混凝土在压应力状态下的抗冻性试验分析*

王海军， 高　勇， 魏　华， 谷长叶

(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 辽宁省水利水电勘测设计研究院， 沈阳 110006)



混凝土在压应力状态下的抗冻性试验分析*

王海军1， 高勇1， 魏华1， 谷长叶2

(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 辽宁省水利水电勘测设计研究院， 沈阳 110006)

为了分析压应力对混凝土抗冻性的影响，采用无粘结预应力混凝土结构对C45混凝土试件施加应力比为0、0.4、0.5、0.6的轴向压力，进行标准快速冻融试验，每50次测量其动弹性模量、质量损失和抗压强度的变化.结果表明：应力比为0时，混凝土的质量损失和动弹性模量下降较压应力迅速，未达到抗冻标号F300；应力比为0.4、0.5的混凝土衰减趋势基本一致，抗冻性较无应力状态混凝土有所提高；应力比为0.6的混凝土，其抗冻性在两者之间，在一定应力比下轴向压应力可以提高混凝土的抗冻性能；对混凝土冻融寿命预测模型进行修正，修正后的模型具有一定的工程价值.

压应力； 冻融循环； 应力比； 抗冻性； 无粘结钢绞线； 预测模型； 动弹性模量； 质量损失

对于混凝土的耐久性问题，国内外无论在工程实际中还是在学术科研中都进行了非常多的研究，其中针对混凝土材料的抗冻性能也从各个方面做了大量的工作，确定了评价混凝土抗冻性能的一般方法，但为了更好地指导工程实践，符合混凝土在具体工作过程中的状态，研究双因素或多因素共同作用下混凝土的耐久性对于准确判断混凝土的使用寿命具有更重要的意义.

国内外对混凝土抗冻性研究较多，但大多是无应力状态下的研究[1-5]，应力状态下混凝土抗冻性研究较少.余红发[6]研究了在弯曲荷载作用下混凝土的抗冻性；罗小勇[7]和邹超英[8]研究了在压应力状态下混凝土的抗冻性能，然而得出的结论相驳.罗小勇认为当压应力比在0.5以下时，随着压应力增加，混凝土冻融寿命提高，应力比在0.5～0.75时，随着压应力增加，混凝土冻融循环寿命降低；而邹超英认为试件质量损失率和相对动弹性模量损失率随所受应力的增加而增大，鉴于此，本文对轴压力下混凝土的抗冻性进行了试验分析.

1　试　验

1.1试验材料与配合比

混凝土的设计强度为C45，采用42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料采用人工砂，其细度模数为2.60；粗骨料是人工碎石，最大粒径约为31.5 mm；减水剂采用萘系高效减水剂FDN-A，掺量为水泥用量的0.7%，减水率为10%～25%；引气剂掺量为水泥的0.015%，试验测得混凝土试件的含气量为2.5%.混凝土的配合比如表1所示.

表1　混凝土配合比Tab.1　Mix proportion of concrete　kg/m3

1.2试件制作

通过在模具中心处开洞，放入带橡胶管的1×7φs15.2的钢绞线，浇筑制作了9个100 mm×100 mm×400 mm的试块，同时制作了零应力对比试件.在标准养护条件下养护28 d，之后每3个一组使用穿心千斤顶施加应力比σc/fc(σc为外部压力产生的压应力值；fc为混凝土抗压强度设计值)为0.4、0.5、0.6的轴向压应力并标号，加载时依次在钢绞线两边套上垫片、锚具和夹片后加载，通过油表读数控制压力大小，完成后将多余钢绞线剪掉.加载过程及试件样式如图1所示.

1.3冻融试验

将在轴向力作用下和3个无应力状态的试件以及定期测定抗压强度的试块放入试验机，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB-T50082-2009)中的快冻法进行冻融试验，采用天津港源生产的HDD型混凝土冻融试验机，试件中心温度在(-18±2) ℃～(8±2) ℃，约4 h循环一次，动弹仪使用DY-18型，压力机使用电液伺服压力机，直到试件满足混凝土抗冻性破坏标准，停止冻融试验.

图1　试件和加载过程Fig.1　Specimen and loading process

1.4数据处理方法

每50次对试件的质量和横向基频进行测量，并测量小试块的抗压强度，通过式(1)、(2)计算每一个试件的相对动弹性模量和质量损失，然后再按每一个应力比平均得到不同应力比下的最终值，其表达式为

(1)

Wni=[(m0i-mni)/m0i]×100%

(2)

式中：Pni为50次冻融循环后第i个混凝土试件相对动弹性模量；fni、f0i为50次冻融循环后和循环前第i个混凝土试件横向基频；Wni为50次冻融循环后第i个混凝土试件的质量损失率；m0i为冻融循环试验前第i个混凝土试件的质量；mni为50次冻融循环后第i个混凝土试件的质量.

2　试验结果及分析

2.1不同应力比下混凝土试件的表面变化

经过冻融循环试验后，不同应力比下混凝土试件最终破坏表面情况如图2所示，所有试件在整个过程中没有因为轴向压力的作用而出现裂缝，不同的是试件的抗冻性能及破坏时表面破坏严重程度不同.在循环过程中，试件表面的砂浆如泡发状逐渐剥落，继续循环砂浆变松软，粗骨料外露，这时试件已经破坏，但没有达到质量损失为5%的程度，同时发现压力作用下相同冻融次数混凝土表面破坏情况较无应力破坏缓慢，应力比为0.6的混凝土在冻融破坏后表面破坏较其他应力比的情况严重.

图2　试件冻融破坏表面Fig.2　Freezing-thawing damage surfaces of specimens

一般情况下，试件表面剥落明显，侧面次之，底面变化较小，这是由于在振捣时，粗骨料向下滑动，以致上表面水泥砂浆粗骨料少，密度小，说明密度对混凝土抗冻性有一定影响，冻融破坏主要作用在水泥砂浆.

2.2抗压强度变化

混凝土的抗压强度值如表2所示.每循环50次取3个试件进行普通混凝土抗压试验，通过观察破坏试件的内部发现，在循环150次时内部才完全湿润，也就是说前100次循环试件内部仍然干燥，说明试件仍在进行水化作用，外部水没有渗入，强度有所增长.混凝土抗压强度在200次以前呈下降趋势，幅度较小，循环300次时抗压强度下降明显.

表2　混凝土抗压强度Tab.2　Ultimate compressive strength of concrete

2.3质量变化

规范规定在冻融试件中混凝土试件质量损失达到5%就可停止试验，本试验混凝土的质量损失均未达到5%，其随冻融次数变化规律如图3所示.相对质量为每循环50次时试件平均质量与初始时的比值.图3中，PCF45-4(5，6)代表压应力比为0.4(0.5，0.6)状态下C45混凝土平均数值.从图3中可以看出，试件的质量呈缓慢下降趋势，质量损失是由砂浆剥落造成，质量随着砂浆损伤程度而变化.150次以前质量受压状态的试件质量有所上升，说明试件仍在缓慢吸水，随着循环进行，由外向内开始破坏，表面砂浆脱落，质量才开始下降.总体来说，压应力作用对混凝土质量损失影响不明显.

图3　不同试件相对质量变化Fig.3　Relative mass variation of different specimens

2.4相对动弹性模量变化

各应力比下混凝土相对动弹性模量变化情况如图4所示.对于快冻法，混凝土的抗冻等级利用满足相对动弹性模量下降不低于60%、质量损失不超过5%时的最大冻融循环次数来表示.本试验是通过相对动弹性模量最终确定混凝土的抗冻等级，各应力比下的混凝土相对动弹性模量都呈不同程度的下降趋势，从图4中可以看出：

1) 无应力混凝土动弹性模量下降最快，混凝土抗冻性最差，在循环300次时破坏；

2) 应力比为0.4、0.5状态下的混凝土动弹性模量下降幅度相似，并未发现有梯度规律，并且抗冻等级达到了F350，说明在较低应力水平下的压应力能够提高混凝土的抗冻性；

3) 应力比为0.6的混凝土动弹性模量在冻融前期损失量和0.4、0.5应力比下损失量差距不大，但当循环达到200次后，动弹性模量下降幅度较大，未达到抗冻等级F350.

图4　不同试件相对动弹性模量变化Fig.4　Variation in relative dynamic elastic modulus for different specimens

2.5结果分析

混凝土的冻融循环破坏都是微裂缝在应力作用下积累、发展到一定程度所致，混凝土在单独压应力荷载下，当压应力比分别为小于0.30～0.50，0.75～0.90和大于0.75～0.90时，其内部微裂缝处于相对稳定期、稳定发展期和不稳定发展期[9]，因此，当施加应力比为0.4和0.5时，混凝土内部裂缝是处于稳定期，所加压应力抑制了混凝土浇筑完成形成的微裂缝的继续扩展.现有混凝土冻胀破坏原理认为内部孔隙水是造成混凝土冻融破坏的直接原因[10]，而所加压应力抑制了裂缝的继续开展，也就阻挡了外部水继续进入混凝土中对其造成冻胀影响，所以对混凝土的抗冻性有了促进作用.

高应力的混凝土前期对混凝土的抗冻性有促进作用，原理同低应力比抑制裂缝开展，但随着冻融次数增加，混凝土的强度在降低，开始所加应力比为0.6，之后应力水平必然超过0.6，更高的应力作用会将微裂缝贯通，形成大裂缝，甚至直接导致裂缝出现，则外部水将更快更多地渗入混凝土中，加速混凝土冻胀破坏，大大削弱混凝土的抗冻性.罗小勇及本文都是在混凝土设计强度基础下施加比例应力，邹超英所用试件是圆柱形，并且所加应力以试件标准值的倍数换算为相同立方体强度设计值，相当于其1.5倍之多，应力较大，鉴于此认为这是其结果相驳的原因.

混凝土的冻融破坏主要作用于水泥砂浆，是对水泥砂浆的冻胀破坏，所以选择合适的水灰比、砂率以及性能优越的水泥，级配良好的砂子是提高混凝土抗冻性的有效途径.

3　混凝土抗冻寿命预测模型修正

文献[7]通过对李金玉抗冻性预测模型的修正建立了不同预应力状态下混凝土耐久性指数的数学模型，其表达式为

N=ηξ(A+1)1.5e-11.188(W/C-0.794)-0.013 07f

(3)

式中：N为混凝土能经受的最大抗冻融(快冻)次数；η为差异系数；ξ为预压应力对冻融循环次数的影响系数；A为混凝土含气量；W/C为水胶比；f为粉煤灰掺量.

将本试验结果带入式(3)计算发现结果有较大出入，本文直接引入压力影响系数ω，计算方法为应力状态混凝土冻融循环次数与零应力混凝土循环寿命比值，具体值如表3所示.通过影响系数来确定不同大小压应力对混凝土抗冻性的影响.采用多元回归分析得到ω与应力比的关系式，即

ω=1+2.515(σ/f)-4.045(σ/f)2-

7.516(σ/f)3+21.9(σ/f)4+

10.44(σ/f)5-39.92(σ/f)6

(4)

式中，σ/f为压应力比.修正后的混凝土冻融寿命预测模型表达式为

N=ω(A+1)1.5e-11.188[W/(C+f)-0.794]-0.013 07f

(5)

将试验参数A=2.5%，W/C=0.45，f=0及应力比代入式(5)，计算不同预应力状态下混凝土最大抗冻融次数，结果如表4所示.

表3　混凝土冻融寿命与压力影响系数Tab.3　Freezing-thawing cycle life of concrete and compressive stress influencing coefficient

表4　混凝土冻融次数预测值与实际值偏差Tab.4　Deviation between predicted and actual values of freezing-thawing times of concrete

根据表4可见，冻融寿命模型预测值N与本试验测得试验值Nn相对偏差较小，模型预测与试验吻合良好.本模型对压应力作用下混凝土冻融寿命预测有着实际工程意义.

4　结　论

本文通过分析得出以下结论：

1) 轴向压应力对混凝土的质量损失影响不明显，水泥砂浆的损失是造成质量变化的主要原因，水泥砂浆的性能是决定混凝土抗冻性的主要因素.

2) 混凝土的微裂缝是影响其抗冻性的主要原因，混凝土浇筑质量越好，密实程度越高，抗冻性越好.

3) 适当的压应力作用可以提高混凝土的抗冻性.初步认为，当压应力小于设计强度0.5倍时，可以抑制裂缝开展，提高混凝土抗冻性；当应力比大于0.5时，被认为是高应力，在冻融前期对混凝土抗冻性有益，随着冻融次数增加，将加速混凝土破坏.

4) 混凝土微裂缝对其抗冻性影响巨大，控制裂缝开展是提高混凝土抗冻性的有效途径.

5) 修正后的不同压应力状态下混凝土耐久性指数数学模型可以对压应力下混凝土冻融寿命进行预测.

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(责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英)

Experimental analysis on frost resistance property of concrete at compressive stress state

WANG Hai-jun1, GAO Yong1, WEI Hua1, GU Chang-ye2

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Investigation and Design Institute of Water Resources and Hydropower Liaoning Province, Shenyang 110006, China)

In order to analyze the influence of compressive stress on the frost resistance of concrete, the axial pressure with the stress ratio of 0, 0.4, 0.5 and 0.6 was applied on C45 concrete with the non bonded prestressed concrete structure. The standard fast freezing-thawing test was performed, and the changes of mass loss, dynamic elastic modulus and compressive strength were measured at every 50 cycle times. The results show that when the stress ratio is 0, the mass loss and dynamic elastic modulus drop faster than the compressive stress, and the frost resistance grade F300 is not achieved. The attenuation tendency of concrete with the stress ratios of 0.4 and 0.5 is consistent, and the frost resistance is better than the concrete at the state without stress. The frost resistance of concrete with the stress ratio of 0.6 is between those with the stress ratios of 0, 0.4 and 0.5. Under certain stress ratio, the axial compressive stress can improve the frost resistance of concrete. The prediction model for the freezing-thawing life of concrete was modified, and the modified model has certain engineering value.

compressive stress; freezing-thawing cycle; stress ratio; frost resistance; non bonded steel strand; prediction model; dynamic elastic modulus; mass loss

2015-10-12.

沈阳市科技计划项目(F16-205-1-09).

王海军(1972-)，男，河北河间人，教授，主要从事结构工程及耐久性等方面的研究.

建筑工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.15

TU 528.01

A

1000-1646(2016)04-0445-05

*本文已于2016-03-02 16∶45在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.028.html