冻融环境下对粉煤灰混凝土断裂能的试验研究.pdf

文 章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 0 5 0 4 薹 瞪煤荻 冻融环境下对粉煤灰混凝土断裂能的试验研究 E x p e r i me n t a l S t u d y o f F r a c t u r e E n e r g y o f F l y A s h C o n c r e t e u n d e r F r e e z i n g a n d T h a w i n g C y c l e C o n d i t i o n 杨 静 ，赵铁军，郭 傲 ，刘洪珠 青岛理工大学 土木工程学院，山东青岛2 6 6 0 3 3 摘要：对水灰 比为 o 5的普通混凝土和掺加粉煤灰混凝土 ，通过冻融循环试验、楔形劈裂试验 ，以及 Co 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 O 0 次冻融循 环后 ，水灰比为 0 5的普通混凝土相对动弹性模量下降了6 5，而掺加粉煤灰混凝土损失9 0 ；冻融循环后 ， 混凝土断裂能显著下降，最大承栽力也随之降低，水灰比为 0 5的普通混凝土 1 0 0次冻融循环后承栽力和断 裂能分别损失 5 6 、7 1，而掺粉煤灰混凝土分别损失 4 3 和 7 O ，；3 0 0次冻融循环后 ，普通混凝土试 块直接发生断裂，无法进行楔形劈裂试验；在冻融循环次数为0 时，掺粉煤灰混凝土的断裂能要 高出普通混 凝土的4 3 ；掺粉煤灰的混凝土尽管断裂能也随冻融次数的增大而降低 ，但粉煤灰后期强度增长较快，从应 变软化性能来看 。其抗拉强度较普通混凝土要高些，呈现较好的韧性。 关键词 ： 粉 煤灰 ；冻融循 环 ；楔 形劈裂 ；断裂 能 ；应 变软化 中 图 分 类 号 ：T U5 2 8 3 3 文 献 标 志 码 ：A 0 前 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，在寒冷地区的正负温度交替作用下使 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，影响结构的服役性能。断裂能对冻融循环 产生的材料损伤较为敏感。近年来，围绕粉煤灰混凝土 冻融循环的试验研究，主要集中于粉煤灰混凝土的冻害 机理 、粉煤灰对混凝土抗冻性影响研究 【2 - 】 或大掺量粉 煤灰对高性能混凝土抗冻性 【 5 J 等方面，刘明辉等人 6 - 】 研 究了冻融循环作用下粉煤灰混凝土力学性能退化规律的 试验，孙志伟等人 【8 j 研究了海水对混凝土断裂能和强度 的影响，但都未涉及冻融环境下粉煤灰混凝土的断裂能 和应变软化性能的试验研究。粉煤灰对于界面过渡区及 硬化水泥浆体有较强的改性作用，使得粉煤灰混凝土冻 融破坏呈现出与一般混凝土不同的特性，而混凝土的断 裂能 p - t o 和应变软化能够反映混凝土材料的韧性及集料 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成的劣化 损伤，进而为低温和冻融环境下混凝土的防护采取相应 措施提供依据。 本文对普通混凝土和掺加粉煤灰混凝土进行了不同 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 f t 程序进行了逆向分析，按双线性模型模拟了混凝 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。 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普通 硅酸盐水泥；52 0 m m的花岗岩碎石集料；青岛本地河 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 H( 5 1 2 7 8 2 6 0 ) ；国家重点基础研究发展计划 “ 9 7 3 ”项 I ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 2 2 0 1 5 粉煤灰 5 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 加时 掺量为 水泥质量 的 0 0 0 3 ；聚羧酸型高效减水剂，掺量为水泥质量的 l 一 1 1 ， ；自来水。普通混凝土和掺加引气剂混凝土的详细 配合 比如表 1 所示。 表 1水泥与粉煤灰的化学成分 试验制备 l O O m m x 1 0 0 ra m 4 0 0 ra m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 l O O m m1 0 0 ra m5 0 m m 的试件 ( 用于 楔形劈裂试验) 。试件成型 2 4 h后拆模，放入环境温度为 ( 2 0 2 ) ，相对湿度 9 5 的标准养护室养护 2 4 d 后，置 于 ( 2 0 2 ) o c 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 J 8 2 1 9 8 5 普通混凝土 长期性能和耐久性试验方法中的抗冻性能试验中的 “ 快 冻法”进行。每个试块从 6 降至 一1 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 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 士 2 ) 和 ( 8 2 ) 之间。在冻融循环次数为 0 、 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 34 h内完成。 1 3 楔形劈裂试验 由于直接拉伸试验较难实现，本文采用国际材料与 结构实验室联合会 ( R I L E M ) 推荐的楔形劈裂试验方法 1 1 】 。 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。试验加载采用恒定位 移速率 0 5 ra m ra i n ，并有计算机同步记录试件的荷载 一 C M O D( C r a c k M o 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。 6 CD 目 2 2 01 5 l L8 一 图 1 楔形劈裂试件形状、尺寸及凹槽和切缝位置示意图 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 对普通和掺粉煤灰混凝土进行冻融循环试验，在冻 融循环次数分别为 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，结果如图 2所示。 随着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，掺粉煤灰的混凝土的 相对动弹模量将近降低了 9 0 ， 基本丧失承载能力；水 灰比为 0 5的普通混凝土 B相对动弹模量损失了6 0 以 上，而冻融循环次数为 2 0 0次时，其相对动弹性模量几 乎完全损失。这表明，水灰比为 0 5普通混凝土的抗冻性 很差，而对于掺粉煤灰混凝土由于粉煤灰的火山灰效应， 早期产生的水化产物少，导致其早期强度不高，因而造 成动弹性模量损失严重，抗冻性甚至不如普通混凝土。 图2 两种混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的变化 2 2 冻融损伤后混凝土的断裂能与应变软化性能 对普通混凝土和掺粉煤灰混凝土进行楔形劈裂试验 后得到混凝土的荷载 一裂缝张开位移曲线，通过 C o n s o r t 软件进行逆向分析和拟合，两种混凝土的荷载一位移及其 应变软化曲线分别如图 3 图 4 所示， 计算得到的经不同 次数冻融循环后混凝土的断裂能如表 3 所示。 l 4 l 2 1 0 i 0 0 6 0 l4 0 2 0 0 0 2 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 裂缝开口宽度 m m ( a ) 荷载一 变形曲线 裂缝宽度 n u n f b 1 应变软化曲线 图 3 不同次数冻融循环后混凝土B 的曲线 铺 挺 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 裂缝开口宽度 m m f a 1a荷载 一 变形曲线 裂缝宽度 mm ( b ) 应变软化曲线 图 4 不同次数冻融循环后混凝土D 的曲线 表3 不同冻融循环次数下各配合比的混凝土断裂能N m m 结果表明，随着冻融循环次数的增加，即混凝土遭 受一定程度的冻融损伤后，其断裂能逐渐降低。水灰比 为 0 5的普通混凝土经过冻融循环 1 0 0次后断裂能损失高 达 7 1 ，最大承载力下降 5 6 ，经 3 0 0次循环后，试块 已完全冻裂，松散破坏；掺粉煤灰的混凝土在冻融次数 为 1 0 0次时断裂能和承载力分别下降 7 0 、4 3 。说明 冻融循环对普通混凝土断裂能的影响非常显著，冻融次 数越多，混凝土越易开裂。 比较掺粉煤灰混凝土与普通混凝土的断裂能变化可 以发现，虽然前者的断裂能同样随着冻融次数的增大而 降低，但降低的幅度较普通混凝土要低，在冻融循环次 数为 0时，掺粉煤灰混凝土的断裂能要高出普通混凝土 的 4 3 。尽管 3 0 0次冻融循环后 D混凝土断裂能降低了 8 7 ，但从应变软化曲线来看，其抗拉强度较普通混凝土 高出较多，软化阶段也呈较好的韧性，表明普通混凝土 在经受冻融损伤后其变形能力和韧性较差，裂缝更易形 成和扩展；普通混凝土与掺粉煤灰的混凝土对比发现， 无冻融循环时，后者所能承受的最大荷载也较前者大些， 这是由于粉煤灰是后期强度增大较快，抗拉强度增大， 虽然弹性模量有所降低，但韧性和变形能力增强，能够 提高混凝土的抗裂性。 3 结 论 ( 1 )随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹 模量下降。1 0 0次冻融循环后水灰比 0 5的普通混凝土相 对动弹性模量分别损失 6 5 ；而掺加粉煤灰混凝土相对 动弹性模量损失达到9 0 ； ( 2 ) 混凝土遭受一定程度的冻融损伤后，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 裂能和承载力分别损失 7 1 、5 6 ，掺粉煤灰混凝土下 降了 7 0 、 4 3 ，而在冻融循环次数为 0时，掺粉煤灰 混凝土的断裂能要高出普通混凝土的4 3 ； ( 3 ) 两种混凝土的断裂能都随冻融循环次数增大而大 幅下降，从而削弱了混凝土的软化韧性，导致裂缝更容 ( 下转第2 1 页) nn 九 1 咖咖咖枷 栅姗抛 咖湖 湖枷姗枷 = ! N 目 N ， R 3 结 论 ( 1 ) 用钢渣作粗集料、石灰石人工砂为细集料配制 泵送混凝土，胶凝材料用量相对较高，胶凝材料用量低 于 4 5 0 k g m 3时，和易性较差，容易出现分层离析现象。 拌合物和易性随胶凝材料用量和砂率的提高逐渐改善。 当胶凝材料为 4 5 0 k g m 。 时，和易性及可泵性均满足施工 要求。 ( 2 ) 不同胶凝材料用量的钢渣混凝土各龄期强度随 砂率变化表现出不同的规律， 但是钢渣混凝土 6 0 d强度 相对2 8 d 强度均有大幅度增加。 ( 3 ) 钢渣配重混凝土的表观密度和干密度均随砂率 增加而逐渐降低，随胶凝材料用量先增加后降低。在胶 凝材料为 4 5 0 k g m 3 时，表观密度和干密度可以达到最大 值，分别为2 7 8 0 k g m 和2 6 8 0 k g m 。 ( 4 ) 根据不同胶凝材料用量及砂率对泵送钢渣配重 混凝土的综合影响，胶凝材料为 4 5 0 k g 1 1 1 3 、砂率为 3 6 时，各项性能均可满足泵送钢渣配重混凝土的施工要求。 参考文献 【 1 】邢琳琳 钢渣稳定性与钢渣粗骨料混凝土的试验研究【 D 】 西安： 西安建 筑科技大学，2 0 l 2 【 2 杨波， 史林 钢渣混凝土研究现状分析【 J 】 中国新技术新产品， 2 0 1 i ( 7 ) ： 1 1 1 2 【 3 】李玮峰转炉钢渣的 理化性质及资源化研究【 D lj E 京：北京化工大学， 2 0 0 8 【 4 ME HT A P K ， MO NE T E I RO P J M C o n c r e t e Mi c r o s t r u c t u r e ，P r o p e r t i e s a n d Ma t e r i a l s M B e ij i n g ： Mc G r a w- Hi l l E d u c a t i o n ( As i a ) C o a n d C h i n a El e t r i c Po we r P r e s s 2 0 0 8 ： 4 2 6 4 2 7 【 5 】於林峰， 徐冰， 王琼， 等 钢渣混凝土性能的试验研究及应用前景分析 混凝士， 2 0 1 4 ( I ) ： 7 9 8 1 6 张海霞， 王龙志， 谭文杰 钢渣作为配重混凝士集料的研究【 J 2 1 世纪 建筑材料， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 9 0 9 2 【 7 】白敏， 尚建丽， 张松榆， 等 钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究 J 】 混凝土， 2 0 0 5 ( 7 ) ：6 2 7 0 8 】梁建军 钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究 J 山西建筑， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 2 7 ) ： 1 6 6 - 1 6 7 【 9 】孙世国， 崔恒忠， 林国旗， 等 钢渣混凝土与普通混凝土的强度对比研 究 J l 粉煤灰综合利用， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 3 2 3 4 作者简介：张勇 ( 1 9 8 9 一)，男，硕士， 从事混凝土、外加剂、商品砂 浆等新型建材生产试验研究 通信地址：山东省济南市历下区凤山路 山 东华森混凝土有限公司( 2 5 0 1 0 1 )E - m a i l ： x i e h u i d o n g 1 2 3 1 6 3 c o m 收稿 日期： 2 0 1 4年 9 月 2 3日 ( 上接第7 页) 易形成和扩展；掺加粉煤灰混凝土虽然断裂能也随冻融次 数的增大而降低，但粉煤灰后期强度增大较快，从而使得 混凝土抗拉强度增大，从应变软化性能来看，其承受抗拉 强度较普通混凝土高，呈现较好的韧性。 参考文献 1 】潘钢华， 秦鸿根， 孙 伟， 等 粉煤灰混凝土冻融破坏机理 J 建筑材 料学报， 2 0 0 2 ， 5 ( 1 ) ： 3 7 4 1 2 程云虹， 闰 俊， 刘斌， 等 粉煤灰混凝土抗冻性能试验研究 J 】 低温 建筑技术， 2 0 0 8 ， 1 2 1 ( 1 ) ： 1 - 3 3 】 YO UNG S Y ，J O NG P wj S ANG K W， e t a 1 E n h a n c e d d u r a b i l i t y pe r f o r m a nc e o f f l y a s h c o n c r e t e f or c o n c r e t e f a c e d r o c kf i l l d a m a p p l i c a t i o n J 】 Ce me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 3 ( 1 ) ： 2 3 - 3 0 4 张德思， 成秀珍 粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的研究 J 西北工业大 学学报， 2 0 0 0 ， 1 8 ( 2 )： 1 7 5 1 7 8 5 游有鲲， 缪昌文， 慕 儒 粉煤灰高性能混凝土抗冻性研究 J 】 混凝土 与水泥制品， 2 0 0 0 ( 5 )： 1 4 1 5 【 6 1 刘萍华， 许志敏， 殷波 大掺量粉煤灰高性能砼试验研究 J 扬州大 学学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1 ) ： 7 O 一 7 4 【 7 刘明辉， 王元丰 冻融循环下粉煤灰混凝土弹性模量损伤预测模型 J 土木工程学报， 2 0 1 1 ， 4 4 ( S 1 ) ： 6 6 7 0 【 8 孙志伟， 任昭君， 赵铁军 海水对混凝士的断裂能及强度影响 J 1 混 凝土 2 0 0 7 ( 7 ) ： 9 1 3 【 9 HL L E R B OR G A， MOD E E R M， P E T E RS S O N P E An a l y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k g r o wt h i n c o n c r e t e b y me a n s o f f r a c t u r e me c h a n i c s a n d fi n i t e e l e me n t s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 6 ， 6 ( 6 )： 7 7 3 78 2 【 1 0 】 WI T T MAN N F H， S U NZ w Z HA O T J S t r e n g t h a n d f r a c t u r e e n e r g y o f c o n c r e t e i n s e a wa t e r C 】 P r o c e e d i n g s o f F r a mc o s 一 6 F r a c t u r e Me c ha ni c s o f Co n c r e t e a n d Co nc r e t e S t r u c t u r e s Ca t a l i n a ，I t a l y： T a y l o r &Fr a n c i s ，2 0 07： 2 1 3 - 2 1 7 1 1 】 RI L E M Re c o mme n d a t i o n F MC- 5 0 De t e r mi n a t i o n o f f r a c t u r e e n e r g y o f mo r t a r a n d c o n c r e t e b y me a n s o f t h r e e - p o i n t b e n d i n g t e s t o n n o t c h e d b e a ms J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 8 5 ， 1 8 ( 1 0 6 ) ： 2 8 5 - 2 9 0 作者简介：杨 静 ( 1 9 9 l 一)， 女，在读硕士研究生，从事混凝土结构 耐久性研究； E - m a i l ： z j 1 s e c r e t f o x m a i l e o m 收稿 日期： 2 0 1 4年 9月 1 9日 2 2 0 1 5 粉 煤灰 2 1