反复冻融作用下轴压混凝土构件的承载力计算

周 乐, 吴佳奇

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

反复冻融作用下轴压混凝土构件的承载力计算

周 乐, 吴佳奇

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

为研究混凝土轴压构件受冻融循环影响下的承载力计算公式,采用模型试验测得在不同的冻融次数下,混凝土构件的质量损失率和动弹性模量损失率.参照混凝土结构设计规范,推导出受冻融循环影响下的混凝土轴压构件的正截面承载力公式,并将理论值与实验数据对比,二者的平均误差在10%左右,表明公式合理,具有工程意义和实用价值.

冻融作用; 混凝土构件; 模型试验; 承载力的计算公式

目前我国拥有很多钢筋混凝土结构的建筑物,随着时间的流逝,这种结构的内在问题逐一显现.一方面是早期混凝土结构的设计标准较低,另一方面是施工、管理、自然环境与灾害等因素的影响导致建筑物中钢筋混凝土构件的承载力不足,或者是随着使用时间的增加,老化、破损等问题的出现降低了结构部件的承载能力和使用功能.国内学者周乐[1]等研究了纤维材料在工程加固中的应用,提高了建筑物构件的承载能力,得出的结论可应用于工程实际,提高了钢筋混凝土构件的承载能力,完善了构件在承载方面的不足.但钢筋混凝土构件的常见病害多是因为冻融因素的作用,影响混凝土耐久性的一个重要因素就是抗冻性[2].混凝土在冻融作用的影响下,会造成冻裂和表面侵蚀,并引起混凝土构件承载力发生变化.建筑物的安全性受很多因素影响,混凝土构件内部毛细孔中的残余水结冰引起的冻裂会使混凝土的弹性模量、抗拉压强度等力学机能下降显著,这是受冻融作用所引起的影响结构安全的因素之一[3].地处寒冷气候的混凝土结构建筑物在投入使用期间出现的主要问题就是冻融破坏,其中以位于东北严寒地区的建筑物为主,接近全部的竣工工程在局部或大面积上都承受了不同程度的冻融破坏,甚至部分工程在施工过程中或竣工后不久即发生严重的冻害.

众所周知,中国是发展中国家,有大规模的基础设施需要建设,我国可应用于工程中的资源种类不多,所以如何才能高效地投入资金、节约资源、绿色生产是需要思考的重要问题.不仅需要严谨地设计出符合建筑方针的结构物,还需要在有安全保证的前提下保持现有基础设施的使用功能,并延长它的使用寿命.所以,研究冻融作用对混凝土构件的破坏作用具有非常重要的现实意义.

1 影响混凝土构件抗冻性的因素

1.1 含气量

关于冻融损坏,从T.C.Powers发现的静水压假说[4]以及Powers和R.A.Helmuth一同创造的渗透压假说[5]中可得出孔构造对结构构件的混凝土抗冻性能有很大影响的结论,而评价混凝土孔构造的因素包含了孔隙率、孔的形状、气泡的距离、孔直径的粗细和散布等.混凝土是否具备抗冻融机能的标准之一就是含气量,为了使建筑物结构构件的抗冻融机能良好,通常会加入引气剂增加含气量.增加含气量是为了减少大孔,增加微小孔,这样就减小了混凝土构件内部的气泡间距.经大量的工程实例可知,在拌制的混凝土中加入引气剂能够增强混凝土的抗冻机能,但是加入过多的引气剂会使混凝土内部的气孔直径明显扩大,从而进一步的影响其强度和抗冻机能,所以存在一个合理含气量的范围,在这个范围内加入的引气剂既能够起到增强混凝土抗冻性的作用,还不会出现大幅度的强度流失现象[6].在含气量的临界范围内,适当的孔隙间距将会减小冻融作用所导致的膨胀压力,因而增强混凝土的抗冻融机能.

1.2 掺合料

为了增强混凝土构件的力学机能,加入了大量的矿物辅助用料,经常使用的有粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰类物质.这些外加剂的引入将降低水泥用量,细化硬化水泥浆体中的孔隙结构并改良孔径的散布,提高混凝土的密实度和抗冻性.修雨欣[7]通过试验分析得出适量的添加矿物掺合料能够增加混凝土的抗压折强度;适量的加入复合型掺合料能降低混凝土在盐溶液和冻融的共同作用下引起的混凝土试件外表面的破坏程度;矿物掺和料能够改良混凝土试件的孔隙构造.将混凝土试件放于水中进行冻融循环作用之后,其外表面的剥落程度不大,由于试件内孔隙构造的变化,混凝土的相对动弹性模量有很大变化,加入矿物掺合料可以增强混凝土的密实程度,降低由于水分结冰对混凝土的强度造成的消极影响.

1.3 水灰比

混凝土的许多评价指标都与水灰比的高低有关.混凝土试件在相同的制作和养护条件下,以水灰比为试验变量得出水灰比越低,试件的强度越高、密实度越高、孔隙越少.李建国[8]等指出水灰比不一样的试件,混凝土中的氯离子扩散系数与水灰比的大小呈正相关,这表明了水灰比高的混凝土试件因为含有较高的水分,致使其内部孔隙率相对较高,内部结构的变化就相对较迟缓.水泥在进行水化反应时,水灰比对硬化的水泥浆孔隙率有直接的影响,而孔隙率又影响混凝土的孔隙体积.混凝土的孔隙直径扩大而相互连接,候补孔的数量缩减导致缓解冻胀压力的作用减小,以上使其受冻后产生较高的膨胀压力,增加了孔隙的体积.在经过反复冻融作用后,混凝土构件会遭到不可忽略的构造上的损伤.要增强混凝土的抗冻能力,务必严格遵循适宜的水灰比指标,需要人为参与,比如人为加入引气剂优化孔结构等.

1.4 混凝土的受冻龄期

文献[9]依据工程中混凝土的实际受冻状况,以混凝土的龄期为变量,以干燥环境为前提,研究了混凝土的受冻破坏,指出质量损失和抗压强度损失与龄期负相关,混凝土构件抵抗冻胀能力与冻龄的长短正相关.原因是构件的受冻时间越长水泥的水化作用越完全,而且混凝土的强度等级越高,降低冻胀现象发生的可能性就越大.可见,在中国东北部地区冬季严寒、夏季高温,反复冻融作用对建筑结构的不利影响尤其明显,这是应用混凝土构件时必须考虑的问题.

1.5 混凝土的强度和骨料

混凝土冻融破坏现象产生的原因是在冻融循环作用下,混凝土的抗拉强度不足以抵抗其内部的静水压和渗透压,所以混凝土的强度是影响混凝土构件抗冻性的因素之一.在含气量一致的前提下,高强度混凝土的抗冻性比低强度混凝土的抗冻性好,但混凝土试件内的气泡构造对其抗冻性的影响比混凝土强度对其抗冻性的影响更为显著.因此,高强度的素混凝土的抗冻性可能比掺入外加剂如引气剂的低强度混凝土低.混凝土中骨料的抗冻性与骨料的吸水率和尺寸大小有关,当骨料尺寸低于临界值时,一般不会发生冻融破坏.骨料的质量也会在一定程度上影响混凝土构件的抗冻性[10].

2 实验概况与因素分析

2.1 试件制作与分组

试验中使用的水泥是来自于辽宁省本溪市工源水泥厂的32.5级矿渣硅酸盐水泥,粗细骨料各自采用碎石和河砂,制备C30级混凝土,配合比采用水泥300 kg,水185 kg,碎石1 094 kg(其中5～10 mm为219 kg,10～16 mm为547 kg,16～20 mm为328 kg),河砂728 kg.本次试验共连续分批浇筑了20根截面为100 mm×100 mm,高为400 mm的纯混凝土柱,试验分为4组, 每一组4个试件.为了减小试验的误差,试件成型脱模,在标准养护室养护24 d后,随机选取3个试件进行抗压强度测试,采用5 000 kN的液压式伺服压力机和控制载荷的方法检测混凝土柱是否达到C30混凝土的设计要求,符合标准就能开始冻融试验.

2.2 试验方法和现象

本试验采用快冻法,设计制作了20根C30级混凝土柱,截面为100 mm×100 mm, 柱高400 mm,冻融循环次数分别为0、50、100、150,每次在快速冻融循环试验机(图1)中冻融循环2～4 h,试验前后分别用电子称测量混凝土柱的质量,用动弹仪(图2)测量弹性模量并做好记录,之后将冻融后的混凝土试件在5 000 kN的压力机上进行轴压试验,混凝土被压碎视为达到承载能力极限状态, 记录反复冻融次数为0、50、100、150次时试验试件的抗压承载力,同时整理试验现象(表1).

图1 快速冻融循环试验机Fig.1 The rapid freeze-thaw cycle machine

图2 动弹性模量仪Fig.2 Dynamic modulus of elasticity meter

冻融循环次数n试 验 现 象n≤30试件的质量上升,有针状小孔出现30lt;n≤50试件麻面凹凸不平,成蜂窝状,光面部分骨料出露,出现裂纹50lt;n≤100试件麻面损伤比较严重,少部分粗骨料外露,裂纹发展100lt;n≤150试件表层水泥大面积脱落,大部分粗骨料外漏,部分裂缝贯通,端部损坏严重150lt;n≤200试件表层破坏进一步加剧,粗骨料掉落,裂缝贯通,部分试件端部断裂、破坏

3 冻融作用下纯混凝土柱承载力的计算

3.1 质量损失

观察试验过程中试件的变化,反复冻融100次之后试件的水泥面表层脱落明显,浮砂出现,粗骨料露出、脱落,并且试件端部掉渣,所以在冻融循环作用下,试件的质量变化不能忽略.混凝土试件在相同的试验环境和条件下得出不一样的试验数据首先与制作试件的过程中每一个操作步骤不完全一样有关;其次是与进行冻融循环试验时,试验机测量选取的某一固定试件的芯温不完全一致有关;第三是电子天平有一定的误差,在冻融循环结束后虽然擦拭了试件表面的水,但是由于每个试件自身的孔隙率不同,孔隙间的冰或水被处理的程度不一,所以对试件的质量有一定的影响.故采用概率密度积分法处理误差,得出本次试验对4个试件分别测得的质量变化结果见图3.

图3 质量损失率Fig.3 The mass loss rate

3.2 动弹性模量损失

动弹性模量仪的基频为2 700 Hz,记录每组混凝土柱的动弹性模量值,整理并发现试件的频率与冻融循环次数负相关,随着反复冻融次数的增加,混凝土柱的测量频率整体上呈下降的趋势,经过误差的处理得到动弹性模量的变化结果见图4.

图4 动弹性模量损失率Fig.4 The loss ratio of dynamic elastic modulus

3.3 面积损失与折算

试件在反复冻融循环之后遭到破坏,截面已经不完整,量取本次试验混凝土试件在反复循环冻融试验前后的截面面积,整理得出在经过反复冻融循环作用后试件的面积折算公式如下:

式中:A′为经过反复融冻循环之后混凝土试件的折减面积;A0为混凝土试件的原始截面面积;γ为单次冻融循环作用下混凝土试件的折减面积;n为冻融循环次数.

由面积折减公式得出的经反复冻融循环作用下,混凝土试件的折减面积和折减后的截面面积见图5.

图5 冻融后试件的折减面积和折减后的面积

3.4 混凝土强度损失与折算

轴心受压试验在沈阳大学实验室进行.使用5 000 kN的液压式伺服压力机用控制负载的方法加载,初始加载速率为50 N/s,当施加的负载达到预估负载的80%时,将加载速度降为25 N/s,直到加载的混凝土试件破坏.试件在经过反复冻融循环之后抗压强度会下降,文献[11]中提出了简便的应用于冻融循环作用下的混凝土抗压强度计算方法见公式(2),用式(2)计算的经过不同次数冻融循环作用的混凝土抗压强度的计算结果和设计值见表2.当反复冻融达到200次时,试验试件的强度折算值是负数,表明此时试件已被破坏不能承载.

式中:fdc为冻融循环n次后的混凝土抗压强度标准值;fwc为未冻融的混凝土立方体抗压强度标准值;n为冻融循环次数.

表2 不同次数冻融循环作用的混凝土抗压强度

3.5 反复冻融影响下混凝土轴心受压柱的承载力计算

按照现行混凝土结构设计规范[12]中的要求,钢筋混凝土轴心受压构件的正截面受压承载力应满足式

由于本试验的混凝土试件没有配置钢筋,故计算中不计入钢筋的承载力,因此轴心受压混凝土柱的正截面受压承载力公式应满足:

式中:N为轴向压力设计值;φ为钢筋混凝土构件的稳定系数;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;A为构件截面面积.

在本次试验中构件的长细比为4,小于8,由混凝土结构设计规范可知取值为1;折减系数0.9是考虑外力的初始偏心和轴心受压柱可靠性对构件承载力的影响.由式(1)、式(2)和式(4)可得出在反复冻融循环作用下混凝土轴心受压构件的正截面承载力公式应满足:

式中:Nd为轴向压力设计值;φ为钢筋混凝土构件的稳定系数;fdc为反复冻融循环n次后的混凝土抗压强度标准值;A′为冻融循环之后混凝土试件的折减面积.

为了简便计算冻融后混凝土试件的承载力,根据混凝土设计规范将混凝土抗压强度标准值换算成设计值,经过反复冻融循环作用后混凝土试件的极限承载力为

式中:Ndu为冻融循环之后轴压混凝土构件的极限承载力;fdc为反复冻融循环n次后的混凝土抗压强度标准值;A′为冻融循环之后混凝土试件的折减面积.

运用式(6)计算试验中混凝土试件在冻融循环次数分别为50、100、150次的承载力,并与式(5)的计算结果及试验值比较(见表3).

表3 试验值与理论值对比表

在表3中,式(6)计算值均小于试验值,且小于式(5)的计算值,试验值与式(6)计算值的平均误差在10%左右,验证了公式的合理性.

4 结 论

(1) 经过反复冻融循环作用后,混凝土构件的承载能力显著下降,所以对于寒冷地区考虑温差变化对结构的损伤作用是必要的.

(2) 本试验和众多研究表明,混凝土的抗压强度、弹性模量、截面面积都与冻融循环次数负相关,冻融这一外部环境因素会直接影响混凝土柱的承载能力.在工程中,对处于冻融环境中的构件,要采取措施降低损害,例如加入引气剂优化孔结构,加入掺合料增加密实度和提升抗冻性,人为控制水灰比等.

(3) 理论推导出在冻融前提下纯混凝土构件的轴心受压正截面承载力公式,将其计算结果与试验数据相比,验证了公式的合理性,运用此公式提高了混凝土构件在冻融作用下承载力计算的可靠度.

(4) 在工程实际中,处于冻融循环作用下的结构构件不局限于混凝土轴心受压构件,试验可继续补充其他材料和受力类型的结构构件;推导公式的理论值与试验值之间存在误差,分析原因,首先是部分混凝土试件自身在制作时存在缺陷,其次是推导的公式只考虑了宏观因素,没有考虑微观层面.

[ 1 ] ZHOU L,WANG L,ZONG L,et al. Mechanical performance of glass fiber-reinforced polymer tubes filled with steel-reinforced high-strength concrete subjected to eccentric compression[J]. Advances in Structural Engineering, 2016(6).

[ 2 ] 万路霞. 负载下外包钢筋混凝土加固轴压钢柱力学性能研究[D]. 沈阳:沈阳大学, 2017(6).

(WAN L X. Research on mechanical properties of axially loaded steel columns reinforced by outsourcing reinforced concrete while under load[D]. Shenyang: Shenyang University, 2017.)

[ 3 ] 翟松峰. 荷载与冻融共同作用下混凝土结构可靠度分析及剩余寿命预测[D]. 北京: 北京交通大学, 2008.

(ZHAI S F. Reliability analysis and residual life prediction of concrete structures under combined action of load and freeze-thaw[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008.)

[ 4 ] POWERS T C.Void spacing as a basis for producing air-entrained concrete[J]. Portland Cement Assoc R amp; D Lab Bull, 1900,50(9):741-760.

[ 5 ] POWERS T C,HELMUTH R A. Theory of volume changes in hardened Portland cement paste during freezing[J]. Highway Research Board Proceedings, 1953(6):32.

[ 6 ] 王庆石,王起才,张凯,等. 不同含气量混凝土的孔结构及抗冻性分析[J]. 硅酸盐通报, 2015,34(1):30-35.

(WANG Q S,WANG Q C,ZHANG K,et al. Analysis of pore structure and frost resistance of concrete withdifferent air content[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2015,34(1):30-35.)

[ 7 ] 修雨欣. 掺合料对高性能道路混凝土抗冻性影响的研究[D]. 南京:南京林业大学, 2012.

(XIU Y X. Study on the frost resistance of high-performance road concrete with mineral admixtures[D]. Nanjing:Nanjing Forestry University, 2012.)

[ 8 ] 李建国,聂治平,江守恒. 水灰比对混凝土早期抗冻性影响[J]. 低温建筑技术, 2013,35(8):17-18.

(LI J G,NIE Z P,JIANG S H. Influence of water-cement ratio on the frost resistance of concrete at early stage[J].Low Temperature Architecture Technology, 2013,35(8):17-18.)

[ 9 ] 张延年,刘旭峰,徐驰,等. 龄期对冻融循环后混凝土影响试验[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2012,28(2):263-268.

(ZHANG Y N,LIU X F,XU C,et al. Experimental research of influence of age on concrete after freeze-thaw cycle[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science), 2012,28(2):263-268.)

[10] 朱娜. 影响混凝土抗冻性的因素分析[J]. 科技创新导报, 2011(29):30.

(ZHU N. Analyse the factors of influencing frost resistance of concrete[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2011(29):30.)

[11] 聂红宾. CFRP布加固冻融损伤混凝土构件力学性能研究[D]. 沈阳:沈阳大学, 2013.

(NIE H B. Research on behavior of freeze-thaw damageable concrete members strengthened by CFRP sheets[D]. Shenyang: Shenyang University, 2013.)

[12] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范:GB 50010-2010[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2014.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Code for design of concrete structures: GB 50010-2010[S]. Beijing: China Construction Industry Press, 2014.)

【责任编辑:赵炬】

CalculationofBearingCapacityofAxiallyLoadedConcreteMembersSubjectedtoRepeatedFreeze-ThawCycles

ZhouLe,WuJiaqi

(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

In order to study the formula of bearing capacity of axially loaded concrete members under repeated freeze-thaw cycles, the model test was used and the loss rate of mass and the loss rate of dynamic elasticity modulus were measured. Refer to the code for design of concrete structures, the formula of axially loaded concrete members under repeated freeze-thaw cycles was inferred. The theoretical value was compared with the experimental data, the average error of the two is about 10%, the results show the rationality of the formula, the research has engineering significance and practical value.

freeze-thaw action; concrete member; model test; the formula of bearing capacity

TU 312

A

2017-05-12

国家自然科学基金资助项目(51408371).

周 乐(1978-),女,辽宁营口人,沈阳大学教授,博士后研究人员.

2095-5456(2017)06-0485-05