轴压荷载作用对混凝土微裂缝和渗透性影响研究.pdf
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1、2 0 1 6年 第 3期 (总 第 3 1 7期 ) N u mb e r 3 i n 2 0 1 6( T o t a l No 3 1 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRETI 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 6 0 3 0 0 1 轴压荷载作用对混凝土微 裂缝和渗透性 影响研 究 刘洪珠 , 赵铁军 ,曹承伟 ,陆文攀 , 代鑫旖 ( 1 青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ; 2 同济大学 建筑工程系 , 上海
2、2 0 0 0 9 2 ) 摘要: 通过对水灰比O 4的普通混凝土棱柱体试件进行 6 5 、 7 5 、 8 5 三种轴压应力水平下的持载 1 2 5 0 m i n试验, 测定了整 个加载、 持载和卸载过程中的纵横向应变, 并引入 比裂缝面积评价轴压荷载作用下混凝土损伤 。 同时 , 对卸载后的混凝土试件进 行毛细吸水和吸盐试验 , 评定不同荷载水平下混凝土的渗透性能。 试验结果表明: 轴压荷载作用下 , 混凝土纵向 、 横向应变均随 着应力水平的增加而变大 ; 较高的应力水平下 , 混凝土完全卸载后, 由于其内部出现一定损伤, 应变不会完全恢复 , 仍残留一部分 的塑性变形; 昆 凝土内部
3、的水分及氯离子量均随着轴压荷载的增加而变大 , 并且在较高应力水平下, 横向毛细吸收系数和氯离子 扩散系数均大于纵向毛细吸收系数和氯离子扩散系数 。 关键词 : 轴压荷载;比裂缝面积; 微裂缝;毛细吸收; 氯离子扩散 中图分类号: T U 5 2 8 0 l 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 R e s e a r c h o n t h e mi c r o c r a c k a n d p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r a x i
4、a l c o mp r e s s i v e l o a d L I U Ho n g z h u , Z HA0 T i e j u n , C AO C h e n g we i , LU We n p a n , DAIXi n y i ( 1 D e p a r t m e n t o f C i 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 U n i v e r s i t y , Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 , C h i n a 2 De p a r t m
5、e n t o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g, T o n Ni Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2, C h i n a ) Abs t r a ct : I t u s e d o r d i n a r y c o n c r e t e p ris m o f 0 4 wa t e r c e me n t r a ti o, a n d t h e s pe c i me ns we r e s u s t a i ne d f o r 1 2 5 0 mi nu t
6、 e s u n d e r t h r e e ki n d s o f a x i a l c omp r e s s i v e s t r e s s l e v e l wi th 6 5 , 7 5 a n d 8 5 t o d e t e r mi n e l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e s t r a i n i n the wh o l e l o a d, S U S t a i n e d l o a d a n d u n l o a d p r o c e s s, s p e c i a l c
7、r a c k a r e a wa s u s e d t o e v a l u a t e t h e d a ma g e i n c o n c r e t e u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e l oa d Me a n wh i l e, a f t e r u n l o a d, th e p e r me a b i l i t y wa s me a s u r e d a t d i f f e r e n t s t r e s s Re s ul t s s h o w t h a t l o n g i t u d
8、i n a l s t r a i n a nd tra n s v e r s e s t r a i n o f c o n c r e t e gr o w wi th t h e i n c r e a s e o f s t r e s s l e v e l u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e l o a d Af t e r t h e s p e c i me n s u n l o a d i n h i g h s t r e s s, t h e s t r a i n wi l l n o t f u l l y r e c
9、 o v e r a n d s t i l l r e ma i n pa r t o f t h e p l a s tic d e f o r ma t i on du e t o i t s i n t e r n a l c e r t a i n d a ma g e Th e c o n t e nt o f wa t e r a n d c h l o rid e i o n i n s i d e t h e c o n c r e t e i n c r e a s e s wi th the i n c r e a s e o f the a xi a l c o mp
10、r e s s i on l o a d, and the c a pi l l a r y a b s o r p t i on c o e ffic i e n t a n d c h l o rid e i o n d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t i n t h e h o r i z o n t a l a r e a l l g r e a t e r t h a n o n e s i n th e v e r t i c al u n d e r hi g h s tre s s l e v e 1 Ke y wo r d s: a
11、x i a l c o mp r e s s i v e l o a d ; s p e c i a l c r a c k a r e a ; mi c r oc r a c k; c a p i l l a r y a b s o r p ti o n ; c h l o ri d e i o n d i f f u s i o n 0 引 言 混凝土材料以其优 异的性能 已广泛用 于建筑结构之 中 , 作为混凝土结构的重要评价标准 , 混凝 土耐久性是工 程界关注的重大问题” j 。 我国海域广 阔, 海岸线较长 , 大 规模 的建设大都集 中在沿海地 区 , 在 海洋环境下 , 主要是
12、 氯盐和硫酸盐侵蚀破坏 J 。 氯离子渗透性及耐久性 的影 响主要是通过荷载产生的混凝土 中的微裂缝 , 微裂缝从发 展到贯通 , 形成氯离子侵蚀性介质进入混凝土 内部 的潜在 通道 , 从而使氯离子侵入造成大量混凝土建筑和基础设施 中的钢筋锈蚀。 这是严重威胁混凝土结构耐久性的最 主要 和普遍的病害 , 会造成直接和间接 的巨大经济损失 。 近年来 , 各国专家学者对混凝土渗透性进行了大量 的 研究和调查 , 并取得 了丰厚 的研究 成果 。 但 是对于荷 载作用对混凝土渗透性的影响 , 及荷载裂缝对混凝 土渗透 性 的影响研究较少 。 因此 , 基于上述原因, 本试验研究 荷载 对混凝土微
13、裂缝及渗透性 的影响, 为实际工程 中相关 问题 的解决提供理论依据 。 1 微 裂缝 法评价混凝土损伤 本试验通过确定试件 的 比裂缝面积来描 述单轴压 力 试验 中试件 的损伤 。 该方法对试验过程中 昆 凝土试件中微 裂缝的扩展提供 了一个 量 的表示 。 假定 在单轴压 力作用 下 , 混凝土棱柱体 的截面面积的变化是 由泊松 比引起 的混 凝土试件截面积的弹性变化和 由微裂缝 的扩展引起 的非 弹性变化 , 其值为两者之和。 描述为计算式表达为 : A S A=A S c+A S P ( 1 ) 式 中: A S 混凝土试件受压后总 的截面面积的变化 ; A S 由微裂缝扩展引起 的
14、截面面积的变化 ; A S 由泊松 比影响引起的截面面积的变化 。 收 稿 日期 : 2 0 1 5 0 4 1 8 基 金项 目: 国家重点基础研究发展计划“ 9 7 3 ” 项 目( 2 0 1 5 C B 6 5 5 1 0 0) ; 国家 自然基金重点 国际合作项 目( 5 1 4 2 0 1 0 5 0 1 5 ) 1 、 一 f 由图 2可知 , 应力值对纵向横 向应变均有较为明显的 影响。水灰 比为 0 4的混凝土棱柱体 , 在 6 5 、 7 5 、 8 5 应力 水平下, 持载 1 2 5 0 m i n 时 , 纵向徐变量分别为 3 5 8 5 、 4 6 0 0 、 5
15、7 7 5 s ; 横向徐变量分别为 2 7 4 5 、 3 0 4 5 、 3 5 2 。 这说明 长时 间的轴 向压力作用下 , 混凝土的纵 向和横 向的徐变量 均随着应力水平的增加显著提高 , 从而混凝土 内部的塑性 变形就越大 , 荷载对混凝 土造成 的损伤 就越 大。 当混凝 土 持载完全卸载后 , 混凝土仍有残余变形 , 在加载 、 持载过程 产生 的微裂缝有一定程度的恢复 , 但不为0 , 这说 明在较高 的应力水平下 , 混凝土 内部 出现一定损 伤 , 其 内部 的裂缝 虽然有一定程度的闭合 , 但仍残 留一部分 的塑性变形 。 随 着应力水平 的增加 , 损伤进一步增大 ,
16、 内部原有 的微裂缝 进一步的发展 , 加上产生 的新 的微裂缝 , 当这些 微裂缝相 互贯通时 , 这就为以后的氯离子等有害物质的侵蚀形成 了 潜在 的通道 。 3 2 轴压荷载对下混凝比裂缝 面积的影 响 不同轴压荷载下混凝土的比裂缝面积见图 3所示 。 比裂 缝 画 积 , 1 0 图3轴压荷载下混凝土比裂缝面积 由图 3可得 : 加载初始阶段 , 比裂缝面积的变化很小 , 且有波动 , 这表明在加载初始阶段应力水平 比较低时 , 混 凝土内部微裂缝变化很小 , 还有些微裂缝 在较低 的应力水 平下出现了闭合现象。 随着应力水平 的增加 , 微 裂缝 面积 开始增加 , 当应力超过一定值
17、 时, 比裂缝 面积 突然增加 , 出 现突变点 , 这些突变点 出现在 0 3 0 7 ( 应力 一强度 比) 范 围内变化。 同时 , 可以看到当混凝土棱柱体持载时, 混凝土 的比裂缝面积 出现水平直线式的增长形式 , 持载时 的应力 水平越大 , 由徐变引起 的 比裂缝 面积越大。 这 和混凝 土持 载过程 中徐变的变化方式相吻合 , 这说明持载过程中比裂 缝面积的增长主要是 由混凝土徐变引起的。 混凝土试件在 持载结束后 的卸载过程中 , 比裂缝面积随着应力水平的下 降 , 呈下降趋 势。 本研究发现 , 在 6 5 、 7 5 、 8 5 应力水 平 下 , 持载 1 2 5 0 m
18、 i n后卸载 , 比裂缝面积有一定程度的恢 复 但不为 0 , 这说 明混凝土 内部的微裂缝有一定程度的闭合 , 但仍残 留部分的塑性变形 。 在轴压荷载作用下 , 尤其 在 较高应力水平下 , 混凝土 内部微裂缝 的发展越厉 害 , 这 为 水分 、 氯离子等物质 的传输提供 了新 的运 输通道 , 所 以研 究轴压荷载作用下 , 不同方 向的水分 和氯离子侵入有着重 要 的意义。 3 3 轴压荷载对混凝土毛细吸水的影响 图 4为轴压荷载下混凝 土纵 向毛细 吸水 量和横 向毛 细吸水量 随时问变化 曲线 , 由图中数据可 知 , 随着毛细 吸 水时间的增加 , 毛细吸水 曲线 的切线斜率
19、 逐渐减小 , 毛 细 吸水量慢慢减小 , 毛细吸水速率减缓 。 2 400 1 8 0 0 1 2 0 0 蔷 6 0 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 200 苗 6o 0 0 时间, h “ f a 1纵 向毛细吸水量 时 间 h f b ) 横 向毛细吸水量 圈4轴压荷载下混凝土纵向毛细吸水量和 横向毛细吸水量随时间变化曲线 4 4 表 2为混凝土棱柱体的毛细吸收系数 , 通过表 中数据 可知 , 当混凝土未受力时 , 混凝 土未受损伤 , 各 时间段测得 表 2混凝土棱柱体的毛细吸收系数 的纵 向和横 向的毛细吸水量都相差不多 , 毛细吸水 7 d后 的毛细吸水总量分别为
20、1 8 5 0 g m 和 1 8 1 0 g m , 其毛细 吸收系数分别为 3 9 3 7 2 g ( m h ) 和 3 9 3 3 4 g ( m h ) , 分析其原 因有 , 在混凝土未受荷载损伤 时 , 混凝 土 中的粗 3 0 8 6 4 2 O 。 丑 嘿。 。 细骨料在混凝土内部纵横向的分布相差不大 , 混凝 土孔结 构在混凝土内部纵横 向分布较均匀 , 混凝土的毛细吸收作 用在其纵横向保持各向同性 。 在同一持载时 间下 , 随着应 力水平的增大 , 各时间段测得 的纵向和横 向的毛细吸水量 和毛细吸收 7 d 后 的毛细吸水总量均有较 大的增 长, 毛细 吸收系数也有很
21、大的增长。 分析其原 因有 , 当混凝土棱柱 体受轴压荷载作用 时 , 尤 其是在较高的应力水平下 , 混凝 土 内部的损伤 比较 严重 , 应力水 平越大 , 造成的混凝土 内 部的塑性变形就越 大 , 损 伤积累就越严 重 , 混凝 土 的透性 就越大 , 抗氯离子侵蚀 的能力就越小 。 3 4 轴压荷栽对混凝 土毛 细吸盐的影响 氯离子的侵入是造成混凝土 内部钢筋锈蚀 , 使混凝 土 耐久性提前破坏 的主要原 因 “ 。 图 5为试验轴压荷载 作用下纵 向和横 向应变方向氯离子分布情况 : 深度 ram ( a 1 纵 向氯离子含量 厦 ram f b ) 横 向氯离 孑含量 图 5 轴
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- 荷载 作用 混凝土 裂缝 渗透性 影响 研究
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