冻融和疲劳作用下约束混凝土抗压性能试验

李海波,逯静洲,田飞翔,王建伟,黄 毓

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

在寒冷地区,水利堤坝与桥梁墩台等钢筋混凝土结构在服役过程中,不仅承受循环荷载的反复作用,而且还会遭受冻融循环作用。例如,位于青藏高原的拉西瓦大坝,由于地处高寒地区,坝体混凝土一方面承受水流冲击与水位变化产生的疲劳荷载作用,另一方面还遭受到温度变化导致的冻融循环作用。因此,关于疲劳荷载与冻融两种因素共同作用下混凝土抗压性能的试验研究,对实际工程中钢筋混凝土结构物的耐久性评估具有极其重要的指导意义。冻融循环作用对混凝土影响研究方面,曹大富等[1]通过对经受冻融循环作用后混凝土的单轴受压破坏试验,对混凝土受压性能的影响因素进行分析,提出了关于受冻融混凝土受压性能指标的经验公式。白卫峰等[2]通过不同冻融循环次数下再生混凝土的单轴受压试验,研究了再生混凝土的应力-应变全曲线与变形破坏特征,并揭示了冻融循环次数对再生混凝土统计损伤本构模型各特征参数的影响规律。吴倩云等[3]通过玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土的冻融循环试验、气孔结构测试试验,研究了玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土冻融损伤量、抗压强度、抗拉强度的变化规律,并分析了气孔结构参数与冻融损伤量的关系。闫景晨等[4]采用数字图像相关法,探究了历经盐冻后沥青混凝土全受力过程,并揭示了冻融次数与盐溶液种类对应力集中速度的影响规律。方从启等[5]研究了受冻融约束混凝土的强度和刚度退化规律,并分析了不同材料配合比对试件抗冻性能影响。段安等[6]通过对不同冻融次数下的箍筋约束混凝土进行轴心抗压破坏试验,研究了受冻融约束混凝土的应力-应变全曲线,并分析了箍筋约束作用对混凝土应力-应变关系的影响。关于疲劳荷载作用对混凝土影响研究方面,寇佳亮等[7]通过高延性混凝土在不同加载频率和应力水平下的压缩疲劳试验,总结了其疲劳变形规律,并得到了其在不同失效概率下的压缩疲劳等效寿命。刘妙燕等[8]通过不同橡胶掺量混凝土的疲劳断裂试验,分析了疲劳荷载下不同橡胶掺量混凝土的断裂能与裂缝扩展的规律。周宏宇等[9]通过不同尺寸立方体试块的疲劳抗压试验,分析了其累积损伤机理和疲劳累积发展情况。关于冻融循环与疲劳荷载联合作用对混凝土影响研究方面,寇佳亮等[10]通过冻融试验与疲劳性能试验,研究了高延性混凝土在不同应力水平、加荷频率下的疲劳变形特征和疲劳寿命。逯静洲等[11-12]通过混凝土的疲劳和冻融试验,研究了疲劳和冻融不同作用次序下混凝土的动态受压损伤特性与叠加效应。张楠[13]通过对疲劳荷载与冻融循环多次交互作用下混凝土进行抗压试验,研究了疲劳与冻融损伤后混凝土的力学特性。

目前,关于箍筋约束混凝土在冻融循环与疲劳荷载两种不同联合作用下力学性能的相关研究较为少见,研究主要集中在基于材料层次的冻融循环作用与疲劳荷载作用下素混凝土的抗压性能或冻融单因素作用下约束混凝土的抗压性能,因此,有必要对冻融与疲劳作用下约束混凝土的抗压性能开展一系列的试验与理论研究。本文基于冻融循环与疲劳荷载共同作用后混凝土的轴心抗压破坏试验,研究箍筋约束混凝土的应力-应变关系,分析峰值应力与峰值应变变化规律,并通过素混凝土与约束混凝土无量纲化的应力-应变全曲线对比,探讨箍筋的约束效应。

1 试验设计

1.1 试件制作

试验所用材料为冀东牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥,天然河砂,粗骨料为最大粒径20 mm的连续级配碎石,试验用水为烟台市自来水,灰霸牌萘系高效减水剂,灰霸牌混凝土引气剂。

依照《普通混凝土配合比设计规程》[14](JGJ55—2011)进行被配合比设计,混凝土配合比为水泥∶石子∶砂∶水∶减水剂∶引气剂=1∶2.80∶1.51∶0.41∶0.007∶0.000 2。快速冻融试验试件采用100 mm×100 mm×300 mm的配筋混凝土棱柱,其中纵筋采用带肋的HPB 300钢筋,直径8 mm,长320 mm,配筋率为2%,箍筋为直径6 mm的HPB 300钢筋,箍筋间距为60 mm,配箍率为2.4%,保护层厚度为10 mm。标准养护室养护28 d,实测混凝土立方体抗压强度的平均值为 49.84 MPa,其后在自然条件下放置90 d。

1.2 试验概况

按照冻融循环次数与疲劳加载次数对试件进行分组,每组的试件个数为3块,用T代表冻融循环作用,F代表疲劳荷载作用,对试件进行编号。试件分组编号及部分试验结果如表1。

表1 试件分组编号及部分试验结果

表1(续)

试验分为快速冻融试验、疲劳加载试验、单轴受压破坏试验三部分,具体试验流程为:第一步将养护好的混凝土试件放入15～20 ℃的水中浸泡,水面高出试件顶面20 mm,浸泡4 d后将试块取出,按照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》[15](GB/T50082—2009)中的规定,将试块放入NELD-BFC型冻融试验机进行快速冻融试验,冻融试验的温度范围为(-17±2)～(8±2) ℃,冻融循环周期为2～4 h,混凝土试件的冻融循环设定次数为100次、200次和300次,达到设定冻融循环次数后停止运行,取出试件。第二步以《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》[15](GB/T50082—2009)中规定的疲劳试验方法为依据,将冻融不同次数的混凝土试件进行疲劳试验,疲劳荷载设定值为0.1fc～0.5fc,疲劳荷载均值为0.3fc,选用正弦波加载,波形幅值为0.2fc,加载频率为5 Hz。混凝土试件轴压疲劳荷载加载的设定次数为2×104、4×104、6×104次,达到设定疲劳加载次数后停止加载,取下试件。第三步将历经冻融循环与疲劳荷载作用后的混凝土试件进行单轴受压破坏试验,试验使用YAW-2000D型电液伺服压力试验机,并运用非接触式位移/应变视频测量仪采集试验数据。

2 试验结果与分析

2.1 外观形貌及破坏过程与破坏形态

图1(a)为混凝土历经不同冻融次数(0次、100次、200次、300次)后混凝土的外观形貌图。经受冻融循环作用后的混凝土试件随冻融次数的增加表面粗糙程度变化明显,未冻融的混凝土试件表面较为光滑,冻融100次后试件表面有轻微水泥浆体颗粒剥落现象,出现许多微小孔洞,冻融200次后试件表面粗糙不堪,大片水泥浆体剥落,出现轻微掉角现象,冻融300次后试件表面水泥浆体严重剥离,出现较大孔洞,大量骨料外露,有明显的棱角剥落现象。

图1(b)—(e)分别为仅受疲劳荷载作用与冻融100次、冻融200次、冻融300次后疲劳不同次数(0次、2×104次、4×104次、6×104次)的约束混凝土的受压破坏形态图。在单轴受压加载过程中,疲劳次数不同而冻融次数相同的混凝土的破坏过程与破坏形态基本相似,冻融次数不同而疲劳次数相同的混凝土的破坏过程与破坏形态则略有不同,随着冻融次数的增加,混凝土保护层剥落愈加严重,冻融300次的混凝土在受压过程中保护层基本压碎剥落,内部混凝土也存在严重的冻酥现象。在加载的初始阶段,混凝土试件并未出现明显的变化,当压应力接近峰值应力时,混凝土试件开始出现竖直方向的细短裂缝,并伴随“嗞嗞”和“噼啪”的响声,冻融200次与冻融300次的混凝土试件保护层出现掉屑与剥落现象,压应力超过峰值应力后,伴随“咚”的一声闷响,裂缝不断扩展形成贯穿试块的竖向裂缝,保护层向外鼓起,冻融200次与冻融300次的混凝土试件保护层大块掉落,部分受冻不均匀的试块保护层掉落严重并出现压碎现象,内部纵筋与箍筋外露,外露纵筋屈曲。

图1 外观形貌与破坏形态

2.2 应力-应变全曲线

图2为经受相同冻融次数的混凝土疲劳不同次数后的应力-应变全曲线以及经受相同疲劳次数的混凝土冻融不同次数后的应力-应变全曲线。从图2(a)—(h)对比来看,经受不同冻融循环次数与疲劳加载次数的混凝土试件的应力-应变全曲线形状均有所改变,曲线上升段随冻融次数与疲劳次数的增加均向右下方偏移,峰值点下降与后移明显,下降段则有所延伸。说明混凝土试件在历经不同程度的冻融循环作用和疲劳荷载作用后,其强度、变形与刚度均有显著改变。

图2 应力-应变全曲线

强度方面,如图3(a)所示,随着冻融循环次数与疲劳加载次数的增加,混凝土试件的抗压强度均不断降低,且其抗压强度随冻融次数的增加降低程度更大,接近于直线下降。未经受冻融循环作用与疲劳荷载作用的混凝土试件冻融100次、200次、300次后抗压强度分别为48.95 MPa、44.07 MPa、39.37 MPa,在相同的冻融周期内(0～100次、100～200次、200～300次),抗压强度分别降低了6.39%、9.33%、8.99%,说明约束混凝土的抗压强度在每个冻融周期内均有较大幅度的降低;疲劳2×104次、4×104次、6×104次后抗压强度分别为51.37 MPa、49.05 MPa、47.63 MPa,在相同的疲劳周期内(0～2×104次、2×104～4×104次、4×104～6×104次),抗压强度分别降低了1.76%、4.44%、2.71%,抗压强度降低幅度较小,且降低幅度有明显的减小,说明随着疲劳加载次数的增加,混凝土在疲劳荷载作用下的损伤先增加后减小,由前期的较为明显逐渐变为较为缓慢的积累的过程;在冻融循环与疲劳荷载的共同作用下,冻融300次疲劳6×104次的试件抗压强度降低了36.18%。在冻融循环作用与疲劳荷载作用下混凝土强度不断降低的原因在于:饱水的混凝土试件在冻融循环过程中,由于正温与负温的交替变化,孔隙内水分结冰产生的冻胀力与渗透力,反复作用于内部孔壁,在冻胀力与渗透力的反复作用下孔壁破坏,孔隙不断连通扩展产生微裂缝,随着冻融循环次数的增加,混凝土的微裂缝的数目不断增加,并且相互贯通,降低了混凝土的强度。未冻融的混凝土在竖向疲劳荷载的作用下,其初始微裂缝不断变宽延伸,同样对混凝土造成了损伤,降低了其强度。而冻融后的约束混凝土试件由于微裂缝的数目较未冻融的试件更多,在竖向疲劳荷载的反复作用下,裂缝继续延伸扩展,对混凝土所造成的损伤更为严重,进一步降低了其强度。

变形方面,如图3(b)所示,历经冻融循环作用与疲劳荷载作用的约束混凝土试件,峰值应变明显增大的原因在于:一是在冻融循环与疲劳荷载作用下,混凝土内部产生了更多的微裂缝,在受压过程中这些微裂缝不断被压实,增大了混凝土峰值应变εco;二是随着冻融循环次数与疲劳加载次数的增加,强度不断降低,此时约束混凝土的真实配箍特征值λv(λv=ρyv/fc)增大,从而进一步增大了峰值应变εcc(εcc=εco(1+3.5λv)[16])。峰值应变随冻融循环次数的增大呈现较为明显的3个阶段,冻融循环0～100次时上升较慢,由疲劳0、2×104、4×104、6×104次到冻融循环100次疲劳0、2×104、4×104、6×104次峰值应变分别增大了17.14%、5.61%、33.45%、25.51%;冻融循环100～200次时上升较快,由冻融循环100次疲劳0、2×104、4×104、6×104次到冻融循环200次疲劳0、2×104、4×104、6×104次峰值应变分别增大了50.98%、59.40%、53.44%、60.35%;冻融循环200～300次时上升又有所减缓,由冻融循环200次疲劳0、2×104、4×104、6×104次到冻融循环300次后疲劳0、2×104、4×104、6×104次峰值应变分别增大了11.46%、33.99%、41.45%、45.42%。

刚度方面,如图3(c)所示,历经冻融循环作用与疲劳荷载作用后的约束混凝土的弹性模量不断降低,未经受冻融循环与疲劳荷载作用的混凝土试件冻融100、200、300次后弹性模量分别减小了20.08%、49.86%、58.06%,疲劳2×104、4×104、6×104次后弹性模量分别减小了12.66%、19.55%、27.30%,冻融100次且疲劳2×104、4×104、6×104次后弹性模量分别降低了24.87%、41.98%、45.36%;冻融200次且疲劳2×104、4×104、6×104次后弹性模量分别降低了54.14%、60.62%、63.88%;冻融300次且疲劳2×104、4×104、6×104次后弹性模量降低了66.23%、71.84%、75.13%。可见冻融循环次数与疲劳加载次数的变化对约束混凝土试件的弹性模量的影响较大,原因在于:随着冻融循环次数与疲劳加载次数的增加,试件的抗压强度不断降低,峰值应变不断增加,致使试件的弹性模量不断减小。

图3 抗压强度、峰值应变与弹性模量变化

2.3 箍筋的约束效应

结合文献[17]中素混凝土的相关数据,得到图4冻融循环与疲劳荷载作用下约束混凝土与素混凝土的无量纲化应力-应变全曲线。由图4(a)—(c)对比可以看出,约束混凝土的无量纲化应力-应变全曲线上升段曲线较为饱满,而素混凝土的上升段曲线近似直线,约束混凝土的下降段曲线与素混凝土下降段曲线相比较为平直。这是由于侧向约束力的存在限制了试件在受压过程中的横向变形,提高了其刚度与延性。未经受冻融循环作用与疲劳荷载作用的混凝土试件的箍筋约束效果最强,随着冻融循环次数与疲劳加载次数的增加,箍筋的约束效果有较为明显的减弱,原因在于:在冻融循环与疲劳荷载作用下,约束混凝土的钢筋与混凝土之间微裂缝不断增加并扩展贯通,从而使钢筋与混凝土的黏结界面发生损伤,降低了两者的黏结性能,削弱了箍筋的约束效应。

图4 无量纲化应力-应变全曲线

3 结 论

通过快速冻融试验、疲劳荷载试验与单轴抗压破坏试验,得出了应力-应变全曲线,分析了冻融循环次数与疲劳加载次数对约束混凝土强度、变形与刚度的影响,并阐述了箍筋的约束效应,主要结论如下:

(1)随着冻融次数与疲劳次数的增加,约束混凝土试件应力-应变全曲线的峰值点向右下推移,抗压强度与弹性模量降低,峰值应变增大,且冻融循环次数的变化对抗压强度、峰值应变及弹性模量的影响更为显著。

(2)约束混凝土抗压强度在每个冻融周期内均有较大幅度的降低,降低幅度为6%～13%。在相同的疲劳周期内抗压强度降低幅度则呈现先不断增大后不断减小的趋势。峰值应变随冻融循环次数的变化呈现较明显的3个阶段,在冻融0～100次期间增大较快,冻融100～200次期间变缓,冻融200～300次期间再次加快。弹性模量随冻融循环次数与疲劳加载次数的增加降低幅度较大,降低范围为20.08%～75.13%。

(3)在冻融循环与疲劳荷载作用下,钢筋与混凝土之间的微裂缝数目和宽度不断增加,使混凝土与钢筋的黏结界面发生损伤,黏结性能降低,箍筋的约束效果随着冻融循环次数与疲劳加载次数的增加而逐渐减弱。