大掺量粉煤灰混凝土冻融损伤模型及剩余寿命预测.pdf

2 0 1 3 年 第 1 2期 (总 第 2 9 0 期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 9 0 ) 混 凝 土 CO n c lI e t e 原材料及辅助物料 MAT E R L A L A ND A DMI N I C L E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 2 0 2 9 大掺量粉煤灰混凝土冻融损伤模型 及剩余寿命预测 霍俊芳 ，于乃领 ，王婷 ( 内蒙古工业大学 土木工程学院 ，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 ) 摘要： 在对大掺量粉煤灰混凝土试验研究得到试验数据的基础上 ， 对大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性能做更深层次的研究 ， 基 于大掺量粉煤灰混凝土的质量和相对动弹性模量的变化规律 ， 建立 了大掺量粉煤灰混凝土的冻融损伤模型， 并对大掺量粉煤灰 混凝土的剩余寿命进行 了预测 ， 通过试验研究表明大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性能较好 ， 但随着粉煤灰掺量的增加 ， 混凝土的剩 余寿命减少。 关键词 ： 大掺量粉煤灰 ；混凝土；冻融损伤模型 ；剩余寿命预测 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 1 0 7 0 3 F l y as h c onc r et e f r eez e t ha w dam age m odel and r e si dual l i f e pr edi c t i on HUOJ u nf a n g， YU Na i l i ng， WANG T i n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H o b h o t 0 1 0 0 5 1 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Ba s e d o n t h e e x pe r i me n t a l d a t a fro m t h e s t ud y a b o ut hi g h vo l u me fl y a s h c o nc r e t e， the pa p e r c a r r i e s o n a d e e p e r s tud y a b o ut i t s fr o s t r e s i s t a n c e p r o p e r t y B a s e d o n the v a r i at i o n r u l e o f q u a 1 a n d r e l at i v e d y n a mi c e l a s t i c m o d u l u s a b o u t h i g h v o l u me n y a s h c o n c r e t e ， the pa pe r bu i l d s fre e z e t ha w d a ma g e mod e l a nd p r e d i c t s the r e ma i ni n g l i f e f o r h i g h v o l um e fly a s h c on c r e t e Th e e x p e r i me n t a l r e s e a r c h r e s ui t s s h o we d that t he fros t r e s i s t a n c e o f h i gh v o l um e fly a s h c on c r e t e p e r f o r ms be t t e r ， a nd wi t h the do s a g e o f a s h ny i nc r e a s e s ， the r e ma i n i ng l i f e o f c o n c r e t e i s s h o r t e ne d K e y wo r d s ： h i 曲 v o l um e fl y a s h ； c o n c r e t e ； fr e e z e - tha w d a ma g e mo d e l ； r e ma i n i n g l i f e f o r e c a s t 0 引 言 混凝土是现代重要的一种建筑材料 ， 大量的研究资料表 明， 在今后相当长的一段时间内， 混凝土仍然将会是现代土 木工程 中最主要 的建筑材料之一【 。 为了减少能源的消耗 、 资源的浪费以及对环境所造成的污染 ， 在工程中往往采用部 分粉煤灰来替代混凝土中的水泥。 许多研究资料证实： 大掺量 粉煤灰混凝土耐久性能是十分优 良的 3 。 本研究在文献f 4 研 究的基础上对混凝土的冻融损伤模型和寿命预测进行研究 ， 试 图寻求粉煤灰对混凝土抗冻性和剩余寿命的影响， 为大掺 量粉煤灰混凝土在实际工程中的应用提供一些参考依据。 1 大掺 量粉煤灰混凝 土配合 比 根据文献 4 的研究 ， 得到配制粉煤灰混凝土的配合 比 及材料用量和编号如表 1 所示。 2 粉 煤灰掺量对混凝 土性 能的影 响 2 1 粉煤灰 对混凝 土质 量损 失率的影响 质量损失 的主要原 因是混凝 土表面剥落 5 ， 将试验 中 表 1 粉煤灰混凝土配合比及材料用量 k g m 测得的试件的质量代人式( 1 ) ： n = = ( G G G 0 ) x l O 0 ( 1 ) 式 中： 次冻融循环后试件的质量损失率 ； G 。 冻融循环试验前的试件质量 ， k g ； G 次冻融循环后的试件质量 ， 。 由式 ( 1 ) 得到粉煤灰混凝土 的质量损失率 ， 见 表 2 ， 混 凝土冻融循环 3 0 0 次 的质量损失率变化规律如图 1 所示。 2 2 粉煤灰掺量对混凝土相对动弹性模 量的影响 粉煤 灰混凝 土冻融 3 0 0 次 的冻融循环相对 动弹性模 量见表 3 ， 变化规律如图 2所示 。 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 6 - 0 5 基金项目：内蒙古 自治区自然科学基金资助项 目( 2 0 1 1 B S 0 7 0 7 ) ； “ 十二五” 农村领域国家科技计划课题( 2 0 1 2 B A J 2 0 B 0 4 0 7 ) 1 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 混凝土质量损失率 1 8 1 6 1 4 要 1 2 懈 1 0 s 皿 砌0 6 0 4 0 2 O 一0 2 1 OO 9 9 9 8 9 7 需 霞9 6 9 5 9 4 冻融 循环次 数 ， 次 图 1 混凝土质量损失变化规律 2 5 5 0 7 5 l O O 1 2 5 1 5 0 1 7 5 2 0 0 2 25 2 5 0 2 7 5 3 O O 冻融 循环次 数 次 图 2混凝土 相对 动弹性 模量 变化 规律 2 3 粉煤灰掺 量对混凝 土抗压强度的影响 根据文献 4 对粉煤灰等量取代水泥在 2 5 5 5 的混 凝土进行 了抗压强度的试验研究 ， 试验结果如表 4 所示。 表 4混凝土试件抗压强度试验结果 由表 4 可知 ， 粉煤灰掺量在 2 5 3 5 L I 混凝土 的强 度能够取得较好 的效果 ， 粉煤灰掺量在 2 5 3 5 之间时 ， 强度下 降不明显 ， 粉煤灰掺量对混凝土的强度影响不是很 大 。 当粉煤灰掺量 为 3 5 5 5 时 ， 随着掺量 的增 加 ， 这种 影响就越来越明显 ， 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响 规律随着粉煤灰掺量的增加而下降。 1 08 3 大掺量粉煤灰混凝土抗冻性 能分析 混凝土结构受到冻融破坏后 ， 往往出现两种形式的破 坏 即内部开裂与表面剥落 ，混凝土 的质量与强度下降 ， 最 终导致混凝 土结构丧失承载能力。 在快冻试验中，经常用 混凝土的耐久性抗冻融指数 来表示混凝土的抗冻性 ： 式中： 混凝土能经受 的冻融循环次数 ； P 经 次冻融循环后试件的相对动弹性模量 。 混凝土的抗冻融指数如表 5 所示。 表 5 混凝土的抗冻融指数 由表 5 看出， 粉煤灰掺量在 3 0 5 0 ， 混凝土 5 6 d的耐 久生 抗冻融指数分别为 9 9 0 4 、 9 8 6 8 、 9 8 4 8 、 9 4 5 3 和 9 4 0 8 ， 远 大于 6 0 ， 说明大掺量粉煤灰混凝土抗冻性很高。 4 大掺 量粉煤灰 混凝土 冻融损 伤模 型及 混凝 土剩余寿命的预测 4 1 基 于质 量损 失 的冻融损伤模 型的建 立和 剩余 寿命预测 混凝土质量损失主要是混凝土表面剥落所致 ， 混凝土 试件 3 0 0次冻融循环后质量损失率见表 2 。 参考冻融循 环 次数与质量损失率的关系变化曲线图， 采用二次函数形式 的数学模型对粉煤灰混凝土 的质量损失率进行拟合 ， 建立 不同粉煤灰掺量的混凝土冻融损伤模 型 ： 6 + c ( n ， b ， c 为参数 ) ， 以冻融循环次数 为变量 ， 建立二次函数形 式拟合模型 ： F 3 0： 0 0 4 6 5 x 1 0 - 4 N + 7 5 x 1 0 4 N 2 ( 0 9 7 9 ) ( 3 ) F 3 5 ： Wr一 0 0 2 + 5 x 1 0 4 N+ 5 x 1 0 4 N2 ( 0 9 8 9 ) ( 4 ) F 4 0 ： W = O + 5 x 1 0 + 7 5 x 1 0 4 W( 0 9 8 8 ) ( 5 ) F 4 5 ： W 一 0 1 l + 2 x 1 0 _ 3 + 4 x 1 0 4 N2 ( r - 0 9 7 3 ) ( 6 ) F 5 0 ： 0 0 1 + 1 2 5 x 1 0 + 1 5 5 x 1 0 v 2 ( r 2 = 0 9 8 3 ) ( 7 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中： F 3 0 、 1 7 3 5 、 F 4 0 、 F 4 5 、 F 5 0 粉煤灰掺量为 3 0 、 3 5 、 4 0 、 4 5 、 5 0 的混凝土 ； 混凝土的质量损失率 ； 冻融循环次数 ； 函数的相关系数。 相关系数越大表示数学模型拟合越好 ， 反之亦然。 根据 求得 的相关 系数可以看 出 ， 采用的二次 函数与试验结果拟 合相吻合。 当混凝土的质量损失率超过 5 时 ， 认为混凝土试件破 坏 。 即此时冻 融循环 次数 为混凝土 的试验 室冻融 寿命 ， 记 为 ， 将 5 代 入 式 ( 3 ) ( 7 ) 求 得 F 3 0 、 F 3 5 、 F 4 0 、 F 4 5 、 F 5 0 试验室冻融寿命分别为 9 5 、 9 1 、 7 9 、 7 5 、 6 7年。 NL 1 ； ： N蛆f k 0 8 式中： A T 快速冻融条件下混凝 土的循环次数 ； 现场条件下混凝土的循环次数。 可得到现场条件下大掺量粉煤灰混凝土 的冻融使 用 寿命 N L T = I 2 虬 ( 次 ) 网 。 因此 ， 可以粗略地计算 F 3 0 、 F 3 5 、 F 4 0 、 F 4 5 、 F 5 0 使用年限约为 1 1 4 、 1 0 9 、 9 5 、 9 0 、 8 0 年 。 4 2 基 于相 对动 弹性 模量 衰减的 冻融损伤 模 型剩 余寿命预测 根据混凝 土冻融 破坏机 理及损伤 机理 ， 可 以将混 凝 土的冻融循 环过程看作是一个损伤积 累直至破坏 的过程。 借鉴唯象 学方法 ， 对材 料细观结构 的损伤用宏 观可测 定 的量来间接地表达。 因此 ， 在大掺量粉煤灰混凝土冻融试 验 的基 础上 ， 采用数 学模型对试 验测得 的粉 煤灰混凝 土 相对动弹性模量进行拟合 ， 来描述粉煤灰混凝 土的冻融损 伤过程 。 参考文献 以及图 2 所示的大掺量粉煤灰混凝土相对动 弹性模量变化曲线 ， 本章采用二次函数形式的数学模型分 别对不 同掺量粉煤灰混凝土 的相对动 弹性模量进行拟合 ， 建立不同掺量粉煤灰混凝土冻融损伤模型： 6 + c ， v 2 ( o ， b ， c 为参数) 。 F 3 0： E f= 9 9 4 6 + 3 1 x l O 州 一 1 5 x 1 0 - s N 2 ( r 0 9 8 7 ) ( 8 ) F 3 5 ： E r1 0 0 1 8 5 9 1 0 V 一 3 x 1 0 - 6 N2 ( r 2 = 0 9 7 8 ) ( 9 ) F 4 0： E 9 8 4 8 6 6 5 x 1 0 一 8 5 x 1 0 4 N2 ( r 0 9 8 1 ) ( 1 0 ) F 4 5： 点 1 f= 9 7 8 9 + 2 0 3 x 1 0 1v _ 1 0 5 x 1 0 - T N 2 ( r 0 9 8 1 ) ( 1 1 ) F 5 0： Er= 9 6 6 9 + 3 1 9 x 1 0 一 1 3 6 x 1 0 4 N2 ( d =- 0 9 7 9 ) ( 1 2 ) 式中 ： F 3 0 、 F 3 5 、 F 4 0 、 F 4 5 、 F 5 0 粉煤灰掺量为 3 0 、 3 5 、 4 0 o 、 4 5 、 5 0 0 的混凝土 ； E 混凝土的相对动弹性模量 ； 冻融循环次数 ； 函数 的相关系数。 相关系数越大表示数学模型拟合越好 ， 反之亦然。 根据 求得 的相关 系数可 以看 出 ， 采用的二次 函数与试验结果拟 合相 吻合。 当混凝 土 的相对 动弹性 模量 ( E) 小于 6 0 时 ， 认 为 混凝土试 件破坏 。 即此时冻融循 环次数为混凝 土 的试 验 室冻融寿命 ， 记为 。 将 E U 6 0 代人式( 8 ) ( 1 2 ) ， 求得 17 3 0 、 1 7 3 5 、 F 4 0 、 F 4 5 、 F 5 0试 验 室 冻 融 寿 命 分 别 为 1 0 、 9 3 、 8 3 、 7 7 、 7 年 。 由公式 L fJ7、 7A 1 K ， 其中 A 为快速冻融条件下混凝土 的循环次数 ， I 为现场条件下混凝土 的循环次数 ， 可得到 现场 条件 下大掺 量粉 煤灰 混凝 土 的冻融 使用 寿命 N L T = 1 2 N ( 次 ) 嗣 。 因此 ， 可 以粗 略地计算 F 3 0 、 F 3 5 、 F 4 0 、 F 4 5 、 F 5 0 使用年限约为 1 2 0 、 1 1 2 、 1 0 0 、 9 2 、 8 5 年 。 由以上两种模 型可知 ， 随着粉煤灰掺量 的增加 ， 混凝 土 的质量损失率增加 、 相对动弹性模量降低 ， 混凝 土的剩 余使用寿命减少 。 分析其 主要原因是粉煤灰的二次水化需 要水泥水化产物 c a ( O H) 作为激发剂 ， 当粉煤灰掺量很大 时 ， 水 泥用量很少 ， 这样水 泥水化产物就很少 ， 粉煤灰的二 次反应减慢 ， 未水化的粉煤灰颗粒 增加 ， 不 能有效填充混 凝土 中的孔隙 ， 混凝土 内部结构疏松 ， 最终 导致混凝土 的 相对动 弹性模量下降 、 质量损失增加 、 混凝 土的使用寿命 减少。 5 结 i - ( 1 ) 大掺量粉煤灰混凝土 的抗冻性指数均大于 6 0 ， 说 明大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性能较好 ， 当粉煤灰掺量在 2 5 3 5 时混凝土的强度较高。 ( 2 ) 利用混凝土质量损失和相对动弹性模量建立 的混 凝土冻融损伤模型能较好的反应出混凝土 的实 际损伤情 况 ， 比较准确的反应出混凝土的剩余寿命 。 当粉煤灰掺量在 3 0 左右时， 混凝土的剩余使用寿命较长， 但随着粉煤灰 掺量的增加， 剩余使用寿命减少。 参考文献： 1 AI T C I N P CC e me n t s o f y e s t e r d a y a n d t o d a y c o n c r e t e of t 0 m0 r r 【 J 】 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 3 0 ) ： 1 3 4 9 1 3 5 9 2 徐定华 ， 冯文元 混凝土材料实用指南 M 】 _ E 京 ： 中国建材工业 出版社 ， 2 0 0 5 3 刘俊龙 ， 麻海燕， 王甲春 干燥环境下大掺量矿物掺合料高强混 凝土的抗冻性【 J j 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 6 9 7 2 【 4 季晓霞大掺量粉煤灰高性能混凝土耐久性试验研究 D 呼和浩 特： 内蒙古工业大学， 2 0 0 9 5 霍俊芳 ， 刘大鹏 钢纤维改善轻骨料混凝土耐冻融性能研究【 J 1 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 7 6 7 9 6 刘大鹏 ， 霍俊芳 纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型研究 J 硅酸 盐通报， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 6 8 5 7 1 作者简介： 联系地址 霍俊芳( 1 9 7 1 一 ) ， 女， 博士， 教授， 主要从事混凝土结构 耐久性的研究。 内蒙古呼和浩特市新城区爱民街 4 9 号 内蒙古工业 大学土木工程学院( 0 1 0 0 5 1 ) 联系电话 ： 1 3 3 4 7 1 5 7 7 9 9 1 O 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m