冻融损伤对混凝土断裂性能的影响研究.pdf
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1、2 0 1 5 年 第 4 期 ( 总 第 3 0 6期) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 0 1 冻融损伤对 混凝土 断裂性 能的影 响研 究 杨静 , 张鹏 , 赵铁军 ,刘洪珠 , 张 益杰 ( 青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 : 制备水灰比为 0 4和 O 5的普通混
2、凝土和掺引气剂混凝土 , 通过冻融循环试验 、 楔形劈裂试验 , 及 C O N S O F T软件逆 向 分析和拟合 , 研究了冻融循环损伤对混凝土断裂能及其应变软化的影响。 结果表明, 1 0 0次冻融循环后水灰比为 0 4和 O 5的普 通混凝土相对动弹性模量分别下降 3 O和 5 5, 而掺加引气剂混凝土几乎无动弹性模量损失; 冻融循环后 , 混凝土断裂能显著 下降, 水灰比为 0 5的普通混凝土 1 0 0次冻融循环后断裂能损失 7 1, 水灰比0 4时下降超过 5 O, 极大削弱了混凝土的软化韧 性 ; 掺加引气剂混凝土具有 良好的抗冻能力, 虽然断裂能也随冻融次数的增大而降低 ,
3、 但基体内部大量气泡 的存在使混凝土弹性 变形能力增大, 从应变软化性能来看 , 其抗拉强度较普通混凝土高得多 , 呈现较好的韧性。 关键词 : 混凝土; 冻融循环; 楔形劈裂; 断裂能 ; 应变软化 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 0 1 0 4 I n f l u e n c e o f f r o s t d a ma g e on f r a c t u r e p r o p e r t y o f c o n c r e t e Y ANG 1 i n g, Z HA
4、NG P e n g, Z HA0 T i e j u n, u【 , Ho n g z h u, Z HA NG Y i j i e ( De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e r i n g , Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y, Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3, C h i n a ) Abst r a c t: Bo t h n o r ma l c o n c r e t e a n d c o n c r e t e wi t h
5、a d di t i o n o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t wi t h wa t e r c e me n t r a tio o f 0 4 a n d 0 5 h a v e b e e n p r e p a r e d Th r o u g h fre e z etha w c y c l e t e s t a n d we d ges p l i t t i ng t e s t , the i n f l u e n c e o f fro s t d a ma g e o n f r a c t u r e p r o p e
6、 r t i e s o f c o n c r e t e ha s b e e n s t u di e d Th e fra c t u r e e n e r g y a nd the s t r a i n s o fte n i n g c u r v e s u n d e r d i f f e r e n t c on d i t i on s h a v e b e e n a n a l y z e d b y the p r o g r a m CON SOF T i n pa r t i c u l a r Th e r e s u l t s i n d i c a
7、 t e tha t a fte r 1 0 0 fre e z et h a w c y c l e s , the r e l a t i v e d y na mi c e l a s t i c mo d ul u s o f n o r ma l c o n c r e t e wi t h wa t e r c e me n t r a tio o f O 4 a n d 0 5 wa s r e d u c e d b y 3 0 a n d 5 5 , r e s p e c tiv e l y;wh i l e a s f o r c o n c r e t e wi th
8、a d d i tio n o f a i r e n t r a i n i ng a g e n t , the r e l a ti ve d y n a mi c e l a s ti c mo d u l u s s h o we d n o d e c r e a s e Af t e r a c e r t a i n n u mb e r o f c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t ha wi n g, t h e fra c t ur e e n e r g y o f c o nc r e t e d e c r e a s e
9、d s i g n i fic a n t l y The f r a c t u r e e n e r gy o f n o r ma l c o n c r e t e wi th wa t e r c e me n t r a ti o o f 0 5 l o s s 71 a f t e r 1 0 0 c y c l e s:c o n c r e t e wi t h wa t e r c e me n t r a t i o o f0 4 l o s s hi g h e r th a n 5 0 W i th a d d i t i o n o f a i r e nt r
10、a i n i n g a g e n t , c o n c r e t e h a d g o o d fro s t r e s i s t - a n c e Th e fra c t ur e e n e r g y a l s o d e c r e a s e d wi th the i n c r e a s i n g o f fre e z etha w c y c l e s, h o we ve r , the b i g a mo u n t o f s ma l l a i r b u b b l e s i n tro d uc e d b y e n t r a
11、 i n i n g a g e n t l e a d t o i n c r e a s i n g o f e l a s t i c d e f o rm a t i o n c a pa c i t y o f c o nc r e t e Th e r e f o r e, c o n c r e t e wi t h a i r e n tra i n i ng a g e n t h a d m u c h h i g h e r t o u g hn e s s than n o r ma l c o n c r e t e a fte r fre e z eth a w c
12、 y c l e s K e y wo r d s: c o n c r e t e; fre e z etha w c y c l e: we d g es p l i t t i n g t e s t ; fra c t u r e e n e r g y; s tr a i ns o ft e n i n g 0 引 言 冻融环境 中的钢筋混凝土结构 , 如桥 梁、 码头 、 隧道等 受冻害破坏 严重 , 无 论是从 混凝 土耐 久性 还是结 构安 全 性 的角度来看 , 由于在寒冷地区的正负温度交替作用使混 凝土内部体 积膨胀 , 产生 微裂缝 导致 混凝 土松散 最终 开 裂破坏
13、, 影 响结构的服役性 能。 而 断裂 能对冻融循 环产生 的材料损伤较为敏感 , 近年来 , 围绕混凝 土冻融循环 的试 验研究主要集 中于混凝 土 的冻 融损 伤 、 冻 害机 理 或 混凝土宏观力学性能等方面 , 宁作君等人 研究了冻 融循环对混凝土的力学损伤 , 张鹏等人 研究 了海水对混 凝土断裂能和应变软化性能的影 响 , 但都未涉及冻融环境 下混凝土的断裂能和应变软化性 能的试验研究 , 而混凝土 的断裂能和应变 软化能够反 映混凝 土材料 的韧性及 骨料 桥接能力 , 研究 冻融损 伤对混 凝土 断裂 能及其 应变 软化 的影响 , 有助于深 入理解 冻融 对混凝 土材 料造
14、成 的劣 化 损伤 , 进而为低温 和冻 融环境 下 昆 凝 土 的防护 采取相 应 措施。 本试验对普通混凝 土和掺加引气剂 混凝土进行 了不 同次数 的冻融循环 , 通过超声波测定了其冻融循环后 的相 对动弹性模量变化 , 通过楔形劈裂试验测定 了一定程度冻 融损伤后混凝土的荷载 一 裂缝张开位移 曲线 , 并通过 C o n s o ft程序进行了逆向分析, 按双线性模型模拟了 昆 凝土的 应变软化行为 , 计算得到 了冻融损伤后混凝 土的断裂能 , 系统研究 了冻融循环损伤 对混凝土断裂 能及其 应变软化 性能 的影响。 收 稿 日期 : 2 0 1 4 -0 9 2 6 基 金 项
15、目 : 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 2 6 0) ; 国家重点基础研究发展计划“ 9 7 3 ” 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 试验概 况 1 1 原材料与试件制备 试验用混凝土原材料包括 : 青岛山水 P O 4 2 5级水 泥 ; 5 2 0 mm的花 岗岩碎石骨料 ; 青岛本地河砂 , 最大粒径 为 5 m m, 中砂 , 细度模数 2 6 ; 松香热聚物类 P C一 2 Y型引 气剂, 掺量为水泥质量的 0 0 0 3 ; 聚羧酸型高效减水剂, 掺量为水泥质量
16、的 1 1 1 ; 自来水。 普通混凝 土和掺加 引气剂混凝土的详细配合 比及含气量如表 1 所示 。 表 1 混凝土配合比及含气量 混 凝 土 水 灰 比 ( ( ( 蕊 ( ) 含 试验制备 1 0 0 m m1 0 0 i n I n 4 0 0 mm的棱 柱体试件 ( 测定相对动 弹性模 量 ) 、 边 长为 1 0 0 m m 的立方体 试件 ( 测定强度 ) , 以及 1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 0 m m 的试件 ( 用 于楔形劈裂试验) 。 试件成型 2 4 h后拆 模 , 放人环境温度 为( 2 0 2 ) o C, 相对湿度 9 5的标准养护室养护 2 4
17、d 后 , 置于( 2 0 2 ) 水 中浸泡 4 d , 使 其充分饱水 , 此 时龄期达 到 2 8 d , 随即进行冻融循环试验。 1 2 冻 融试 验 冻融循环试 验方法按 照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普 通混 凝土长期性能和耐久性试验 方法标准 中的抗冻性能 试验 中的“ 快冻法 ” 进行。 每个试块从 6降至 一 l 5所 用时间不少于冻结 时间的 1 2 , 同时每块试块从 一1 5升 至 6 o C 所用 的时间不少 于整个融化 时间的 1 2 , 试件 中心 温度应分别控制在(一 1 7 2 ) o C和 ( 8 2 ) 之间。 在冻融 循环次数为0
18、 、 5 0 、 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0次时各进行混凝土的动弹模 量和抗压强度测试 , 每次冻融循环控制在 3 4 h内完成。 1 3 楔形劈裂试验 由于直接拉伸试验较难实现, 本试验采用 国际材料 与 结构 试 验 室 联 合 会 ( R I L E M ) 推 荐 的楔 形 劈 裂 试 验 方 法 。 劈裂试验 前 , 在试 件上表 面 的中心处 制作一 个 凹 槽和预 留一个缝高比( a H) 为 0 5的初始裂缝 , 试件形状 、 尺寸 以及凹槽 和切缝 的位 置如 图 1所示 。 楔形劈裂 试验 在冻融循环为 0 、 5 0 、 1 0 0次后进行。 试 验加载采
19、用恒定位 移速率0 5 mm m i n , 并有计 算机 同步记录试 件 的荷 载 一 图 1 楔形劈裂试件形状、 尺寸及 凹槽和切缝位置示意图( 单位: m m) 2 C MO D( C r a c k Mo u t h O p e n i n g D i s p l a c e m e n t 裂 缝 张 开 位 移 ) 曲线 。 2结果分析与讨论 2 1 冻融循环后 混凝 土的力 学性能损伤 对普通和掺加引气混凝土进行冻融循环试验 , 在 5 0 、 1 0 0、 1 5 0、 2 0 0、 2 5 0和 3 0 0次时测定混凝土的相对动弹性模 量变化 , 结果 由图 2可知 , 随着
20、冻融循环次数的增加 , 混凝 土的相对动弹模量 随之降低 , 在 1 0 0次冻融循环作用 内 , 掺加引气剂的混凝土 C和 D的相对动弹模量几乎没有 损 失, 而普通混凝土 A和 B的相对动弹模量则分别降低了 3 0 和 5 5 , 基本丧失承载 能力 ; 混凝土水灰 比越大, 内部 有害孔 隙越多 , 冻融作 用下侵 入的水就越多 , 因而造成 动 弹性模量损失越严重。 而对 于掺加 引气 剂的混 凝土来说 , 3 0 0次冻融循环后 , 相 对动弹性模 量仅分别 下降 了1 2 7 和 2 1 4 , 这充分表 明, 引气剂 能够在混凝土 中引入大 量 均匀分布的微小 气泡 , 由于气泡
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- 损伤 混凝土 断裂 性能 影响 研究
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