弯曲荷载作用下粉煤灰混凝土抗盐冻性能研究

刘杏娟,康希佞,刘燕

弯曲荷载作用下粉煤灰混凝土抗盐冻性能研究

刘杏娟,康希佞,刘燕*

河北农业大学城乡建设学院河北 保定 071001

为研究弯曲荷载作用下粉煤灰混凝土的抗盐冻性能，本文设计制作了不同粉煤灰掺量的钢筋混凝土试块在3.5% NaCl溶液中进行的快速冻融循环试验，对其施加不同水平的弯曲荷载，通过测量损伤后试块的动弹性模量，分析粉煤灰掺量以及弯曲荷载对混凝土试块盐冻损伤的影响。研究结果表明：粉煤灰掺量为20%时可有效改善混凝土的抗盐冻性能；弯曲荷载加剧了粉煤灰混凝土的盐冻损伤。

弯曲荷载; 粉煤灰混凝土; 冻融循环; 盐冻损伤

混凝土结构是目前土木工程中最常见的结构形式，常应用于房屋建筑、跨海桥梁、公路、海底隧道和海岸港口等[1]。其中，处于严寒地区海洋环境中的混凝土结构主要受到冻融循环、氯盐侵蚀和弯曲荷载等破坏因素协同作用[2]，为降低破坏过程中混凝土的损伤程度，保证混凝土材料在使用过程中的安全性和耐久性[3-5]、开展在多种破坏因素协同作用下的混凝土劣化机理研究[6-8]成为诸多专家学者越来越关心的问题。本试验以不同粉煤灰掺量的钢筋混凝土构件为研究对象，进行弯曲荷载作用下粉煤灰混凝土抗盐冻性能分析。

1 试验设计

本试验采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰，细骨料采用细度模数为2.74且级配良好的河砂，粗骨料选用粒径为5~20 mm连续级配的碎石，聚羧酸系高性能减水剂，引气剂是能溶于水的K12型白色粉末。混凝土配合比如表1。

表 1 混凝土配合比

1.1 试验方法

1.1.1 试件制备试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件配筋为：主筋、架立筋和箍筋均采用直径为6 mm的HPB235级光圆钢筋，配筋图如图1所示。

图 1 配筋图

1.1.2 加载装置参照文献[9]中的加载装置自行设计了图2所示的弯曲荷载加载装置。由两根直径12 mm的螺杆、八个螺母以及四个垫片和两个钢柱支座组成。通过扭矩扳手扭动螺母产生紧固力使螺杆产生拉力，在试块两侧形成压力，从而对试块施加弯曲荷载，其大小通过扭矩扳手进行调节。

冻融试验前，测得四种粉煤灰掺量的极限弯曲荷载，通过公式=··（为扭矩大小；为扭矩系数，取0.19；为螺杆直径，取12 mm）对极限弯曲承载力进行计算，对四组试块施加相应的极限弯曲荷载。

1.2 试验步骤

对四种不同粉煤灰掺量的钢筋混凝土施加0%、20%、40%、60%的极限抗弯承载力并在3.5% NaCl溶液中进行快速冻融循环试验，在冻融箱里进行0次、25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次循环试验，每次循环试验后测量动弹性模量。

图 2 加载装置示意图

图 3 粉煤灰掺量对钢筋混凝土动弹性模量的影响

2 结果与分析

2.1 粉煤灰掺量对钢筋混凝土抗盐冻性能影响

无荷载状态下四组粉煤灰掺量的混凝土试块的相对动弹性模量变化曲线如图3所示。

由图可知，四种不同粉煤灰掺量的钢筋混凝土试块的相对动弹性模量均随冻融循环次数的增加而下降。当冻融次数一定时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土试块的弹性模量出现先增加后减小的变化趋势，说明适当掺加粉煤灰能提高钢筋混凝土的抗盐冻性能，但掺量过多会使其抗盐冻性能降低，本试验中粉煤灰最佳掺量为20%。

粉煤灰参与二次水化反应，消耗了水泥水化产生的Ca(OH)2，生成更稳定的水化产物，增强了水泥与界面骨料的粘结，并填充混凝土内部的孔隙，粉煤灰在增加混凝土强度的同时使混凝土内部更加密实，提高了钢筋混凝土的抗盐冻能力。冻融150次和200次循环时曲线的间距较小，此时损伤速度放缓，原因在于钢筋混凝土试块经过150次冻融循环后，内部产生微小裂纹，当裂纹扩展到一定程度时进入补偿强度相对持的状态，减缓了混凝土动弹性模量的下降速度。随着冻融循环次数的增加，原有微细裂纹不断延长同时伴随着新裂纹的产生，钢筋与混凝土发生滑移，混凝土内部损伤不断加深，从而使混凝土动弹性模量不断降低。

2.2 弯曲荷载对钢筋混凝土抗盐冻性能的影响

钢筋混凝土试块在荷载作用破坏下动弹性模量会先达到破坏标准，随着弯曲荷载水平的增加，四种粉煤灰掺量的钢筋混凝土试块的动弹性模量均呈下降趋势。对比施加弯曲荷载与无荷载状态，施加弯载的试块动弹性模量急剧下降，说明弯曲荷载对钢筋混凝土的抗盐冻能力有不利影响。四组粉煤灰掺量的混凝土试块均在受到60%的弯曲荷载水平下冻融循环200次时的相对动弹性模量下降到60%以下达到破坏，混凝土沿钢筋纵深方向生成裂缝且钢筋与混凝土完全脱开，混凝土完全丧失承载力，由钢筋承担弯曲荷载。随着弯曲荷载的增加，混凝土试块表面产生裂缝并逐渐变宽，加速盐溶液侵蚀混凝土的内部，但盐溶液会降低混凝土中水的冰点，减缓了因冻结作用造成的冻胀，从而使相对动弹性模量的下降速率较为缓慢。

2.3 弯曲荷载和盐冻循环作用下钢筋混凝土损伤度的分析

冻融循环过程中，氯离子造成的混凝土试块饱水度和结冰压增加使混凝土开裂，混凝土试块发生局部的微小裂纹后逐步延伸，在弯曲荷载的作用下内部裂纹会急剧加宽，且弯曲荷载水平越大微细裂纹扩展速度越快，使混凝土试块的强度和刚度下降，直至结构丧失承载力。为量化弯曲荷载对钢筋混凝土试件盐冻损伤度的影响，对四组粉煤灰掺量的试块的损伤度与弯曲荷载水平和盐冻循环次数进行回归分析，如表2。

表 2 回归分析

注：：混凝土损伤度；S：弯曲荷载水平；SF：盐冻循环次数。

Note:: degree of concrete damage;S: bending load level;SF: number of salt freezing cycles.

钢筋混凝土试块的损伤度与弯曲荷载水平和盐冻循环次数呈二元一次多项式关系，损伤度随弯曲荷载水平和盐冻循环次数的增加而增加，相关系数均＞0.95，拟合效果良好，利用该回归方程对构件进行损伤度的计算时，仅适用于在0%~60%极限弯曲荷载水平内进行。

3 结 论

（1）适当掺加粉煤灰可以提高钢筋混凝土的抗盐冻性能，其中掺量在20%以下能有效激发粉煤灰的活性，改善混凝土的性能以及提高其内部的密实性，试验中20%的粉煤灰掺量为最佳掺量；

（2）弯曲荷载的增大会加速混凝土裂纹的延伸扩展并产生新的裂纹，加快氯化钠盐溶液的扩散速度，加剧钢筋锈蚀并进一步加剧混凝土的损伤进程。盐溶液会降低混凝土中水的冰点，减缓因冻结作用造成的冻胀，减缓动弹性模量的下降速率；

（3）钢筋混凝土试块的损伤度与弯曲荷载水平和盐冻循环次数呈二元一次多项式关系，损伤度随弯曲荷载水平和盐冻循环次数的增加而增加，相关系数均＞0.95，拟合效果良好。

[1] 陈勇.氯盐损伤混凝土力学及渗透性能研究[D].扬州:扬州大学,2019

[2] 黄腾飞,包亦望,姚燕.在盐冻循环、钢锈与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土的损伤失效研究[J].工业建筑,2005(5):63-67

[3] Mehta PK. Durability-critical Issues for the Future [J]. Concrete International, 1997,19(7):27-31

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[6] 曹银,王玲,王振地.弯拉荷载-冻融循环-氯盐侵蚀作用下混凝土的劣化[J].建筑材料学报,2016,19(5):821-825

[7] 屈锋,牛荻涛,杨宇曦.盐冻循环作用下粉煤灰混凝土性能试验研究[J].工业建筑,2014,44(6):77-80

[8] 苏有彪.冻融-盐溶液腐蚀作用下混凝土损伤规律研究[D].西安:长安大学,2019

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[10] 刘建忠,孙伟,缪昌文,等.曲荷载与盐溶液复合作用下混凝土冻融损伤[J].东南大学学报(自然科学版),2006(S2):243-247

Study on Salt Freezing Resistance of Fly Ash Concrete under Bending Load

LIU Xing-juan, KANG Xi-ning, LIU Yan*

071001,

To study the salt-freezing resistance of fly ash concrete under bending load, a rapid freeze-thaw cycle test of reinforced concrete test blocks with different amounts of fly ash in 3.5% NaCl solution was designed and fabricated. In this paper, by measuring the dynamic elastic modulus after the damage, the effects of fly ash content and bending load on the salt freeze damage of the concrete test block were analyzed. The research results show that: when the content of fly ash is 20%, it can effectively improve the salt frost resistance of concrete; bending load exacerbates the salt freeze damage of fly ash concrete.

Bending load; fly ash concrete; freeze-thaw cycle; salt frost damage

TU528.45

A

1000-2324(2020)03-0556-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.035

2019-02-14

2019-03-26

刘杏娟(1994-),女,硕士研究生,主要研究方向为混凝土结构耐久性. E-mail:494485621@qq.com

Author for correspondence. E-mail:634719549@qq.com