不同应力条件下水工混凝土性能试验研究

李彦锋

(盘锦市水利服务中心,辽宁 盘锦 124000)

近年来,水工混凝土抗冻融和抗碳化耐久性能逐渐引起广大学者的关注,其中冻融破坏问题大多集中于西北、华北和东北地区,并且以东北为代表的严寒地区水工混凝土冻融破坏最为严重[1]。有许多研究探讨了混凝土冻融破坏机理,但主要侧重于混凝土自身材料的性能分析,而较少考虑工程结构的工作环境状态,在受冻融破坏的同时混凝土结构或者构件必然承受荷载,必须考虑荷载对混凝土冻融破坏的影响,特别是荷载复合作用是导致混凝土劣化破坏和内部结构损伤的重要因素,这是一个交互作用与损伤叠加的过程[2-4]。许露露等[5]认为预应力混凝土强度等级与其抗冻性能存在密切联系;陈妤等[6]通过研究冻融循环作用下预应力海工混凝土耐久性发现,预应力混凝土受冻融循环作用的影响较大,这是导致结构破坏的一种基本动力;孙伟等研究了冻融循环与弯曲荷载耦合作用的混凝土性能,结果显示荷载与冻融耦合作用明显高于单因子作用的劣化损伤程度;罗小勇等[7]分析了混凝土碳化性能受不同应力作用的影响,结果表明拉应力可以加速碳化,而压应力有利于降低碳化速度。虽然有学者探讨了混凝土在荷载作用下的耐久性能,但尚未形成统一的结论,特别是多种工况下的水工混凝土耐久性研究还鲜有报道。因此,文章结合有关试验研究方法,深入探讨了水工混凝土抗冻性及抗碳化性能受不同应力条件的影响作用。

1 试验方案

1.1 原材料

1)水泥。采用浑河P·MH42.5级中热硅酸盐水泥,比表面积320m2/kg,氯离子0.028%,碱含量0.61%,三氧化硫1.88%,烧失量1.05%。

2)粉煤灰。辽宁中电工程有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰,细度20.5%,烧失量4.0%,需水量比98%,含水量0.5%,强度活性指数86%,三氧化硫1.2%,游离CaO含量0.3%。

3)粗细骨料。砂选用细度模数2.5的天然河砂,表观密度2510kg/m3,微粒含量5.2%,含泥量0.2%;石选用花岗岩碎石,5～20mm连续级配,吸水率1.1%,压碎指标6%,表观密度为2680kg/m3。

4)外加剂。聚羧酸高性能减水剂(液态),固含量16%,含气量3.0%,掺量0.6%～2.0%,减水率20%～30%,泌水率28%,28d收缩比率87%,初、终凝时间差-40min和-50min。拌合水用自来水。

1.2 试件制备

根据DL/T 5330-2015 《水工混凝土配合比设计规程》合理确定配合比为m水:m减水剂:m砂:m石:m水泥:m粉煤灰=180:1.5:680:1020:320:80,制备400mm×100mm×100mm的标准试件参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试验。

本试验利用后张法制作压应力试件,通过千斤顶对试件中心预留的孔道施加预压应力,应用镦头锚固定试件端部,施加0.2fc、0.4fc和0.6fc的压应力,试验过程中控制超张拉3%,以防预应力筋应力松弛及混凝土收缩徐变可能引起的预应力损失。在制作拉应力试件时,将螺纹钢筋预埋在试件两端,然后利用自制钢架张拉螺纹钢筋,从而施加0.2ft、0.4ft和0.6ft的预拉应力。

1.3 试验方法

试验采用快速碳化法测试混凝土抗碳化性能,控制碳化箱(型号CABR-HTX12)二氧化碳浓度20%、相对湿度80%、温度(20±2)℃,将标养28d的各组试件放入碳化箱,然后利用1%酒精酚酞试剂测定碳化3d、7d、14d、28d的碳化深度。

试验采用快冻法测试混凝土抗冻性能,将标养28d的试件先浸入水中4h使其处于饱水状态,然后放入快速冻融试验机(型号H-15564型)冻融4h,控制混凝土中心温度处于-15～5℃,每4h为1次冻融循环,达到预定冻融次数后取出试件,测定其相对动弹模量和质量损失率,当质量损失率超过5%或相对动弹模量<60%时则认为混凝土已发生破坏,试验结束。

2 结果与分析

2.1 碳化深度试验

不同应力条件下3d、7d、14d、28d碳化时间的水工混凝土碳化深度测试结果,如表1所示。从表1可以看出,无应力条件下(未受力状态)水工混凝土3d、7d、14d、28d碳化深度依次为7.1mm、12.1mm、16.5mm和20.0mm。水工混凝土碳化深度随着拉应力的逐渐增加而增大,拉应力增加到0.2ft时水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次为无应力条件下的1.06倍、1.07倍、1.05倍和1.11倍,拉应力增加到0.6ft时水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次为无应力条件下的1.27倍、1.17倍、1.18倍和1.25倍。水工混凝土碳化深度随着压应力的逐渐增加而减小,压应力增加到0.2fc时水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次为无应力条件下的90.14%、94.21%、94.55%和93.00%,压应力增加到0.6fc时水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次为无应力条件下的81.69%、79.34%、84.85%和85.00%。

表1 不同应力条件下的碳化深度

压应力条件下,水工混凝土的抗碳化性能增强,这是因为承受一定压应力时水工混凝土的内部结构更加密实,部分砂浆与骨料之间的间隙趋于闭合,并且低压力条件下混凝土内部未形成或只有极少细裂缝。所以,一定压应力条件下混凝土结构更加致密,有利于降低CO2向内部的传输、渗透及扩散速度,明显减小碳化进程。同理,拉应力条件下水工混凝土的抗碳化性能减弱,这是由于拉应力使得骨料与砂浆之间的原有裂隙不断增加,随着荷载的增家新的裂缝又进一步发展,裂缝的存在会明显加快CO2的传输、渗透及扩散速度,大大降低混凝土的抗碳化性能[8]。

从表1还可看出,0.6ft、0.4ft、0.2ft、无应力、0.2fc、0.4fc、0.6fc应力条件下水工混凝土3d碳化时间的碳化深度依次为9.0mm、8.2mm、7.5mm、7.1mm、6.4mm、6.3mm、5.8mm;各应力条件下,水工混凝土7d相较于3d碳化时间的碳化深度依次增加56.67%、65.85%、73.33%、70.42%、78.13%、63.49%、65.52%;各应力条件下,水工混凝土14d相较于7d碳化时间的碳化深度依次增加38.30%、39.71%、33.85%、36.36%、36.84%、45.63%、45.83%;各应力条件下,水工混凝土28d相较于14d碳化时间的碳化深度依次增加28.21%、23.68%、27.59%、21.21%、19.23%、20.67%、21.43%。因此,水工混凝土碳化深度随着碳化时间的增加逐渐增大,早期(前7d)水工混凝土的碳化深度快速增加,碳化速度随着碳化时间的延长逐渐下降。

2.2 质量损失率试验

不同应力条件下冻融循环25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次的水工混凝土质量保留率均随着冻融循环次数的增加逐渐减小。在0.6ft、0.4ft、0.2ft拉应力条件下,水工混凝土经25次、25次和50次冻融循环后被拉断,故无后续试验数据。冻融循环和拉应力耦合作用下水工混凝土试件发生过早破坏,究其原因是内部结构受拉应力作用变得松弛,从而扩大了骨料与砂浆之间的空隙,对混凝土冻融损伤起到加速破坏作用[9]。随着冻融次数的增加混凝土抗拉强度不断降低,损伤破坏逐渐加剧,并进一步加快裂缝的形成与发展,而裂缝的形成扩展反过来又会加速冻融损伤,如此反复循环使得抗冻性能逐步劣化,最终使得混凝土发生过早破坏。

压应力条件下,水工混凝土质量保留率随冻融循环次数的增加逐渐减小。在冻融循环0～50次时,各压力条件下的试件质量损失相差较小;冻融循环50～100次时,各压应力条件下的试件质量损失相差更小,这是因为一定压应力条件下,使得混凝土内部孔隙结构在冻融初期阶段变得更加致密,从而增大了水分的渗入难度,大大降低了对混凝土的冻融损伤作用;150次冻融循环后,0.6fc压应力条件下的试件质量损失增大,究其原因是混凝土强度随冻融循环的持续进行逐渐下降,即使在0.6fc压应力条件下内部依然形成裂缝,对混凝土抗冻性产生劣化作用。

2.3 相对动弹模量试验

不同应力条件下冻融循环25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次的水工混凝土相对动弹模量在拉应力条件下快速下降。0.6ft拉应力条件下,冻融循环25次后水工混凝土相对动弹模量下降到56%,低于60%试件发生破坏;0.4ft拉应力条件下,冻融循环25次后水工混凝土相对动弹模量下降到64%,接近破坏状态;0.2ft拉应力条件下,冻融循环50次后水工混凝土相对动弹模量下降到58%,低于60%试件发生破坏。因此,在拉应力条件下水工混凝土经0～50次冻融循环就发生了破坏。究其原因是拉应力作用使得内部微裂缝进一步扩展,外界水分很容易渗入到混凝土内部形成孔隙水压力和冻胀力,加速试件的冻融破坏,且热胀冷缩也是导致破坏的重要原因,在热胀冷缩、冻胀力和拉应力的共同作用下使得混凝土发生过早破坏〉-11]。

冻融循环0～75次时,一定压应力略高于无压应力条件下的混凝土相对动弹模量;冻融循环75次后,0.60fc压应力条件下的试件相对动弹模量快速下降,冻融循环150次后下降到57%,低于60%试件发生破坏。通过比较不同压应力条件下的试件相对动弹模量可知,相对动弹模量最大的是0.4fc组试件。所以,一定的压应力可以增强水工混凝土抗冻性,超过该极限值就会加速冻融破坏。水工混凝土在压应力≤0.4fc时不会产生裂缝,且在压应力作用下混凝土浇筑过程中形成的裂缝也会趋于闭合,在冻融作用时能够有效抑制外界水分的渗入,降低冻融循环破坏作用。在0.6fc压应力条件下,虽然冻融初期的相对动弹模量降幅较小,但混凝土强度随着冻融次数的增加快速降低,表面逐渐形成裂缝,特别是压应力作用下混凝土裂缝进一步扩展,从而显著降低试件的相对动弹模量。

2.4 抗冻寿命测算系数

文章将应力修正系数ψ与已有抗冻性能预测模型相结合,结合试验数据提出修正的预测模型。应力为0时ψ=1,该条件下无需修正模型。根据无应力和不同应力条件下水工混凝土冻融破坏次数N,计算确定相应的修正系数ψ,其中应力比σ/f为正、负时代表受压和受压应力,不同应力条件下的修正系数ψ,见表2。

表2 不同应力条件下的修正系数ψ

通过回归分析试验数据确定应力修正系数ψ与应力比σ/f之间的关系式,拟合曲线和试验数据对比。

3 结 论

1)应力作用对水工混凝土碳化影响较大,其中拉应力会加速碳化,0.6fc拉应力为无应力条件下碳化深度的1.17～1.27倍;压应力条件能够有效改善水工混凝土抗碳化能力,0.06fc压应力为无应力条件下碳化深度79.34%～85.00%。水工混凝土碳化深度随着碳化时间的增加逐渐增大,早期(前7d)水工混凝土的碳化深度快速增加,碳化速度随着碳化时间的延长逐渐下降。

2)水工混凝土内部结构受拉应力作用变得松弛,骨料与砂浆之间的空隙扩大,外界水分更易向内部渗入,对冻融损伤起到加速破坏作用。冻融循环会快速降低抗拉强度,进一步加快裂缝的形成与发展,而裂缝的形成扩展反过来又会加速冻融损伤,如此反复循环使得抗冻性能逐步劣化,最终使得混凝土发生过早破坏。

3)一定的压应力可以增强水工混凝土抗冻性,压应力≤0.4fc时内部不会产生裂缝,且混凝土浇筑过程中形成的裂缝也会趋于闭合,增强整体抗冻性能;0.6fc压应力条件下,虽然冻融初期的相对动弹模量降幅较小,但随着冻融次数的增加混凝土表面逐渐形成裂缝,在压应力作用下裂缝进一步扩展,加快混凝土冻融劣化。

4)通过回归分析试验数据确定应力修正系数ψ与应力比σ/f之间的关系式,可以为准确预测水工混凝土抗冻性能和承受的最大冻融次数提供一定参考。