。

表3 轴心抗压强度与温度的回归结果

从表3可以看出，在试验所选温度区间内，混凝土各龄期的轴心抗压强度与温度之间呈二次函数关系变化，其中相关性系数都大于0.99，说明回归曲线与试验结果的吻合度很高，结果较为准确。

2.2 抗压弹性模量

测定不同温度作用后，混凝土不同龄期的抗压弹性模量，并计算抗压弹性模量相对值，研究负温对混凝土抗压强度模量的影响，试验结果如图2所示。

图2 温度对抗压弹性模量的影响

从图2可以看出，随着龄期的延长，混凝土的抗压弹性模量逐渐增大，但总体的增长趋势小于轴心抗压强度;当龄期相同时，抗压弹性模量相对值随着温度的降低逐渐增大。这主要是因为，对混凝土而言，其弹性主要取决于主要组分的密度与所占体积的百分比，以及过渡区的性质;随着温度的降低，混凝土发生收缩，密实度增大，因此，抗压弹性模量增大。

2.3 抗压峰值应变

当压力作用时，混凝土会产生纵向和横向变形，随着荷载的增大，试件中部的横向变形将逐渐达到混凝土的极限值，并产生纵向裂纹，当荷载继续增加时裂纹逐渐扩展，直至混凝土发生破坏，因此研究压应力作用下，混凝土的抗压峰值应变十分重要，测定不同负温作用后混凝土的抗压峰值应变，并计算抗压峰值应变相对值，结果见图3。

图3 温度对抗压峰值应变的影响

从图3可以看出，当温度相同时，混凝土养护龄期越长，抗压峰值应变和抗压峰值应变相对值越大。当养护龄期相同时，随着温度的降低，混凝土抗压峰值应变和抗压峰值应变相对值逐渐减小，例如当温度由20 ℃降低至－20 ℃和－40 ℃时，混凝土28 d的抗压峰值应变分别从2.57 ×10－3降低至2.43 ×10－3和 2.21 × 10－3，分别降低了 5.45% 和 14.0%。这主要是因为随着温度的降低，尤其是低温时，水结冰对混凝土内部产生的损伤逐渐加大，混凝土中出现的缺陷数量逐渐增多，在外力作用下出现破坏时的变形减小，因此抗压峰值应变逐渐减小。

3 结论

1)混凝土各龄期的轴心抗压强度和轴心抗压强度相对值都随着温度的降低而逐渐增大;混凝土轴心抗压强度随着龄期的延长而增大，其中14 d 之前抗压强度随龄期的变化较快，而14 d 之后变化趋势放缓;在试验所选温度区间内，混凝土各龄期的轴心抗压强度与温度之间呈二次函数关系变化，其中相关性系数都大于0.99。

2)随着龄期的延长，混凝土的抗压弹性模量逐渐增大，但总体的增长趋势小于轴心抗压强度;当龄期相同时，抗压弹性模量相对值随着温度的降低逐渐增大。

3)当养护龄期相同时，随着温度的降低，混凝土抗压峰值应变和抗压峰值应变相对值逐渐减小，当温度由20 ℃降低至－20 ℃和－40 ℃时，混凝土28 d 的抗压峰值应变分别降低了5.45%和14.0%。

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