冻融循环作用下承压混凝土冻胀应变研究

董振平，黄新凯，雷永洁，刘西光，牛荻涛

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

寒冷地区混凝土桥梁结构会遭受冻融损伤，同时荷载作用使混凝土处于承载状态[1-3].冻融循环与应力存在明显的交互作用，交互作用造成预应力混凝土桥梁结构材料损伤加剧[4].随应力水平的增加，混凝土相对动弹性模量损失不断增大，抗冻性越差[5].

国内外学者对冻融损伤混凝土基本力学性能开展了众多试验研究.冻融循环使混凝土产生累积损伤，导致混凝土表面剥落、力学性能下降[6-8].随冻融循环次数增加，混凝土相对动弹性模量逐渐减小[9-11]；混凝土峰值应力逐渐降低而峰值应变不断增大，脆性破坏特征更加明显[12-14].曾强[15]采用残余变形表征了冻融过程产生的破坏程度，残余变形越大，材料破坏越严重.高志浩[16]实时监测混凝土应变并量化了混凝土内部冻融损伤.

目前尚缺乏应力状态与冻融循环共同作用下混凝土冻胀应变发展规律.本文对承压混凝土进行冻融循环试验，通过动态模拟法得到冻融过程中产生的冻胀应变，分析了冻融循环次数和应力比对混凝土冻胀应变的影响规律.

1 试验概况

1.1 试件设计和材料

设计并制作了不同应力水平作用下混凝土圆柱体试件，试件尺寸均为Φ200 mm×1000 mm.

冻融循环次数N为0、100、200和250次；混凝土应力水平μ为0、0.2、0.3和0.4，依次表示张拉应力为混凝土轴心抗压强度平均值的0%、20%、30%和40%.

混凝土设计强度等级分别为C30和C40，配合比见表1.C30和C40混凝土轴心抗压强度平均值分别为20.1 MPa和28.6 MPa.预应力钢筋选用PSB830级φT18的精轧螺纹钢筋，屈服强度为918 MPa，抗拉强度为1 087 MPa，伸长率为9.1%.

表1 混凝土配合比

1.2 张拉方案

张拉开始前对试件进行为期4 d的浸泡，采用自行设计加工的反力架进行张拉，试件张拉如图1.

图1 试件张拉

实际张拉应力水平见表2.张拉时钢筋一端张拉一端固定，首先将第一根钢筋张拉至其控制应力的20%，持载2 min，持载2分钟，拧紧锚具，卸下加载装置；对第一根钢筋的对侧钢筋进行张拉.张拉至其控制应力的50%，持载2分钟，拧紧锚具，卸下加载装置；再对第一根钢筋进行二次张拉，张拉至其控制力的80%，持载 2 min，拧紧锚具.按同样的方式对第一根钢筋的对侧钢筋进行张拉，超张拉至其控制力的110%，持载2 min；最后对第一根钢筋超张拉至其控制应力的110%，持载2 min后拧紧锚具，卸下加载装置，最终完成试件的张拉.

表2 混凝土圆柱体构件参数

通过粘贴在钢筋表面的电阻应变片监测钢筋应变在张拉过程的变化情况，应变片位置在距离试件端部100 mm处.

1.3 冻融循环试验

冻融循环试验采用气候环境模拟实验室(ZHT/W2300)进行气冻气融循环试验，温度范围为-19～+25 ℃，升降温速率均为0.7～1 ℃/min.每个循环持续6 h，从+25 ℃降到-19 ℃需2 h，在-19 ℃持续2 h，经历1 h升温段后在+25 ℃持续1h，进行3次喷淋，至此1个冻融循环结束.

1.4 冻胀应变测试方法

冻融循环试验过程中，试件产生的应变分为两部分：因热胀冷缩产生的热应变以及水结冰膨胀产生的冻胀应变[17].在试件中间100 mm范围内沿试件竖向粘贴混凝土应变片.为了消除由于热胀冷缩对混凝土应变的影响，本文采用动态模拟法进行温度补偿从而剥离热应变.将补偿应变片和测试应变片分别粘贴在试件上.为了剥离热应变，粘贴补偿应变片的试件在冻融试验前进行了防水处理.将两个应变片的数值相减，即可得到剥离热应变的混凝土冻胀应变.由混凝土冻胀变形产生的冻胀应变εf可按式(1)进行计算.

εf=εi-ε0-εs

(1)

式中：εf为混凝土冻胀应变，εi为实际钢筋测得的总应变，ε0表示由热胀冷缩产生的应变，εs表示张拉过程产生的应变.

每一个冻融循环都会使混凝土内部产生内应力即冰冻应力，这些应力会造成混凝土基体产生裂纹，从而产生不可逆的损伤，损伤逐渐积累，导致基体的变形量逐渐增加，滞回曲线最高点对应的最大应变值随着冻融循环次数的增加而增加，增加的这部分应变就是混凝土经历一定循环次数产生的残余应变.混凝土残余应变见图2.

图2 残余应变随温度变化规律

2 试验结果分析与讨论

2.1 冻融损伤混凝土表观形态

典型混凝土圆柱体构件表面裂缝开展情况见图3和图4.从图中可以看出，相同应力水平和冻融循环次数下，混凝土强度等级越高，裂缝数量越少，裂缝发展得越缓慢.随冻融循环次数增加，裂缝数量和宽度也在逐步增加，表明混凝土冻融损伤逐渐加剧.对于C40混凝土圆柱体构件，当应力水平为0.3时，冻融循环次数由200增加到250，裂缝数量由2条增加到8条，最大裂缝长度由400 mm增加到487 mm，最大裂缝宽度由0.1 mm增加到0.5 mm.

图3 C30混凝土圆柱体构件表面裂缝开展情况(C30-16)

图4 C40混凝土圆柱体构件表面裂缝开展情况(C40-32)

2.2 钢筋有效应变

图5给出了混凝土圆柱体构件分别经过100、200、250次冻融循环后钢筋应变.试验结果表明：随着冻融循环的增加，钢筋应变逐渐降低；随应力水平的增加，应变损失速率加快.

图5 冻融全过程混凝土构件钢筋应变

当混凝土强度等级为C30时，应力水平为0.2、0.3、0.4的构件，100次冻融循环后钢筋有效应变分别降低了16.40%、18.21%、19.54%.

当混凝土强度等级为C40，应力水平分别为0.2、0.3、0.4的构件，100次冻融循环后钢筋有效应变依次降低了11.06%、12.33%、13.55%.

2.3 混凝土冻胀应变滞回环

采用动态模拟法进行温度补偿来消除由于热胀冷缩引起的热应变，将补偿应变片和被测应变片分别固定在相同材料的试件上，并将其置于相同温度环境里，为分离温度应变，在冻融试验前对补偿应变片试件进行防水处理，因此由温度引起的伸缩量相同，即由温度引起的应变相同，可以相互抵消，从而达到消除温度带来影响的目的.

图6为混凝土圆柱体构件冻胀应变滞回环.可以看出，随着冻融循环次数的增加，应变曲线的上部包络线随之升高，后一个循环的最低温度时的最大应变值总是比前一个循环大.在冻融试验过程中，混凝土中水的冻融会引起体积变化，产生内部冻胀应力和应变.随着冻融循环次数的增加，内部冻胀应力和应变的累积效应会导致混凝土微观结构的破坏和改变，引起冻胀应变的增加.冻融损伤导致混凝土有效截面减小，在应力的相互作用下，导致冻融裂缝进一步扩大.随着冻融循环次数的增加，混凝土的损伤将继续积累，导致冻胀应变增加.

图6 混凝土圆柱体构件冻胀应变滞回环

随着应力水平的增加，应变曲线最高点的值也随之增加，说明荷载对混凝土内部造成了一定的损伤，且随着应力水平的增大，损伤越大.冻融损伤使混凝土有效截面减小，在应力的交互作用下，导致冻融裂缝进一步扩大.随着冻融循环次数的增加，混凝土的损伤将不断累积.

当混凝土强度等级为C30，应力水平为0.2时，在第1、25、50、75、100次循环的最大应变值分别为188με、225με、256με、288με、312με.应力水平为0.2、0.3、0.4时，第1次冻融循环最大应变依次为188με、198με、238με，表明荷载加剧了混凝土内部损伤劣化的程度.

当混凝土强度等级为C40，应力水平为0.2时，在第1、25、50、75、100次循环的最大应变值分别为158με、175με、206με、268με、272με.应力水平为0.2、0.3、0.4时，第1次冻融循环的最大应变依次为158με、159με、178με.

将两次冻融循环曲线最低温度时的应变差作为承压混凝土试件的残余应变[20].图7是混凝土残余应变随冻融循环次数变化图.

图7 混凝土圆柱体构件残余应变

从图中可以看出，随冻融循环次数的增加，各应力比下试件的残余应变均呈现增加趋势.当应力比为0.2时，冻融循环次数从25次增加到100次，残余应变增加了23%.

3 结论

(1)随冻融循环次数和应力水平增加，混凝土裂缝数量和宽度也在逐步增加，表明混凝土冻融损伤逐渐加剧.混凝土强度等级越高，裂缝数量越少，裂缝发展得越缓慢；

(2)在冻融循环过程中，随着冻融循环次数的增加，钢筋应变逐渐降低；随应力水平的增加，应变损失速率加快；

(3)随着冻融循环次数和应力水平的增加，冻胀应变不断增加.在冻融循环过程中，随着温度降低冻胀应变增加，温度回升后冻胀应变逐渐降低.两个冻融循环过程中产生了残余应变，表明混凝土产生了冻融损伤.