冻融循环后混凝土单轴及多轴强度的对比分析.pdf

2 0 1 3年 第 2期 (总 第 2 8 0期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RESEARCH 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 0 2 0 0 3 冻融循环后混凝土单轴及多轴强度的对比分析 覃丽坤 。宋宏伟 ，王秀伟 ( 大连民族学院 土木建筑工程学院，辽宁 大连 1 1 6 6 0 0 ) 摘要 ： 为研究冻融循环对北方寒冷地 区混凝土结构产生的不利影响，利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的 大型混凝土静、 动三轴试验系统， 对快速冻融循环0 、 2 5 、 5 0 、 7 5 次的普通混凝土进行了单轴压， 多轴压的力学性能试验， 其中双轴 压的应力比为 1 ：0 2 5 、 1 ： 0 5 、 l ： 0 7 5 、 1 ： 1 ， 三轴压的应力 比为 0 1 ： 0 2 5 ： 1 、 0 1 ： 0 5 ： 1 、 0 1 ： 0 7 5 ： 1 和 O 1 ： 1 ： 1 的常规三轴和真三轴 ， 测得了冻 融循环后混凝土的单轴和多轴抗压强度 ， 根据试验结果 ， 系统地分析了冻融循环对混凝土单轴压及多轴压强度的不同影响， 总结 了应力比和冻融循环次数对处于多轴应力状态下混凝土强度的影响规律 。 结论表明： 冻融循环后混凝 土的双轴压和三轴压强度高 于单轴抗压强度 ， 提高程度与应力 比有关。 这些结论可为北方寒冷地区的混凝土结构， 如水坝、 混凝土桥梁、 路面的抗冻设计提供 理论依据 。 关键词 ： 混凝土 ；冻融循环 ；单轴压 ；多轴压 ；强度 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 3 ) 0 2 0 0 0 8 0 4 Un i a x i a l a n d mu l t i a x l e c o m p r e s s i on s t r e n g t h o f c on c r e t e a f t e r f r e e z e - t ha w c y c l i n g c on t r a s t a n a l y s i s Q1 NL i - k u n ， S ONGHo n g - we i ， WANGXi u we i ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n ga n dAr c h i t e c t u r e ， Da l i a nNa t i o n a l i t i e s Un i v e r s i t y ， Da l i a n 1 1 6 6 0 0， C h i n a ) A b s t r a c t ： F o r t h e s a k e o f s t u d n g t h e e f f e c t o f fr e e z e t h a w c y c l in g o n c o n c r e t e s t r u c t u r e s ， u n i a x i a l c o m p r e s s i o n and m u l t i a x l e c o mp r e s s i o n s ve ng t h of no r ma l c o n c r e t e we r e t e s t e d us i n g t h e l a r g e s t a t i c d y na mi c t r i - -a x i a l t e s t s ys t e m f o r c o n c r e t e i n t he S tat e Ke y L a b o r a t o r y o f C o a s t a l a n d Off s h o r e E n g i n e e r in g ， Da l i a n Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y a ft e r 0 ， 2 5 ， 5 0 a n d 7 5 c y c l e s o f r a p i d fr e e z e tha w S t r e s s r a d i o swe r et ake ni n t o a c c o u n tt h a t de s i g n d o ub l e c omp r e s s i o n s t r e s s r a d i oswe r e l ： 0 2 5、 1 ： 0 5、 1 ： 0 7 5、 1 ： l， d e s i gn g e n e r a l a n dt r uet r i a xl e c omp r e s s i o n s t r e s s r a d i os we r e 0 1： O25： 1、 0 1： 0 5： 1 、 0 1： 0 7 5： 1 a nd 0 1： l： 1 Th e d i ffe r e n t e ffe c t o f fre e z e tha w c yc l i n g o n u n i a x i a l c omp r e s s i on a n d mu l t i a x l e c o mp r e s s i o n s t r e n g t h we r e s y s t e ma t i c a l l y a na l y z e d ba s e d o n e x p e r i me n t a l r e s ul t s， l a ws o f f r e e z e t ha w c y c l i ng a nd s t r e s s r a t i os e ffe c t o n c o n c r e t e mu l t i a xl e c o mp r e s s i o n s tre n g t h we r e s u mma riz e dThe c o nc l us i o n s h o we d t h a t do u b l e c omp r e s s i on a nd t r i a x l e c o mp r e s s i o n s tr e n g t h h i g h e r t h an un i a x i a l c o mp r e s s i o n ， t h e l e v e l t h a t i mp r o v e d r e l a t i v e t o u n i ax i a l c o mp r e s s i o n h a s r e l a t i o n wi t h s t r e s s r a d i o s Th e s t u d y r e s u l t p r o v i de d s t r u c t u r a l a s s i g n a nd a n a l y s i s f o un d a t i o n for fros t r e s i s t a nc e o f s t r u c t u r e s i n n o r t h e r n r e g i o n s u c h a s d a m ， c o nc r e t eb r i d g ea nd r o a d， e t c K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； fr e e z e t h a w c y c l e ； u n i axi a l c o mp r e s s i o n ； mu l t i -a x l e c o mp r e s s i o n ； s tre n gth 0 引言 我 国北方 寒冷地 区水利工 程 中的混凝 土大坝 ， 几乎 1 0 0 都遭受不同程度 的冻融破坏 ， 有的工程在施工过程 中 或竣工后不久即出现严重 的冻害。 混凝土冻融破坏不仅在 “ 三北” 地区存在， 在长江以北黄河以南的中部地区， 也存 在混凝土结构的冻融破坏现象。 目前， 对混凝土抗冻性能的 研究， 国内外已进行了一些试验研究工作 1 - 1 ， 提出的破坏 理论有美国的鲍尔斯( T C P o w e r s ) 提出的静水压假说和渗 透压假说 ； 前苏联学者从力学概念出发， 提出了现象学观 点等， 这些研究大部分是从纯物理的模型出发， 经假设和 推导而得出结论。 对于混凝土冻融破坏机理， 国内外尚未 得到统一 的认识 。 从现有的研 究资料来看 ， 对混凝 土冻融 破坏的研究主要集中在以质量损失与动弹性模量为标准， 针对混凝土抗冻安全设计 等级而展开的， 而对混凝土冻融 循环后的力学性能研究资料甚少。 在实际工程 中， 特别是一些重大的结构 ， 如水坝 、 海洋 工程中的混凝土结构是处于多轴应力状态的 ， 现有的研究成 果表明n 湖 ， 常温下处于双轴压压应力状态的混凝土结构比 单轴应力状态的混凝土结构， 具有更高的承载能力， 而处于 双轴拉压应力状态的混凝土结构的情况正相反， 冻融循环后 这种情况更加明显。 所以， 按照混凝土单轴设计理论分析处 于多轴应力状态的混凝土结构是不合理的。 目前， 现有的关 于冻融循环后混凝土性能的试验资料， 大多是针对单轴状态 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 8 3 0 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 4 7 9 0 5 9 ) ； 国家住房和城乡建设部科研基金项目( 2 0 1 1 k 2 1 4 ) ； 中央高校基本科研业务专项资金 资助项目( D C1 2 0 1 0 1 1 0 1 ) ； 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室项 目( L P 1 0 0 2 ) 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1中的结果表 明 ： 随冻融循环次数 的增加 ， 混凝 土 极限抗压强度明显降低 ， 经 7 5 次冻融循环后 ， 极限抗压强 度降低至初始强度的6 3 3 6 。 表 1 不同冻融循环次数后混凝土单轴压极限抗压强度平均值 d 冻融循环次数 极限抗压强度平均值 MP a O 2 5 5 0 75 3 4- 2 0 3 0 01 2 4 1 O 21 6 7 表 2中的结果表 明： 在应力 比 相 同的情况下 ， 随着 冻融循环次数的增加， 混凝土在双轴压应力状态下的极限 强度 降低 ； 在相 同冻融循环次数时 ， 混凝 土在双轴压应力 状态下的极限强度较单轴压极限强度提高， 提高程度取决 于应力比O t 值。 表 2 不 同冻融循环次数后混凝土双轴压极限抗压强度平均值 f 2 M Pa 表 3 中的结果表明： 随冻融循环次数的增加， 混凝土极 限抗压强度相应降低。 在相同冻融循环次数后， 混凝土抗 压强度随应力 比的变化规律 同常态 ， 在应力 比为 0 1 ： 0 5 ： 1 时， 混凝土极限抗压强度 a 较单轴压强度增长 幅度最大。 表 3 不同冻融循环次数后混凝土三轴压极 限抗压强度平均值 毛 M P a 2 3 冻融循环后混凝土单轴及多轴强度的对比分析 表 4给 出了混凝土双轴压平均极 限抗 压强度基于单 轴压强度提高的倍数， 表 5 给出了混凝土三轴压平均极限 抗压强度基于单轴压强度提高 的倍数 。 表 4 冻融循环后混凝土双轴压平均极限抗压强度 基于单轴压强度提高的倍数 f 2 d d 由表 4 可见 ， 在双轴压应力状态下， 在 a = l ： 0 5 时 ， 极 限抗压强度提高值最大， 并且， 随着冻融循环次数的增加， 应力比d对抗压强度的提高作用逐渐加大。 如冻融循环 前， a = l ： 0 5 时的极限抗压强度提高了 1 3 3 倍， 而冻融循环 1 0 表 5 冻融循环后混凝土三轴压平均极限抗压强度 基于单轴压强度提高的倍数 毛 7 5 次后， a = l ： O 5 时的极限抗压强度提高了 1 6 3 倍。 由表 5 可见 ， 在三轴压应力状态下， 在应力 比为 0 1 ： 0 5 ： 1 时 ， 极 限抗压强度 的增长幅度最大 。 如冻融循环前 ， = 0 1 ：0 5 ： 1 时的极限抗压强度提高了 4 1 5 倍 ， 而冻融循环 7 5 次 后 ， a = O 1 ： 0 5 ： 1 时的极 限抗压强度提高了 5 9 3 倍 。 图 4 给出了冻融循环后混凝土单轴压 、 双轴压、 三轴 压极限抗压强度对 比分析图。 由表 4 、 5 和图 4可见 ， 在相同冻融循环次数时 ， 混凝 土在双轴压 和三轴压应力状态的极限抗 压强度较单轴 压 极限强度提高， 提高程度取决于应力比O t 值。 并且， 三轴压 应力状态的极限抗压强度提高程度远远大于双轴压应力 状态的提高程度。 l 60 1 40 皇 2 0 寇 1 0 0 皆8 0 6 O 譬 o 2O 0 一 三轴0 1 ： O 2 5 ： 1十三轴0 1 ： 1 ： 1 一 双轴1 ：0 7 5 o 一三轴0 1 ： O 5 ： 1 卅l 单轴 +双轴1 ： 1 口 一三轴0 1 ： O 7 5 ： 1 十双轴1 ： 0 5 +双轴1 ： O 2 5 一 一 2 5 5 O 7 5 冻融循环次数 图 4 冻融循环后混凝土单轴压、 双轴压、 三轴压极限抗压强度 3结论 通过对经受不 同冻融循环次数后混凝土单轴压和多 轴压试验结果 的分析 ， 得出的主要结论如下 ： ( 1 ) 冻融循环后 ， 混凝土的单轴抗压强度和多轴抗压 强度均降低 ， 在 2 5次冻融循环后 ， 降低幅度不明显 ， 在经 历 7 5 次冻融循环后 ， 单轴抗压强度降低 3 6 6 4 左右 ； 对普 通混凝土， 仅以相对动弹模值降至 6 0 和质量损失率达5 来作为冻融破坏 的评价指标不一定合适 ， 有时还要参考强 度指标 。 ( 2 ) 在相同冻融循 环次数后 ， 双轴压混凝土 的抗压强 度较单轴压极限强度提高， 提高程度取决于应力比O t 值， 在 a = l ： O 5时， 极限抗压强度 提高幅度最大， 7 5 次冻融循环 时， 基于单轴抗压强度提高 1 6 3 倍， 因此， 实际工程中， 处 于双轴压应力状态的混凝土结构比单轴应力状态的混凝 土结构， 具有更高的抗冻融循环能力。 ( 3 ) 在相同冻融循环次数后 ， 三轴压混凝土的抗压强 度较单轴压极限强度提高 ， 提高程度取决于应力比O t 值， 在应力比为 0 1 ： 0 5 ： 1 时， 极限抗压强度 增长幅度最大， 如 冻融循环 7 5 次后， 基于单轴抗压强度提高了 5 9 3 倍。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 4 ) 冻融循环对单轴抗压强度的影响大于对双轴压和 三轴抗压强度 的影响 ， 如 7 5次冻融循环后 的单轴抗压强 度比冻融循环前的单轴抗压强度降低 3 6 3 6 ， 而在应力 比为 0 1 ： 0 5 ： 1 时 ， 7 5 次冻融循环后的三轴压极 限抗压强度 比冻融循环前降低 9 3 5 ， 说明对多轴压状态的混凝土 强度 ， 应力 比的影 响要大于冻融循环次数的影 响。 因此 ， 设 计 中考虑冻融循 环后多轴压混凝土较单轴压混凝土 强度 的增长 ， 可大大节省材料。 参考文献： 1 】J A C O B S E N S ， M A R C H A N D J ， H I M A I N H S E M o b s e r v a t i o n s o f t h e mi c r o s t r u e t u r e o f f r o s t d e t e rio r a t e d a n d s e l f - h e ale d c o n c r e t e 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 ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 8 ) ： 1 7 8 1 1 7 9 0 2 程红 强 ， 等 冻融对混 凝土强度 的影响 河南科 学 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 2 1 4 2 1 6 3 】 李金玉， 等 混凝土冻融破坏机理的研究【 J 1 水利学报， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 41 49 4 】施士升 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 5 蔡昊， 覃维祖， 刘西拉冻融循环作用下混凝土力学l生 能的损失叨 工程力学， 1 9 9 6 ( 增T U ) ： 2 9 3 3 6 】V E R B E C K G， L A N D G R E N R I n fl u e n c e o f p h y s s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a g g r e g a t e s o n 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 J P r o c AS T M， 1 9 6 0： 1 0 6 3-1 0 79 7 】B O U R N A Z E L J P ， M O R A N V I L L E M D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e t h e c r o s s r o a d b e t w e e n c h e m i s t r y a n d m e c h a n i c s J C e m e n t a n d C o n c r e t e 上接第 7页 碳化能力增强； 但激发剂对抗碳化性能并没有明显改善。 ( 3 ) 在其他条件相同的条件下 ， 随养护龄期 的延长 ， 大 掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能均较养护 2 8 d的有明显 改善 ； 当养护龄期从 2 8 d增到 3 6 5 d 时 ， 其 试样碳化 2 8 d 的碳化深度从 9 - 3 、 1 3 7 mm分别降到 6 7 、 9 0 m m。 参考文献 ： 1 付兆岗 高速铁路耐久性混凝土的配制与施工 J _ 混凝土， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 1 0 5 1 1 0 【 2 Z H A O F Q ， Z H A O J ， L I U H J A u t o c l a v e d b ri c k f r o m l o w s i l i c o n t a i l i n g s J C o n s t r B u i l d M a t e r ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 5 3 8 - 5 4 1 3 】Z I MME R A， B E RGMANN C P F l y a s h o f mi n e r a l c o al a s c e r a mi c t i l e s r a w m a t e r i a l J Wa s t e M ana g e m e n t ， 2 0 0 7 ( 2 7 ) ： 5 9 - 6 8 f 4 1 钱觉时， 孟志良， 张兴元 大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研 究 重庆建筑大学学报， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 - 9 【 5 朱艳芳， 王培铭 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究 J 建 筑材料学报， 1 9 9 9 ， 2 ( 4 ) ： 3 1 9 3 2 3 6 】 水中和， 屠柳青， 马军涛， 等 膨Jg IU 对粉煤灰混凝土显微结构 及抗碳化性能的影响 J 混凝土， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 6 2 6 8 7 】程云虹， 闰俊， 刘斌， 等 粉煤灰混凝土碳化性能试验研究f J 公 路， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 1 6 0 1 6 2 8 张令茂， 江文辉 混凝土自然碳化及其与人工加速碳化的相关 R e s e arc h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 5 4 3 1 5 5 2 8 Z HO U Y X， C O H E N M D， D O L C H L W E f f e c t o f e x t e r n al l o a d s o n t he f r o s t -r e s i s t a n t p r o p e r t i e s o f mo r t ar wi t h a n d wi t h o u t s i l i c a f u me J AC I Ma t e r J ， 1 9 9 4， 9 1 ( 6 ) ： 5 9 5 6 0 1 f 9 19 邹超英， 赵娟， 梁锋， 等 冻融作用后混凝土力学性能的衰减规 律 J 】 _ 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 1 7 1 3 8 【 1 0 郑晓宁， 刁波， 孙洋， 等 混合侵蚀与冻融循环作用下混凝土力 学性能劣化机理研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 1 1 - 1 1 6 【 1 1 】 肖前慧， 牛荻涛， 赵阳， 等 冻融环境下引气混凝土力学性能研 究 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ， 2 3 6 ( 6 ) ： 1 0 1 1 1 2 】 祝金鹏 ， 李术才 ， 刘宪波 ， 等 冻融环境下混凝土力学性能退化 模型【 J J 建筑科学与工程学报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) ： 6 2 6 7 1 3 J3 洋， 刁波j 昆合侵蚀与冻融环境下混凝土力学性能劣化试验【 J 】 建筑科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 4 1 4 4 【 1 4 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 J 昆 凝土与水泥制品， 2 0 0 5 ， 1 4 2 ( 2 ) ： 9 - 1 1 1 5 】 过镇海 ， 王传志 多轴应力下混凝土的强度和破坏准则研究【 J J 土木工程学报， 1 9 9 1 ， 2 4 ( 3 ) ： 1 - 1 4 1 6 宋玉普， 赵国藩 复杂应力状态下混凝土的变形和强度特性 J 海洋工程， 1 9 9 1 ， 9 ( 2 ) 2 0 3 1 作者简介 联 系地址： 联系电话 覃丽坤( 1 9 6 5 一 ) ， 女， 教授， 博士， 主要从事混凝土强度 理论研究。 大连开发区辽河西路 1 8 号 大连民族学院土建学院 ( 1 1 6 6 0 0 ) 1 3 9 41 1 44 7 52 性研究 J _ 西安建筑科技大学学报 ： 自然科学版， 1 9 9 0 ， 3 ( 2 2 ) ： 2 0 7 -21 4 【 9 】阿茹罕， 阎培渝不同粉煤灰掺量混凝土的碳化特性 J 】 硅酸盐 学报， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 ) ： 7 - 1 2 1 0 支 斌 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能 J 】 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 44 - 48 1 1 G A O Y M， S H I M H S ， HU R T R O B E R T H， e t a1S u u b e r g E ff e c t s o f c a r b o n o n a i r e n t r a i n me n t i n fl y a s h c o n c r e t e： Th e r o l e o f s o o t a n d c a r b o n b l a c k J E n e r g y F u e l s ， 1 9 9 7 ， 1 1 ( 2 ) ： 4 5 7 - 4 6 2 【 1 2 L I G F ， H U A N G Y， C H E N C HI nflu e n c e o f t h e fl y - a s h c o n t e n t o f c o n c r e t e a t l o w wa t e r bi n d e r r a t i o o n h y d r a t i o n de g r e e o f b i n d e r s a n d c e me n t J Ad v Ma t e r R e s ， 2 01 1 ， 2 5 0 2 5 3 ： 44 5 44 9 1 3 】 覃维祖利 用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的探讨 J _建筑 材料学报， 1 9 9 9 ， 2 ( 2 ) ： 1 5 3 1 5 8 【 1 4 N A T H P ， S M A R K E R P E f f e c t o f fl y a s h o n t h e d u r a b i l i t y p r o p e r - t i e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J 2 r o c e d i a E n g 2 0 1 1 ( 1 4 ) ： 1 1 4 9 1 1 5 6 作者简介 联 系地址 ： 联系电话 汪潇( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 博士生， 讲师， 研究方向： 工业固体 废弃物资源化综合利用。 河南省平顶山市新城区明月路 河南城建学院土木与 材料工程系( 4 6 7 0 3 6 ) 1 5 0 3 7 51 5 8 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m