约束混凝土和素混凝土抗冻性能对比研究.pdf

2 0 1 4 年 第 3 期 (总 第 2 9 3 期 ) Nu mb e r 3 in 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH 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 4 0 3 0 0 8 约束混凝土和素混凝土抗冻性能对比研究 张俊萌 ，方从启 ，段桂珍 ( 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘要： 为了对比分析素混凝土和约束混凝土抗冻性能差异 ， 对不同配合 比的素混凝土块和钢筋混凝土柱进行 0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 、 1 0 0 、 1 2 0 次的冻融腐蚀试验。 作为第三部分， 主要总结约束混凝土试验和素混凝土试验 ， 分析两者抗冻性能差异， 主要从抗压强度损失变 化、 破坏形态 、 冻融破坏机理以及冻融损伤预测模型方面进行对 比。 对比结果显示： 在冻融循环过程中， 约束混凝土抗压强度呈三次 曲线趋势下降 ， 中间有明显平台阶段 ， 而素混凝土抗压强度呈二次抛物线趋势逐步下降。 粉煤灰对抗压强度影响较大 ， 不掺粉煤灰的 约束混凝土的抗压强度远远大于素混凝土， 抗压强度损失差异达 3 O 4 0 ； 掺 1 5 粉煤灰对约束混凝土和素混凝土抗压强度均不 利， 但对约束混凝土的影响更大， 明显减小两者抗压强度差异。 水灰比对抗压强度影响较小 ， 但使用粉煤灰时， 对于素混凝土应降低 水灰比， 而约束混凝土宜提高水灰比。 由于箍筋的约束作用 ， 约束混凝土破坏过程以及机理和素混凝土有很大的差异。 因此用素混凝 土的抗冻性能来评估实际钢筋混凝土抗冻性能是不合理的， 有必要建立实用的约束混凝土的抗冻性能预测模型。 关键词： 约束混凝土；素混凝土；冻融循环 ；抗压强度 ；破坏机理 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 4 ) 0 3 0 0 2 5 0 5 Co m p a r a t u i e i n v e s t u g a t i o n o n a n t i f r e e z e b e h a v i o r o f c o n f i n e d a n d p l a i n c on c r e t e ZHANGJ u mne n g， F ANG Co n gq i ， DUAN Gu i z h e n ( S c h o o l o f Na v a l A r c h i t e c t u r e ， Oc e a n a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g ， S h ang h a i J i a o t o n gUn i v e r s i t y， S h ang h a i 2 0 0 2 4 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s tud y t h e a n t i fr e e z e p e r f o r ma n c e d i ffe r e n c e o f c o n fi n e d c o n c r e t e a n d p l a i n c o n c r e t e b y c o n t r a s t ， d i f f e r e n t ma t e r i a l r a t i o of p l a i n c o n c r e t e c u b i c b l o c ks a n d c o nfin e d c o nc r e t c ol u mn s we r e t e s t e d u nd e r fre e z e t ha w c y c l e o f di f f e r e n t n u mbe r s a s 0， 2 0， 4O， 6 0， 1 0 0 an d 1 20 t i me s As t he t h i r d p a r t ， t hi s p a p e r ma i nl y s u mma r i z e d t he e x pe r i me n t o fc o n fine d c o n c r e t e a nd pl a i n c o n c r e t e， t h e d i ffe r e n c e of a n t i fre e z e p e r f o r ma n c e be t we e n p l a i n c on c r e t a n d c o n fine d c o nc r e t a r e ana l y z e d， ma i nl y fro m t he l o s s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， f a i l u r e p a t t e r n， me c h a ni s m o ffre e z e t h a w d a ma g e a n d f r e e z e t h a w d a ma g e pr e di c t i o n mo de 1 Co mp a r i s o n r e s u l t s s h o ws t h a t ， i n t h e p r o c e s s o f fre e z i n g a n d t h a wi ng c yc l e ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n fin e d c o n c r e t e c ub i c c u r v e tre n d d o wn， t he r e wa s a o b v i o u s pl a t f o rm s t a g e ， wh i l e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f p l a i n c o n c r e t e g r a d u a l l y d e c r e a s e d a s a p a r a b o l a C o mp a r e d wi t h wa t e r c e me n t r a t i o ， F l y a s h h a d a gr e a t e r i n flu e n c e o n the c o mp r e s s i ve s t r e n gt h l o s s o f bo t h c o nc r e t wi t ho u t a d mi xt u r e o ffly a s h， c o n fine d c o nc r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s mu c h g r e a t e r t ha n t h e pl a i n c o nc r e t e a n d t h e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h l o s s d i ffe r e n c e c a me t o 3 0 4 0 ； a d mi xtur e o f 1 5 fly a s h ha d o b v i O U S d i s a d v a n t a g e t o c o mp r e s s iv e s t r e n gth o f c o n fi n e d c o n c r e t e a n d p l a i n c o n c r e t e ， b u t a g r e a t e r i mp a c t o f c o n fi n e d c o n c r e t e ， r e d u c e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth s i g n i fi c ant l y Co mp r e s s i v e s t r e n gthi n fl u e n c e db ywa t e r c e me n t r a t i owa s s ma l l ， b u t wh e nu s i n gfl y a s h， for p l a i n c o n c r e t e i t i S g o o d t o r e d u c e t h e wa t e r c e me n t r a t i o whi l e for c o n fine d c o nc r e t e i t i S g oo d t o i mp r o v e t he wa t e r c e me n t r a t i o Du e t o t h e e ffe c t o f c o n s t r a i n t s of t h e s t i r r u p， f a i l u r e pr oc e s s a n d me c h a n i s m o f c o nfi ne d c o n c r e t e an d p l a i n c o nc r e t e h a s v e r y big di f f e r e nc e So u s i n g a n - t i fre e z e p e r f o r man c e o f pl a i n c o n c r e t e p e r f orm a n c e t o e v a l u a t e a c tua l a n t i fre e z e pe r f o rm an c e of r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s u nr e a s o n a b l e， i t i s ne c e s s a ry t o e s t a bl i s h pr a c t i c a l a n t i fre e z e pe r f o rm a nc e p r e d i c t i o n mod e l o f c o nfin e d c o n c r e t e K e y wo r d s ： r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； p l a i n c o n c r e t e ； fre e z e t h a w c y c l e ； c o mp r e s s i v e s tre n gth； f a i l u r e me c h a n i s m 0 引 言 在我 国寒冷地 区， 抗冻性一直是混凝土耐久性研究的 主要方向之一。 目前 ， 关于素混凝土抗冻性能研究成果 已经 很丰富 ， 大多基 于材料层次 的冻 融破 坏机理 。 】 ， 冻融作用 下素混凝土力学性能退化 ， 以及冻融和其他因素耦合分 析等8 _ 姗 。 而针对冻融 环境下钢筋混凝 土构件整体工作性 能开展的研究却较少 ， 但现实中的混凝土结构主要是钢 筋混凝土构件 ， 约束混凝土的抗冻性能和素混凝土的差别 较大 ， 因此有必要对两者之间的抗冻性能对 比分析 。 由于箍筋对混凝土 的约束作用 ， 混凝土的轴心抗压强 度以及极 限应变可 以得到很大提高【 11 1 ， 同时钢筋与混凝 土 通过 良好 的黏结力结合成一体共 同受力 、 协同丁作 。 冻融破 坏不仅从微观层次影响混凝 土材料 ， 造成混凝土力学性能 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 9 0 4 基金项 目：铁道部科技研究开发计划项 目( J 2 0 1 】 G 0 0 3 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 5 l 1 7 8 2 6 4 ) 25 下 降 ， 同时对于配筋的约束混凝 土 ， 冻融可能造成混凝 土 保 护层开裂 ， 进而加快钢筋锈蚀 ， 造成钢筋混凝 土的黏结 性能丧失 ， 承载力下降 ， 进而威胁整体结构的安全使用 。 因 此用 素混凝 土的抗 冻性能来评估 实际钢 筋混凝 土抗冻 性 能是不合理 的 。 研究 冻融环境 下箍 筋约束混 凝土抗冻 性 能， 对于寒冷地区受冻融作用的钢筋混凝土结构及构件的 承载力 、 变形 以及延性 的研究是必不可少的。 1 试 验 设 计 试验共制作两批试件 ， 分别为 1 0 0 mm x l 0 0 m m x l 0 0 m lT l 素混凝土立方体试块和 1 0 0 mmx 1 0 0 mm 2 5 0 m m 的长方体 混凝土配筋柱。 柱的保护层厚度为 1 0 m m， 纵筋直径 8 m m， 配筋率为 2 ； 箍筋直径 5 m m， 配箍率 为 1 4 。 两批试 件 采用材料配合 比相同。 即设计四种配合比 ， 分为普通强度 P ( 高水灰 比) 的混凝土和高强 H ( 低水灰 比) 混凝土 ， 不掺粉 煤灰与掺 1 5 粉煤 灰的混凝土 。 C H、 C P代表素混凝 土立 方体试块 。 H、 P 代 表约束 混凝 土配筋柱 。 具体可参考论文 第一部分和第二部分。 两素混凝土试块共分为 7组 ， 其中一组测试 2 8 d 抗压 强度标准值作为对 比， 其余 6 组按照冻融次数 0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 、 1 0 0 、 1 2 0次分为 6 组 ， 每组 3 个试块。 同样约束混凝土配筋 柱按冻融循环次数共分 6 组 ， 每组 三个试块 。 2 结果 分析 2 1 抗压强度 变化规律 对 比 为了便于研究抗压强度变化 ， 取抗 压强度损失率作为 对 比对象 和 ， 分别代表素混凝土和约束混凝土在冻 融过程中抗压强度损失率 ， 表 1 为抗压强度损失率数值表 ， 图 1 分别为不 同配合 比的素混凝土和约束混凝土抗压强 度损 失率变化 曲线。 从表 1 中可以看 出无论 素混凝土或 约 束混凝土但抗 压强度损失率均 随着冻融次数增加而增大 ， 但两者抗压强度损失变化规律不同。 从图 1 可见 ， 素混凝土 抗压强度随冻融次数逐步降低 ， 冻融初期 ， 曲线斜率较大 ， 抗压强度损失较快。 之后曲线逐渐平缓， 抗压强度损失变慢 。 而约束混凝土在冻融初期 ， 抗 压强度损失大 ， 冻融 2 0 4 0 次 时 出现平 台阶段 ， 之后再次上 升 ， 呈 现出明显 的三段式 变 快规律。 相 同冻融循环次数 ， 素混凝土的抗压强度损失率远 远大于约束混凝土， 素混凝土的抗压强度损失最小为3 0 ， 最大可达 8 0 ， 而约束混凝土的抗压强度损 失率最小仅 为 5 ， 最大 为 5 0 。 可见 由于箍筋 约束作用 ， 约束混凝土 的 抗压强度明显提高， 抗冻性能优于素混凝土。 在冻融达到 1 0 0次以后 ， 约束混凝土柱抗压强度 比素混凝土的抗冻性能 平均提高 3 0 4 0 。 从材料层次上 ， 粉煤灰均增大了素混凝土和约束混凝 土的抗压强度损失率， 尤其对约束混凝土 P 2 组， H 2 组的损 失率影响更大 ， 使掺粉煤灰 的素混凝 土和约束混凝土的抗 压强度损失率差异 减小 。 从 图中可以看出 ： 不掺粉煤灰的 P 1 组素混凝土块 和约束混凝土柱的抗 压强度损失率差异 较大 ， 曲线 间距较 大， 最小差异为 2 5 左右。 而掺 1 5 粉煤 26 表 1 抗压强度损失率变化 6 O 5O 水 4O 、 囊 o 2 0 1 O O 8 0 6 0 曩 o 2 O 0 7O 6 0 5 0 喜 o 耄 o 2 0 1 0 O 7 O 6O 50 ；4 0 蠢 o 20 1 0 0 20 4 0 6 0 8 O 1 0 0 冻融循 环次 数 ， 次 ( a ) 2 0 4 0 6 O 8 O l 0 O 冻融 循环次 数 ， 次 ( b ) 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 冻融 循环 次数 ， 次 ( C ) 2U 4U 60 8U J 00 冻融循环 次数 次 f d ) 图 1 和 乇 。 的下降率对比图 灰明显增大了 P 2 组的抗压强度损失 ， 使差异较小 ， 在 4 0 次 甚至出现负差异。 粉煤灰产量相同 ， 高水灰 比 P 1 ， P 2的素混 凝 土和约束混凝 土棱 柱体抗 压强度差异 比低水 灰 比差异 初 始 内孔 冻胀后 内孔 【 a J 【 b ) 图 7混凝土的冻胀破坏 进行冻融循环试验 ， 对 比分析得到如下结论 ： ( 1 ) 随着冻融循环次数增加 ， 约束 混凝 土和素混凝 土 抗压强度均下降 ， 但约束混凝土呈三次 曲线下降趋势 ， 中间 呈现明显的平台阶段 ， 而素混凝土呈二次曲线逐步下降。 ( 2 ) 粉煤 灰对 抗冻 性 能影 响较 大 ， 不掺 粉煤 灰 约束 混 凝土抗压 强度损失率远 远小于 素混凝土 ， 两者差 异达 3 0 4 0 。 加人 1 5 粉煤灰对约束和素混凝土的抗冻性能 均不利 ， 尤其对 约束混 凝土的影响较大 ， 减小 了两者 的抗 压强度差异 。 ( 3 ) 水灰 比对抗 冻性能影响较小 。 在使用 粉煤灰混凝 土 时 ， 素混凝土宜使用低水灰 比， 而约束混凝土宜采用高 水灰 比。 ( 4 ) 约束混凝 土冻融破坏形态 以及裂缝开展经历 明显 的几个 阶段 ， 主要表现为保护层混凝土大片剥落 ， 纵筋屈 曲 ， 箍筋外鼓 ， 没有明显的脆性破坏。 而素混凝土加载后期 裂缝基本上贯穿 ， 整个混凝土压溃。 ( 5 ) 在冻融机理方 面 ， 箍 筋的约束作用使 约束混凝土 的抗冻性能提高 。 约束混凝土横向箍筋 的约束作用和空 隙 水结冰 冻胀 力抵 消一部分 ， 因而限制 内部裂缝扩展 ， 提高 抗压强度和变形能力 。 上接第 2 1页 【 1 0 MO ON J H S h r i n k a g e ， r e s i d u a l s t r e s s ， a n d c r a c k i n g i n h e t e r o g e n e o u s ma t e r i als D We s t I a f a y e t t e ， i n d i a n a ， P u r d u e Un i v e r s i t y ， 2 0 0 6 【 l 1 】 S C HL I TF E R J L ， S E N r l 、E R A H， B E NT Z D P， e t a 1 De v e l o p me n t o f a du a l r i n g t e s t for e v alu a t i n g r e s i du a l s t r e s s d e v e l o p me n t o f r e s t r a i n e d v o l u n l e e h a n g e J 】 J o u r n al o f A S TM I n t e i n a t i o n al， 2 0 1 0 ， 7 ( 9 ) 【 1 2 B RI F F AU T M， B E NB O UD J EMA F ， T ORR EN 1 I J M， e t a 1 A t h e r ma l a c t i v e r e s t r a i n e d s h r i nk a g e r i n g t e s t t o s t u d y t h e e a r l y a g e c o n c r e t e b e h a v i o u r o f ma s s i v e s t r u e t u r e s J 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， 2 0 1 】 ( 4 1 ) ： 5 6 6 3 【 1 3 J 郑建岚 ， 王国杰 ， 王辉明 目密实混凝土自生约束收缩开裂性能 试验研究I J l _建筑材料学报 ， 2 0 1 0 ( 5 ) 上接第 2 4页 【 6 1 C OMODR OMO S E M， P AP AD0 P OU L 0U M C， RE N T Z E P E RI S L K Efl e e t o f C I a c k i n g o n t he r e s p o n s e o f p i l e t e s t u nd e r h o r i z o n t a l l o a d i n g l J J O l l l h a l o f Ge o t e c h n i c a l a n d G e o e n v i r o n me n t al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9， 1 3 5 ( 9 ) ： l 2 7 5 一l 2 8 4 户辉 ， 韩林海 圆钢管混凝土抗弯刚度计算方法探讨 工业建 筑 ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 - 5 f 8 】WAK C HA URE M R， V ARP E C HAR UL A T A S E ff e c t o f c r a c k e d s e c t i o n o n l a t e r a l r e s p o n s e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e fla n g e d b e a ms I n t e r n a l J o u r n a l o f Mo d e r n E n g i n e e r i n g R e s e a r c h， 2 0 1 2， 2 ( 5 )： 3 3 8 4 3 3 8 9 参考文献： f 1 J P O WE R S T C A w o r k i n g h y p o t h e s i s f o r f u r t h e r s t u d i e s o f f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e AC I J o u r n a l ， P r o c e e d i n g s ， 1 9 4 5 ， 1 6( 4 ) ： 2 4 5 2 7 2 【 2 张子明， 王嘉航， 宋智通 寒冷气候下混凝土的破坏机理 J l _ 红水 测 ， 2 0 0 4， 2 3 ( 1 )： 6 7 7 0 3 I3 邢锋 混凝土结构耐久性设计与应用I N 北京 ： 中国建筑 出版 社 ， 2 0 1 1 ： 2 0 3 0 【 4 施土升 冻融循环对混凝土力学性能的影响 J J 土木工程学报 ， 1 9 9 7 ， 3 0 ( 4 ) ： 3 5 4 2 5 】商怀帅， 宋玉普， 覃丽坤 普通混凝土冻融循环后性能的试验研 究 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 9 - 1 1 【 6 覃丽坤， 宋玉普， 陈浩然， 等 冻融循环对混凝土力学性能的影 O J 1 岩石力学与工程学 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 ) ： 5 0 4 8 5 0 5 3 【 7 1姚家伟， 覃丽坤， 宋玉普 三轴压的普通混凝土在冻融循环后的 力学性能 J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 5 3 7 【 8 金海军， 于继寿， 李立辉， 等_ 在硫酸盐环境下冻融一 干湿循环对 混凝土的影0 8 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 4 6 5 0 9 】葛勇 ， 杨文萃 ， 袁杰 ， 等 硫酸盐溶液中混凝土抗冻融干湿循环 性能 J 1 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( s 2 ) ： 2 3 4 2 3 7 1 0 MAC L N NI S C， WHI T I NG J D T h e fro s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o a d e i c i n g a g e n t Ce 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 9 ， 9 ( 3 ) ： 3 2 5 3 3 6 1 1 张土萍， 邓敏 ， 唐明述 混凝土冻融循环破坏研究进展 J 1 材料科 学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 6 ) ： 9 9 0 9 9 4 【 1 2 】 过镇海， 日 寸 旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 】 北京： 清华大学出 版社， 2 0 0 3 ： 1 7 5 1 8 3 作者简介 联 系地址 联系电话 张俊萌， 女， 硕士研究生。 上海币闵行区东川路8 0 0号 上海交通大学船建木兰 楼 A 5 1 7 ( 2 0 0 2 4 0 ) 1 3 91 6 6 751 l 5 1 4 AS T M C 1 5 8 1 一_ 0 4， S t a n d a r d t e s t me t h o d f o r d e t e r mi n i n g a g e a t c r - a c k i n g a n d i n du c e d t e n s i l e s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f mo rta r a n d c o n c r e t e u n d e r r e s t r a i n e d s h r i n k a g e S We s t C o n s h o h o e k e n， P A， US A： AS TM， 2 0 0 4 1 5 1 张风臣 高性能混凝土的收缩和匝用研究 D1 0 xl l ： 兰州理 工大 学硕士， 2 0 0 5 作者简介 联 系地 址 联系电话 王国杰( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 博士研究生， 副教授， 从事结构工 程研究。 福州市闽候上街大学城新区溪源宫路2 号( 3 5 O L O 8 ) 1 3 9 591 0 5 72 1 9 】E L RE MAI L Y A， AZ I Z I NA MI N I A B e h a v i o r a n d s t r e n g t h o f c i r c u l a r c o n c r e t e f i l l e d c o l u m n s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 5 8 ( 1 2 ) ： 1 5 6 7 1 5 9 1 作者简介 联 系地 址 联系电话 曾长女 ( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 博士 ， 副教授 ， 研究方 向： 储仓结 构与地基相互作用、 土动力学与地基基础工程、 P F C 3 D 数值分析 。 河南省郑州市高新区莲花街 河南工业大学土木建筑 学院( 4 5 0 0 0 1 ) 】 8 6 23 7】 7 3 2 6 29