低温环境下全轻混凝土力学性能试验研究

田 琦，刘宗辉 ，秦文博

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000； 2.中建七局安装工程有限公司，河南 郑州 450045)

我国幅员辽阔，南北温差很大，北部寒带省份温度低且温差大。黑龙江漠河最低温度曾达到-52.3 ℃，内蒙古、吉林、新疆等省份也出现过-30 ℃甚至-40 ℃的低温。而目前对于混凝土性能的研究往往都是常温下进行的，只能反映其在常温下的受力状态[1]。寒带地区冬夏两季冻融循环，中午与夜间小温差冻融循环都会对混凝土的性能造成影响，这些因素的影响导致低温环境下混凝土结构设计不合理，也不安全。而作为特殊的地下工程建设，冻结法无疑是最好的选择，它利用人工制冷的方法[2]，将低温介质送入地层，使地层中的水冻结成冰，从而使土层强度增大，地下水得到控制。保证冻结法施工成败的关键是确保低温条件下混凝土免受损害。因此，研究低温养护时混凝土的性能非常必要。

由于轻骨料混凝土在低温环境下的物理力学性能研究还相对较少，而且轻骨料的筒压强度较低、孔隙率较大、搅拌和养护过程中吸水率远大于普通混凝土等显著特征，致使其与普通混凝土存在显著区别。因此，为了探讨低温环境对全轻页岩陶粒混凝土(以下简称为全轻混凝土，ALWC)的一般力学性能影响，本文以LC30为例，按照目标温度 (-5℃、-10℃、-15℃)分别在低温室中养护3d、7d、14d、28d，然后对其特征强度、弹性模量以及单轴压应力-应变曲线进行系统试验，通过对其变化规律的系统总结，以期为相关试验研究、工程设计、施工与评价提供试验依据。

1 试验概况

1.1 原材料

采用焦作坚固牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为焦作电厂Ⅱ级粉煤灰；粗骨料选用洛阳正全实业有限公司生产的页岩陶粒(以下简称为陶粒)，最大粒径为15 mm，堆积密度755 kg/m3，筒压强度3.6 MPa；细骨料选用洛阳正全实业有限公司生产的页岩陶砂(以下简称为陶砂)，细度模数Mx为3.2，堆积密度806 kg/m3；减水剂为FDN型高效减水剂，掺量为胶凝材料总量的1%；水为自来水。

1.2 试验配合比

根据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)，采用松散体积法初步确定LC30配合比的基本范围，在此基础上经多次调整、试配，确定基准配合比；然后通过正交试验方法，最终确定如表1所示的最优配合比。其中，坍落度T为187～230 mm。

表1 全轻混凝土的配合比与试验值

注：W/B表示水胶比；fcu28d表示28 d立方体抗压强度/MPa；fst28d表示28 d劈裂抗拉强度/MPa；ρd表示干表观密度/(kg/m3)。

1.3 试验方案

根据实验研究对象分为不同的试件和不同的试件尺寸。抗压、劈拉实验采取100 mm×100 mm×100 mm的试块，轴心抗压和应力-应变曲线采取100 mm×100 mm×300 mm的试块。本试验依据其不同的目标温度T(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、20 ℃)、不同的龄期t(3 d、7 d、14 d、28 d)，共制作了96块立方体，48块棱柱体。所有试块均采用相同配合比，机械搅拌，-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃的试块制作完成后带模放入低温室，低于-5 ℃的混凝土需在试块上盖一层薄膜、再在薄膜上加盖一层棉被进行保护，然后养护24 h后拆模，拆模后继续在低温室中养护至目标龄期t后，立即从低温室中取出并马上进行力学性能试验；20 ℃的试块在常温下养护，24 h后拆模，再在室内洒水养护至目标龄期t后，进行力学性能试验，作为空白对照组，每种工况均采用3个试件；如果试验数据离散性较大，按倍数增加试件，以保证试验数据的可靠性。

2 试验结果及分析

2.1 试验宏观现象

在低温环境养护后的试件，试块表面均未出现可见裂缝和角落剥落现象，颜色与常温时无明显变化，表面有一层薄霜。但在相应的力学性能试验时，不同低温下混凝土立方体试块的破坏形态相似，但其破坏随温度的降低变得越来越突然，随着T降低，抗压试验过程中，其上下断面和边角损坏逐渐严重，两端锥状体更加明显，中间部分破裂分离；劈裂试验时的破坏块体较为完整，仅在表面有少量粉末[3]。与常温试验相比，所有试件在受压加载过程中伴有轻微碎裂声；当达到最大荷载时伴随有巨大的爆裂声，且随T降低破碎程度越趋严重，说明脆性破坏特征更加明显。

2.2 绝热温升

水泥水化热产生的温度应力是混凝土结构发生早期裂缝的一个重要原因。由于水泥在水化过程中产生水化热的不均匀分布和硬化后混凝土在降温时变形受到结构约束，或不同温度的混凝土层间互相约束，会导致混凝土结构发生早期裂缝。因此，在低温养护时必须考虑混凝土的绝热温升。

本试验将搅拌均匀的混凝土用牛皮纸装入体积为1.5 L的暖水瓶中，待装满后，将钻有小孔的木塞盖严，并用密封胶密封，随后将温度计由小孔插至混凝土中心并将小孔密封，每隔4 h进行温度读数，当温度稳定时记录该温度值。共做5组作比较验证，若五组温度值相差不大，则记录的5个温度值的平均值即为1.5 L混凝土的绝热温升。

表2 全轻混凝土的绝热温升试验值

2.3 特征强度

不同低温作用后，全轻混凝土的抗压强度fcu随T和t变化关系，分别如表3和图1所示，其部分相互关系式分别如式(1)、式(2)所示。

表3 不同低温和龄期时的全轻混凝土抗压强度 MPa

图1 不同低温作用后全轻混凝土抗压强度与温度、龄期之间的变化关系

(1)

fcutd= -0.014t2+0.847t+8.59，3 d≤t≤28 d，T=-15 ℃，R2=0.967 9

(2)

由表3和图1可知：全轻混凝土在-15℃、-10℃、-5℃养护温度下28 d的立方体抗压强度与常温相比下降率分别为37%、29%、10%，随着T的降低fcutd逐渐减小，而αcutd逐渐增大，但前者也随t增长而增大，而后者则随t增长而降低，并均表现出良好的相关性。其抗压强度损失率呈现先快后慢的趋势，这是由于混凝土在早期受冻时，温度较低，水泥水化速度减慢，混凝土强度增长缓慢，另外当温度降低时冰晶的形成会导致混凝土体积膨胀[4-6]，使得刚刚搭界的水泥石凝胶网络骨架失去凝胶特性，界面变得松散从而降低了混凝土的抗压强度。

不同低温养护条件下，全轻混凝土轴心抗压强度fc随T和t的变化关系，分别如表4和图2所示，其部分相互关系式分别如式(3)、式(4)所示。

表4 不同低温和龄期时的全轻混凝土轴压强度 MPa

图2 不同低温作用后全轻混凝土轴心抗压强度与温度、龄期之间的变化关系

(3)

fctd= -0.020t2+1.079t+9.85， 3 d≤t≤28 d，T=-15 ℃，R2=0.998 4

(4)

与图1比较可知：全轻混凝土fctd和αctd的变化规律与fcutd和αcutd相似。其中，常温养护环境下fc28d平均为fcu28 d的89%，fc7 d为fc28 d的77%；-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃养护时，fc28 d分别为常温时的45%、57%、83%，下降率分别为56%、43%、20%，混凝土轴心抗压强度的下降率比立方体抗压强度较大，这与轴心抗压强度的试件大小、受力方式有关，轴心抗压试验的试件比立方体抗压试验的试件要大，且在受压时立方体试件所受的环箍效应要远大于轴心试件，因此当混凝土内部结构受到损害时，轴心抗压的下降率要大[7]。

不同低温作用后，全轻混凝土劈裂抗拉强度fst随T和t的变化关系，分别如表5和图3所示，其部分相互关系式分别如式(5)、式(6)所示。

表5 不同低温和龄期时的全轻混凝土下劈拉强度 MPa

fst28d= -2.79×10-3T2+0.053T+3.76，-15 ℃≤T≤20 ℃，R2=0.998 3

(5)

fsttd= -1.97×10-3t2+0.111t+0.784 ，3d≤t≤28 d，T= -15 ℃，R2=0.999 9

(6)

图3 不同低温作用后全轻混凝土的劈裂抗拉强度与温度、龄期之间的变化关系

与图1和图2比较可知：全轻混凝土fsttd和αsttd的变化规律也与fcutd和αcutd、fctd和αctd相似。其中，常温养护条件下fst7d为fst28d的74%；-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃养护的混凝土fst28d分别为常温时的63%、80%、92%，下降率分别为37%、20%、8%，劈拉强度下降率和立方体抗压强度下降率较为接近。

2.4 弹性模量

不同低温作用后，全轻混凝土弹性模量E随T和t的变化关系如图4所示，其相互关系式分别如式(7)、式(8)所示。其中，E取自σ-ε曲线上σ=0.4fc时的割线模量作为初始弹性模量E0。其变化规律与各种特征强度的变化规律相似，且一般较普通混凝土低25%～65%，-15 ℃时E28d较常温时下降了31%。

E28d=0.186T+17.14，-15 ℃≤T≤20 ℃，R2=0.993 5

(7)

Etd=-1.28×10-2t2+0.682t+5.18，3 d≤t≤28 d，T=-15 ℃，R2=0.907 1

(8)

图4 不低温作用后全轻混凝土弹性模量与温度、龄期之间的变化关系

2.5 应力-应变曲线

图5(a)是不同低温作用后，龄期为28 d时的σ-ε曲线；图5(b)是常温时不同龄期下的σ-ε曲线。

图5 不同低温作用后全轻混凝土的应力-应变曲线与温度、龄期之间的变化关系

由图5(a)可知：在常温养护条件下，全轻混凝土的峰值应力σc随着t的增加而增加，单峰值应变εc的增加幅度则很小；上升段变化不明显，但下降段的坡度随着龄期的增加则越来越陡。由图5(b)可知：σc和εc都随着T降低而减小，在单轴压应变在2 000×10-6范围内时，σ-ε关系基本保持线性，一旦超过该值，将很快发生破坏。随着温度的降低，应力减小的幅度越来越小，应变变化幅度也越来越小。

由此可见，不论是在同温度时随着t增加，还是同龄期时随着T降低，在应力变化幅度相同时，变形减小，延性变差，这与前述各种特征强度的变化特征相一致。

3 结果讨论

试块成型后立即放入低温室中，测得的抗压强度损失率在-10 ℃、-15 ℃时表现的较为明显，而-5 ℃养护的混凝土28 d抗压强度与常温环境下养护的试块抗压强度相当，是由于负温养护后混凝土的初始结构都较为疏松，存在着大量孔洞，且孔洞中水化产物较少，在-5 ℃养护的混凝土中，孔隙中观察到已生成一定量的针棒状AFt和絮状C-S-H凝胶等水化产物；-10 ℃养护的混凝土中，尽管已经形成了一定的水泥石骨架结构，但是结构不连续，存在着大量的微裂纹和孔隙；而-15 ℃养护的混凝土中，在少量絮状C-S-H凝胶周围存在着大量的未水化水泥颗粒，呈堆积状散乱分布，结构亦较为疏松[8]。综合文献[9]、[10]的相关试验结果分析可知，低温环境养护下全轻混凝土的特征强度影响变化规律与普通混凝土相似。

4 结论

(1) 试块成型后放入低温室，养护到一定的龄期后，测得全轻混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈拉强度、弹性模量均随龄期的增长而提高，但随温度的降低而减小，且早期温度越低，受到的损伤程度越大；

(2)低温环境养护后，其应力-应变曲线的峰值应力较常温减小，峰值应变也随之减小，说明低温作用后其破坏更具有脆性特征，也更具有突发性；

(3) 分别给出了全轻混凝土各力学性能指标随温度、龄期变化的部分拟合公式，可为相关试验与结构设计提供参考依据；

(4) 低温作用是混凝土损伤的一个基本因素,混凝土工程在冬季或负温的环境中施工时，为保证水泥在负温下的水化、硬化，防止混凝土的早期冻害，经常根据环境温度的不同在混凝土内掺入适量的防冻剂。

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