冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律.pdf

第2 9卷第 1期 2 0 0 8年 2月 建筑结构学报 J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s Vo 1 ． 2 9。 N o ． 1 F e b ．20 o8 文章 编号 1 0 0 0 4 5 8 6 9 2 0 0 8 0 1 -01 1 7 - 0 7 冻融作用后 混凝 土力学性 能的衰减规律 邹超英， 赵 娟， 梁 锋，罗健林， 徐天水 哈尔滨工业 大学 土木工程学院 ， 黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 9 0 摘要 开展了混凝土在冻融作用后各项基本力学性能衰减规律的试验研究 ， 包括冻融作用对混凝 土受压应力一 应 变关 系、 劈 裂抗拉性能、 抗重复荷载性能的损伤影 响， 并根据工程 中结构构件 的实际工作状态， 进行 了压应力与冻融循 环双重因子作 用下混凝土的抗冻性能及力学性能衰减规律的研究。试验现象表明 随着冻融循环次数的增多， 混凝土轴心抗压强度、 劈 裂抗拉强度、 抗重复荷载性能等力学性能指标的下降程度均逐渐加大 ， 并根据试验结果得 出了混凝土上述各项力学性能指 标随冻融作用的退化规律 ， 建立了与冻融参数相关 的退化计算公式 。通过试验 研究 还发 现 混凝土在承载状态下， 冻融作 用对其损伤影响将加剧 ， 混凝土承载能力的衰减幅度较单一冻融作用更显著。本文研究可为建立符合实际工程的混凝 土 结构抗冻耐久性设计理论提供基础资料 。 关键词 混凝土 ； 冻融作用； 试验研究 ； 损伤； 力学性能 中图分类号 T U 5 2 8 ． 1 T U 5 0 2 ． 6 文献标识码 A De g r a d a t i o n o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e c a u s e d b y f r e e z e t h a w a c t ．i o n Z OU Ch a o y i n g，Z HAO J u a n，L I ANG F e n g，L UO J i a n l i n，XU Ti a n s h u i S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Harb i n 1 5 0 0 9 0，C h i n a Ab s t r a c t A s e ri e s 0 e x p e rime n t a l s t u d i e s o f me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a f t e r f r e e z e t h a w a c t i o n h a v e b e e n c o n d u c t e d ． T h e s e r e s e arc he s i n v o l v e d t h e d a ma g e c a u s e d b y f r e e z e t ha w a c t i o n o n c o mp r e s s i v e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p，s p l i t t i n g s t r e n g t h a n d me c h a n i c al b e h a v i o r u n d e r r e p e t i t i v e l o a d a c t i o n ．Mo r e o v e r ，a c c o r d i n g t o b e a r i n g s t a t e o f me mb e r s i n a c t u a l e n g i n e e ri n g， we a l s o i n v e s t i g a t e d t h e d a ma g e o f fro s t r e s i s t i n g a n d me c h a n i c al p r o p e rti e s o f c o n c r e t e s u f f e rin g fro m d u a l a c t i o n s o f c o mp r e s s i v e s t r e s s a n d fre e z e t h a w c y c l e s ， Ex p e rime n t i n d i c a t e s t h a t d u e t o r e p e a t f r e e z e - t h a w c y c l e s ， d e g r a d a t i o n o f me c h a n i c a l p r o p e rti e s ，i n c l ud i n g c o mp res s i o n s t r e n gth，s p l i t t i n g s t r e n gth a n d rep e a t e d l o a d r e s i s t a n t p r o p e rty S O o n，i s mo r e s e rio u s 。t h e n d e gra d a t i o n p a t t e r n s c o r r e l a t e d wi t h fre e z e t h a w p ara me t e r s o f me c h a n i c a l p r o p e rti e s are f o u n d．Me an wh i l e a c o n c l u s i o n h a s b e e n d r a wn t h a t wh e n b e a r i n g s t a t e o f c o n c r e t e i s c o n s i d e r e d，t h e d a ma g e c a u s e d b y fre e z e - t h a w a c t i o n i s a g g r a v a t e d，a n d t h e d e gra d a t i o n i s mo r e s i g n i fic a n t t h a n t h a t u n d e r s i n g l e fre e z e t h a w a c t i o n． T h i s s t u d y ma y s e r v e a s a r e f e r e n c e t o e s t a b l i s h fr o s t r e s i s t i n g d u r a b i l i t y d e s i g n t h e o r y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e ； Ke y wo r d s c o n c r e t e；fre e z e - t h a w a c t i o n；t e s t s ；d a mag e；me c h a n i c a l p r o p e rty 0 前言 近半个世纪 以来 ， 国内外 大量混凝 土结构工 程 出现 了因耐久性不足而过早失效甚至彻底 损坏 的现象 ， 耐久 性问题 已经成 为 全世 界工 程 界普 遍 关 注 的研 究热 点 。 对于全球面积广 阔的寒冷地区而言 ， 冻融作用无 疑是导 致这些 区域 混凝 土结构性 能损 伤 的主要 因素 。上世 纪 基金项目 国家 自然科学基金资助项目 5 0 2 7 8 0 2 5 。 作者简介 邹超英 1 9 5 8 一 ， 男， 黑龙江哈尔滨人， 教授。 收稿 日期 2 0 0 6年 6月 3 0年代至 7 0年代 间， 混 凝土冻 融破坏机 理假 说被相 继 提 出 ， 其 中 最 为 著 名 的包 括 P o w e r s提 出的 静 水 压 假 说⋯ ， 以及 P o w e rs与 H e l m u t h 通 过试验联合 提 出的渗透 压假说 ， 这些假说很大程度上 指导并推 动 了混凝 土材 料抗冻 耐久性 的研究 。 目前 ， 各 国学者针对 冻融作用导 1 1 7 维普资讯 致混凝土损伤的机理研究仍在深入开展， 并且在一定层 面内取得 了共识 ， 普遍认识到暴露在 冻融环境 中的混凝 土结构将发生材料 性能 和力学性 能 的衰退 以及 使用 寿 命 的缩减 J 。然而 ， 以往 的研究重心 主要集 中于冻融作 用对混凝土材料性 能的影响 ， 较少 对 昆 凝土 力学性能 随 冻融作用 的退 化规律 进行 系统 的研究 。本 文通过 开 展 冻融作用后混凝土力学性能 退化规律 的试 验研究 ， 旨在 探讨冻融环境 中混凝 土材料 的工作机 理 ， 并为建立相 应 的计算模式提供基础资料。 1 冻融作用后混凝土受压应力一 应变 关系 1 ． 1 试验概况 刮 试验过程 包括混凝 土试 件的制备 、 快速冻融 试验 、 扫描 电镜试验以及单轴受压试验 4个环节 。 1 ． 1 ． 1 试件设计 为研究不同冻融循环 次数作 用后混凝 土受压 应力一 应 变关系 的变化规律 ， 共制备 6组 1 8个混凝土棱柱体试 件 ， 尺寸为 1 0 0 m m1 0 0 m m 4 0 0 m m， 分别对其进行 n 0次、 1 0 0次、 1 5 0次、 2 0 0次、 2 5 0次、 3 0 0次快速冻融循环 试验 ， 相应试件组编 号依次 为 C 0 、 C 1 0 0 、 C 1 5 0 、 C 2 0 0 、 C 2 5 0 、 C 3 0 0 。另 外 制 作 4组 共 1 2个 1 0 0 ra m1 0 0 m m 1 0 0 m m立方体试件用 于测定混凝土立 方体抗压强度及扫描电镜观测试验 。 1 ． 1 ． 2 试件原材料及制备 混凝土配合 比见表 1 ， 其 中水胶 比与砂率分别为 0 ． 3 8和 0 ． 3 9 ， 水泥选用 了哈尔滨水泥厂出品的早强型普 通硅酸盐水泥 P ． 0 4 2 ． 5 R ， 并掺人少量的硅灰及粉煤 灰用于改善混凝 土 内部显微 结构 。混凝 土配 制过程 中 加入了适量高效减水剂， 从而有效地控制了新拌混凝土 良好的工作性 ， 掺人 0 ． 0 2 5 ％引气剂， 实测到新拌混凝土 的含气量达5 ． 6 ％ ， 确保成熟后的混凝土具有优 良的抗 冻性能。2 8天龄期后测得混凝土立方体抗 压强度为 5 0 M P a ， 验证 了所制备混凝 土达 到了高性 能混凝 土的强 度标准 。 表 1 混凝 土配合 比 Ta bl e 1 M i xt ur e pr o po r t i o n 1 ． I ． 3 试验过程 依据 普 通混 凝 土 长期 性 能 和 耐 久性 试 验 方 法 G B J 8 2 8 5 中快冻法试验制度 ， 对各组 试件分别进行 0次、 1 0 0次、 1 5 0次、 2 0 0次、 2 5 0次、 3 0 0次冻融循环。每 组棱柱体试 件另 伴随 1个 1 0 0 m m1 0 0 m m1 0 0 m m立 1 1 8 方体试件 同时进行 冻融 试验 。在 完成设 定 的冻融循 环 次数后 ， 从立方体试 件中取样进行 扫描 电镜 观测 。最后 对冻融作用后 的各组试件进行单轴受压试验 ， 得到应力． 应变试验 曲线 。 1 ． 1 ． 4 试验量测 快速冻融试验 过程 中， 每 隔 5 0次冻 融循环 对各 组 试件进行一次横 向基频测量 ， 由此 计算 得到相应 的动弹 性模量 ， 并 检查 试 件 外 部损 伤 ， 记 录试 件 的重 量 变化 。 为能够完 整量测 到混 凝土应 力． 应 变全过 程试验 曲线 的 下降段 ， 采 用试 验机附加 刚性元 件 的方 法 ， 当试 件应力 达到峰值并开始卸载时 ， 剐性元件 可 以协助 吸收试验机 快速释 放 的应变 能 ， 避免试 件被 瞬 间压溃 ， 从 而得 到完 整 的应力一 应变全试 验曲线。 1 ． 2 试验现 象 随着冻融循 环次数的增加 ， 用 肉眼即可观察到试 件 表观的损伤情况。首先 ， 试件原本光滑的水泥砂浆表层 逐渐变得粗糙 ， 细骨料外露 ， 进 而部分表 面起皮剥 落 ， 直 至整个 试件 表层酥松 脱落 ， 露出粗 大的骨料 ， 部分棱 角 掉落 。通过扫描 电镜观察各 组伴随试 件 ， 可清晰地 观测 到冻融作用导致混凝土内部显微结 构的损伤过程 ， 未冻 融试件混凝 土 内部 气孔 大 小适 中 ， 分 布 均匀 ， 经过 3 0 0 次冻融循环后 ， 气孔间出现 明显 的网状裂缝 。单轴 受压 试验 中， 随着试验荷载逐渐加大 ， 试 件经历 了弹性变形 、 裂缝 出现 、 裂缝发展直至试 件破坏 等 阶段 。剖开破 坏后 的试件 ， 发现破坏均沿水泥石与骨料 的界面过渡 区以及 水泥石 内部发生 ， 粗骨料本身并未出现破坏现象 。 1 ． 3 试验结果及分析 1 ． 3 ． 1 冻融性能参数 随着冻融循环次数增加 ， 各组试 件 的重量损失 率和 相对动弹性模 量损失率均随之增 大 ， 而其 中相对动弹性 模量损 失率 比较容易实现无破损检 测 ， 且对 混凝 土 内部 结构损伤更为敏感 ， 故选用其作为力学性能分析的冻融 性能参数 。通 过对 各组试 件在设 定冻 融循 环次数 后 的 相对动弹性模量损失率进行回归分析， 拟合出相对动弹 性模量损失率与冻融循环次数之间的关系曲线 见图 1 及相关公式 式 1 ， 拟合公式 曲线与试验值吻合良 好 ， 相关系数为 R 0 ． 9 9 4 。 A E 一3 ． 5 73 ． 5 0 e 面 1 ，2 ，2 式 中， A E i 坦 1 0 0 ％ ，为经 n 次冻融 L 】 o 循 环后试件相对动弹性模 量 的损失率 ％ ， 其 中 E 和 分别 为 n次冻融作用后和未冻融混凝土 的弹性模量 ， 和 分别为 n 次冻融作 用后和未冻融混凝土试件的横 向基频 Hz 。 1 ． 3 ． 2力学性能参数 应力一 应变全曲线试验结果数据见表 2 ， 横向变形系 维普资讯 维普资讯 c 1 5 o ， c 2 0 0 拟合曲线与试验 曲线 的比较 。 n 一0 ． O1 4 3 AE 1 ． 7 4 4 6 0． 0 7 9 6AE 1 ． 58 2 2 冻融作用后混凝土劈裂抗拉 Ik t 厶 匕H , 4 5 混凝土作为一种抗拉能力远远低于其抗压能力的 工程材料， 其抗拉强度受外界作用的影响较为显著。在 此背景下 ， 开展 了冻融作用 对混凝 土劈裂抗 拉性能影 响 的试验研究。 2 ． I 试验概 况 ’ 制备 7组 2 1个 l O O m m1 0 0 m ml O O m m立方体 试 件， 混凝土配合 比见表 4 。分别对各组试件进行 n 0 次、 5 0次、 1 0 0次 、 1 5 0次 、 2 0 0次、 2 5 0次 、 3 0 0次快速冻 融 循环试验， 相应 的试件组编号依次为 S 0 、 S 5 0 、 S 1 o 0 、 s 1 5 o 、 s 2 o o 、 s 2 5 o 、 s 3 o o 。冻融试验完 成后 ， 对各组试件 根据 混凝 土长期 性 能和耐久 性试验 方法 G B J 8 2 1 9 8 5 依 次进行劈裂抗拉试验 。 袁 4 混凝土配合比 Ta b l e 4 M i x t u r e p r o p o r t i o n 水 胶比 盟 婆 壁 塑堡 3 2 0 1 5 3 3 _水 砂 碎石 竺 竺 竺 1 4 0 7 2 0 1 1 6 0 0 ． 3 9 将经受不同冻融循 环次 数后 的试 件 依次进 行劈 裂 抗拉试验 ， 以0 ． 0 5～ 0 ． 0 8 M P a ／ s 的均匀 速度施加 荷载 。 试件的劈裂 面几 乎呈 一平 面 ， 破坏 过程 呈 现 明显 的 脆 性 。试件的劈 裂破坏 荷载 以及极 限变形 均 随冻融循 环 次数的增加而逐渐降低 。 2 ． 3 试验结果及分析 图 3描绘 出了经 过指定 冻融循 环次 数后试 件 的劈 裂抗拉强度。试验结果表明 混凝土的劈裂抗拉强度随 冻融循环次数 的增多而降低 ， 且下降趋势 显著 ， 3 0 0次冻 融循 环 作 用 后试 件 的劈 裂 抗 拉 强 度 由 未 冻 融 时 的 5 ． 2 8 M P a 下 降至 3 ． 8 7 M P a ， 衰减 幅度接 近 3 0 ％ ， 其 F降 幅度与相对动 弹模损 失率接近 。图 4描 述了混 凝 土相 对劈裂抗拉强度与相对动弹性模 量损失率 之间的关 系， 并 回归 出两者之间的相关公式 。 混凝土作为一种抗拉性能较 差的非匀 质材料 ， 一般 环境中的建筑结构通 常忽略 混凝 土 的抗拉 能力 ， 并允许 结构带裂缝工作。但在冻融环境中， 带裂缝工作的混凝 土抗冻耐久性将急剧下降， 这是因为渗入裂缝处的自由 水结冰产生 的冻胀应力将助 长裂缝的继续 发展 ， 加速冻 融损伤 的进程 ， 直至蔓延 至结构 内部 ， 导致整个 结构 性 能的迅速退化。因此， 对于冻融环境中工作的混凝土结 构 ， 在 设计环 节就应 该充分 考虑到其抗 拉、 抗裂性 能 随 1 2 0 重 曩 蒸 积 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数， 次 图3 冻融循环次数与混凝土劈裂 抗拉强度之间 的关系 F i g ． 3 Re l a t i 。 n s h i p b e t we e n s p l i t t i n g s t r e n a n d t he t i me o f f r e e z e t h a w c y c l e s 暇 嚣 磔 欹 靛 相对动弹性模量损失率A ‘／ ％ 图4 相对动弹性模量损失率与 相对劈拉强度之间的关系 F i g ． 4 Re l a t i 。 n s h i p b e t we e n r e l a t i V e s p l i t t i n g 【 r e ng t h a n d 1 o s s o f r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y 冻 融循环 的衰减 ， 适 当提高结 构 的抗 裂等级 ， 建议 通过 增强、 增韧的方法改善混凝土的抗拉能力。 3 冻融作用后混凝土抗重复荷载性能 实际工程中 ， 动 力荷载是结构 构件承受 的主要作用 形式之一 。本文 通过对 冻融 作用 后混凝 土抗重 复荷 载 性能进行试验研究 ， 寻找冻融作用对混凝土承受动载能 力的影响 ， 以及 由此导致 的混凝 土抗疲劳破 坏性能的退 化规律 ， 为开展混凝土结构在 冻融环境 中的动力性 能研 究提供基础资料。 3 ． 1 试 验概况 该试验包括 试件制 备、 快速 冻融 试验 、 重 复荷载 试 验以及单轴受压破坏试验 4 个环节。 3 ． I ． I 试件制备 制备 4组 1 2个 1 0 0 m m1 0 0 m m3 0 0 m m混凝 土棱 柱体试件 ， 分别 经受 n 0次 、 1 0 0次 、 1 5 0次 、 2 0 0次冻融 循环 作用 ， 相 应的试 件 组 编号 依 次 为 R 0 、 R 1 O 0 、 R f 1 5 0 、 R 2 0 0 。混凝土配 比方案同表 4 。 3 ． 1 ． 2 试验过程 由于本试验 旨在探讨不同冻融循环次数作用导致 混凝土抗重复荷载性能的衰减规律， 故试验设计并未参 如 加 维普资讯 照标准疲劳试验 ， 而是各试件组在完 成设定次 数的冻 融 循环之后 ， 对其进行 4 2 0 0 0次高周 重复荷 载试验 。此 方 案在实现研究 目的的 同时有 效地 缩短 了试验 周期 。该 项力学试验在哈尔滨工业 大学 M T S电液 伺服万 能试验 机上进行 。重复荷 载试验 完成后 ， 对试 件实施单 调受压 破坏试验 ， 测得试件的残余 轴心抗 压强度 。 3 ． 1 ． 3 量测方案 重复荷 载试验 过程 中 ， 通过 M T S试验机配套的高速 数据采集系统完成各项力学 指标 的量测 ， 数据采样 频率 选取 1 0 0 H z ， 采用 间隔采样 ， 每隔 1 5 0 s 进行 l O s 的数据采 集 。同时 ， 在试件侧 面沿纵 向及 横 向分别 对称布置 箔基 应变片 ， 量测试验过程 中试件 的应变 。 3 ． 2 试验现象 在最 大压应力 2 7 ． O MP a o r ⋯ 0 ． 7 、 最小 压应 力 4 ． O MP a or ⋯ 0 ． 1 的等幅重复荷 载作用 下 ， 各 试件 的纵 向应 变随着 重复 荷载 作用次 数 的增加 持续增 长 ， 而横 向应变发展较 为稳定 。经 过 4 2 0 0 0次重 复荷 载 作用后 ， 试件 内部形成疲劳裂 纹。在随后 的单 调受压 破 坏试 验 中， 试 件 内部裂纹 逐渐扩 展融合 ， 形成一 条或数 条较宽的通缝， 并由内向外发展 ， 最终导致试件破坏。 3 ． 3 试 验结果及 分析 3 ． 3 ． 1 重 复荷载作用下 的应力一 应变 曲线 通过对试验现象进行 分析后发 现 ， 经受不 同冻融循 环次数和重复荷 载作用 后各 组试件 的极 限承 载力 均在 一 定程度上被削弱。显然 ， 经过 冻融循环 和重复荷 载的 一 星 星 藿 墨 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 o 纵 向应变 X l a n O 次 双重 作用 后 ， 试件 内部微 裂缝相 继产生 ， 微观结构 逐渐 损伤。由于荷载重复次数多 ， 为了更 清晰地揭示应力一 应 变曲线 随重 复荷载循环次数 的发 展规律 ， 在分析 过程 中 仅提 取 了各 组试 件 在特 定 的重 复荷 载 次数 n 1 5 0 次 、 1 0 0 5 0次、 2 0 1 0 0次 、 3 0 0 0 0次、 4 1 8 5 0次 时应力一 应 变 曲线卸载段进行研究 ， 各 组试验 曲线见 图 5 所示 。 对 图 5进 行对 比分析后 发现 随 着冻融循环次 数 ／ t 的增加 ， 当重复荷 载次数 ／t 增多时 ， 各组试件应力一 应变 卸荷段曲线 的最大应 变 ⋯ 与最 小应变 ⋯ 渐次增加 ， 且两 者之 间的差距也 逐渐拉 大 ； 另外 ， 应变增 长速率较 应力变化要 快 ， 应力达 幅值时对 应的应变值 随荷 载重复 次数的增加 而增大 ， 由此说 明试件 内部 由于重 复荷载作 用出现了不可恢复 的残余变形。 3 ． 3 ． 2 横 向变形 系数 将荷载重复次 数 按分带 采 样 的方 法抽 取 1 5 0次 的 倍数 如 1 5 0次、 3 0 0次 、 4 5 0次⋯⋯4 1 8 5 0次 进 行分析 ， 抽调范 围内各组 试件 横 向应 变与纵 向应 变相 除 即得 出 试件 的横 向变形系数 。图 6中描 绘 出各 组试件 的横 向变形系数 与荷 载重复次数 ／t 的关 系曲线 。 由图 6分析发现 各组试件的横向变形 系数 随着 荷载循环作用次数 ／t 的增加 而逐次减小 ， 但下降趋势不 太显著 ， 且各条曲线在重 复荷 载作用 的初期 均表现 出较 为 明显的下降 ， 随着重复荷载作 用继续进行 而逐步趋于 稳定 ； 各组 试件 的横 向变形系数 随着所 受冻融次数 n 的增多而降低 ， 经受 了 2 0 0次冻融循 环作用后 试件的横 霎 毯 厘 室 趟 厦 纵向应变 x l ∽ C o n l O 0 次 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 t O 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 O 0 9 0 0 t O 0 0 I I O 0 纵向应变 x l O 纵 向应变 x l O c n 1 5 0 次 d n 2 0 0 次 图5 特定重复荷载次数后各组试件的应力一 应变曲线卸载段 F i g ． 5 De s c e n d i n g b r a n c h e s o f s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f e a c h g r o u p s p e c i me n s a t s o me s e l e c t i v e r e p e a t e d l o a d c y c l e s 1 21 维普资讯 向变形系数 仅为未经受冻融试件 的 6 0 ％。 3 ． 3 ． 3 疲劳变形模 量 疲劳变形模量 E 为图 5所示应力一 应变曲线 中最大 应力与最小应力 差与卸 载段 中最大 应变 与最小应 变差 的 比值 。图 7为各组试件疲劳变形模量 E 与荷载重 复 次数 n 。 的关 系曲线 ， 取 n 。 为 1 5 0次的倍 数 如 1 5 0次 、 3 0 0次、 4 5 0次 、 ⋯⋯4 1 8 5 0次 。分析结 果发 现 各 组试 件的疲 劳变形模量 E 随着荷 载重复 次数 的增加 而逐 次 降低 ； 同时 ， 疲劳变形模量 E 随着冻 融作用次数 的增加 而逐次减小 ， 但下降的幅度均较小 。 龄 厘 耱 荷载重复次数 。 ， 次 图 6 横向变形系数与荷载重复次数的关系 F i g ． 6 R e l a t i o n s h i p c u r v e s o f 。 a n d n 。 荷载重复次数， l 。 ， 次 图 7 疲劳变形模 量与荷载重复次数关系 F i g ． 7 Re l a t i o n s h i p c u r v e s o f E a n d p 4 压应力 与冻融循环双重作用对 混凝 土力学性能的影 响 结构工程 中的构件 在承受荷 载作 用同时 也受 到外 界环境作用的影 响， 其力学性能 由荷 载因子与环境 因子 的耦合效应所决定。从大量冻 害工程 中发现 ， 水 工结构 中的柱通常是冻 融损伤 比较 严重 的构件 。本试 验 以跨 海 、 跨 江桥墩 为背景 ， 开展 了压应 力与冻融循 环共 同作 用下混凝土力学性能 的研究 。 4 ． 1 试验概况 本试验对 6组 4 0个 1 l O O m m 3 0 0 ra m的圆柱体试 件施 加 预 压 应 力 ， 应 力 水平 分别 为 0 、 0 ． 1 5 、 0 ． 3 0 、 0 ． 4 0 、 0 ． 5 0 注 此处 为由同批基准试件测得的 圆柱体抗压强度值 。每组试 件进 一步细分 为 2或 3个 】 2 2 小组 ， 分别进行 1 0 0次 、 2 0 0次、 3 0 0次快 速冻 融试验 ， 试 件分组编号 情况 见表 5 。在完成 设 定 的冻融 循 环作 用 后 ， 将试 件从冻融 箱体 中取出 ， 卸除加载 装置 ， 进行单轴 抗压试验 ， 得到相应的应 力一 应 变全 曲线 。 表 5 试件组概况 Ta b l e 5 De t a il s o f s p e c i me n s 4 ． 2试验现象 单轴受压试验中， 试件的应力一 应变发展过程与本文 1 ． 2节 中单一冻融循环作用后的混凝 土试 件相似 。应力 达到峰值点后降低至峰值应力 的 7 0 ％左右 ， 试件外表面 平行 轴线方 向均匀 出现 3～4条 主裂缝 ， 并 逐渐发 展至 贯通全截面直至破坏 。 4 ． 3试验结果及分析 4 ． 3 ． 1 压应力与冻融循环 双重作用 下混凝土冻 融性能 的衰减规律 混凝土在压应力和冻融循环 双重因子作 用下 ， 反映 其 内部损伤程度 和劣 化速度 最 为敏感 的指标 依然 是相 对动弹性模量损失率， 应力作用对其重量损失基本上没 有影响。外部应力与冻融循环同时作用下， 混凝土的损 伤程 度与应 力水平 密切 相关 。图 8显示 了压应 力 与冻 司 爵 辑 嘲 霰 稃 靛 图8 压应力与冻融循环双重作用下试件 的相对 动弹性模量损失率 F i g ． 8 L o s s o f r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c u n d e r d u a l a c t i o n s o f c o mp r e s s i o n s t r e s s a nd f r e e z e t h a w c y c l e s O O O O O O O O O 删 删 删 咖 咖 7 6 6 5 5 4 4 3 3 日 鲁 苣 寸 删 龄 锹 枨 维普资讯 融循 环双重作 用下 混凝 土相 对动 弹性模 量损失 率 的变 化规 律。试验结果充分表 明， 压应 力加速 了混凝 土冻融 损伤 与退化过程 ， 应力水平越高混凝土损伤越 严重。 4 ． 3 ． 2 压应力与冻融循 环双重作用 对混凝 土力学性 能 的影 响 经过压力荷载与冻融循环双重 作用后 ， 混凝 土 内部 结构受 到损 伤 ， 其力 学性 能也 随之退 化 ， 峰值应 力与应 力水平 之 间的 变化规 律如 图 9所 示 ， 将 其 与混凝 土相对动弹性模量的下降规律对比后发现， 两者的衰变 规律相互 呼应 ， 冻融过 程 中的应力水 平越 高 ， 损伤越 严 重 ， 相应 的动弹性模量与轴心抗压强度损失也越显著 。 ’ 图 9 峰值应力 与预加应力水平 的关 系 F i g ． 9 Re l a t i o n s h i p b e t we e n i n i t i a l s t r e s s l e v e l wi t h p e a k s t r e s s a f t e r di ffe r e nt f r e e z e t ha w c y c l e s 宅 宅 纵向应变8 x l O - a 脚次 图 l 0中描绘 出各应力水 平组试件 在经受不 同冻融 循环次数作用后单轴受压应力一 应变曲线。从图中发现 ①试件峰值应力和峰值应变随应力水平的增加而逐渐 减小； ②各组曲线上升段的弹性模量随着应力水平的增 加而逐渐减小， 试件刚度发生退化； ③曲线下降段随着 应 力水平 的增加 而渐 次变得 陡峭 ， 卸 载刚度增 大 ， 尖峰 逐渐锐化， 且残余应力也随之降低， 即曲线和横轴包裹 面积减小 ， 表 明随着 应力水 平 的增 加 ， 混凝 土 的延 性减 小 ， 耗能能力减 弱 。由此说 明 ， 压应 力与冻 融循 环 双重 损伤作用影响到 的不仅是结构 的承 载能力 ， 也将 导致结 构的延性降低， 使其发生脆性破坏的可能性增大。 5 结论 通过 对上述各项试 验研究 结果进行 总结分析后 ， 可 得 到以下 结论 1 随着经受 冻融循 环次数增 多 ， 混凝 土各项 基本 力学性能指标 包括混凝 土轴 心抗 压强度 、 劈裂抗 拉 强 度、 抗重复荷载性能 下降程度逐渐加大， 造成结构安全 性 的降低 。 2 将冻 融性 能参 数 △ E 引入力 学 性能 参数 a 、 b 中， 建立 的冻 融作 用后 混凝 土 的应力 一 应 变 全 曲线方 程 式 2 、 3 与试验曲线吻合较好 ， 由此构建起混凝土 宅 纵向应变8 x l O - b n l O 0 次 纵向应变8 x l O 。6 纵向应变8 l 驴 6 c n 2 0 0 次 d n 3 0 0 次 图 1 O 压应力与冻融循环双重作用后混凝土应力一 应变曲线 Fi g ． 1 0 S t r e s s s t a i n C H I V E S o f c o n c r e t e un de r d u a l a c t i o ns o f c o mp r e s s i o n s t r e s s a nd f r e e z e t h a w c y c l e s 下转第 1 3 8页 l 2 3 B d 避 髫 维普资讯 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 下室的倾覆分析[ D] ．北京清华大学， 2 0 0 6 ． 张正威， 宋二祥， 蔡钦佩等．核爆冲击波作用下框架结 构附建式人防地下室的倾覆研究[ J ] ．防护工程 ， 2 0 0 6， 2 8 4 1 - 5 ． 张正威．核爆 冲击 波作 用下 高层建 筑 附建人 防地下 室 倾覆机理研究[ D] ．北京 清华大学， 2 0 0 7 ． 陈惠发， A ． F ． 萨里普著．土木工程材料 的本构方程 [ M] ．余天庆， 王勋文译．武汉 华中科技大学出版社， 2 0 01 ． 黄 日德．黄土弹塑性本构关系的试验研究与应用[ R] ． 解放军 8 9 0 0 2部队， 1 9 8 4 ． P o u l O S H G， Da v i s E H． P i l e f o u n d a t i o n a n a l y s i s a n d d e s i g n[ M] ．J o h n Wi l e y a n d S o n s ，I n c ． ，1 9 8 0 ． [ 9 ] P o l a k M A，V e c c h i o F J ．N o n l i n e a r a n a l y s i s o f r e i n