喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究.pdf

文章编号: ( ) 喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究 王家滨, 牛荻涛, 刘亚平 ( 西安建筑科技大学 土木工程学院,西安 ) 摘要:为系统研究喷射混凝土抗冻性能, 采用快冻 法, 对普通喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土进行快速 冻融实验, 并与同配合比模筑混凝土进行对比, 研究模 筑混凝土与喷射混凝土抗冻性能差异; 而后对冻融循 环后试件进行微观结构观察, 分析其性能劣化机理. 结果表明, 随着冻融循环次数增加, 试件相对动弹性模 量、 质量损失率、 立方体抗压强度及劈裂抗拉强度呈下 降趋势, 且模筑混凝土性能衰减程度远大于喷射混凝 土.而此时试件内部微气孔相互连通继而发展成为微 裂缝, 凝胶体在冻胀压力及过冷水渗透压作用下结构 酥松且部分流失, 进一步加剧试件性能劣化速度; 钢纤 维的加入可显著改善喷射混凝土内部微观孔结构, 提 高其抗冻性能.同时, 对冻融循环 , , 及 次后试件进行轴心抗压强度实验, 分析冻融损伤对试 件应力应变曲线的影响.随着冻融损伤的加剧, 试件 弹性模量及峰值应力减小, 峰值应变和极限应变增大, 应力应变曲线趋于扁平.经相同冻融循环次数作用 时, 钢纤维喷射混凝土峰值应变和极限应变增大, 说明 钢纤维的掺入可显著提高喷射混凝土延性及韧性. 关键词:隧道工程;喷射混凝土;钢纤维;抗冻性; 应力应变曲线 中图分类号:TU 文献标识码: A D O I: / j i s s n 引言 喷射混凝土是在空气压力作用下, 通过充气软管 或管道, 将混凝土或拌合料高速喷射到某个地方且瞬 时压密的混凝土 .与普通混凝土相比, 喷射混凝土 因速凝剂的掺入而具有极短的终凝时间和高早龄期强 度 .自 年在法兰克福和慕尼黑的市政隧道施 工中作为衬砌混凝土使用以来, 喷射混凝土被广泛应 用于隧道及巷道的初期或永久支护、 基坑边坡支护、 结 构加固维修等领域 . 在现代隧道衬砌结构设计与施工中, 以喷射混凝 土为主体的单层永久衬砌成为未来发展趋势 .而在 隧道运营过程中, 特别是寒冷地区, 衬砌结构不可避免 要遭受环境正负温交替作用, 从而造成开裂、 漏水等病 害, 最终导致衬砌混凝土剥落, 严重威胁到隧道衬砌结 构耐久性及使用寿命 , 故对喷射混凝土单层衬砌结 构抗冻性能研究具有重要意义. 近些年来, 国内外学者针对喷射混凝土抗冻性开 展了初步的实验研究.罗彦斌等 对 C 喷射混凝 土抗冻性进行了研究, 并与同强度等级模筑混凝土进 行了对比, 认为C 喷射混凝土耐久性指数较低, 不能 满足寒冷地区抗冻性的要求.刘成成 、 赵喜忠等 认为引气剂的掺入可显著提高喷射混凝土的抗冻性. 祝云华等 对钢纤维喷射混凝土抗冻性进行了研究, 认为钢纤维在喷射混凝土基体中的三维乱向分布可分 散毛细管收缩应力, 有效抑制内部微裂纹产生和发展, 改善喷射混凝土的抗冻性能.J i a n x u nC h e n 对 C 喷射混凝土抗冻性进行了研究, 经冻融循环 次后, 质量损失率为 , 相对动弹性模量下降 , 抗 压强 度 下 降 率 为 ; 同 时,S h i n W o nP a r k 、 J o n gP i lW o n 、 H a eG e u mP a r k等 对喷射混凝土 进行了冻融循环实验, 经 次冻融循环后, 相对动弹 性模量下降率不超过 . 综上所述, 针对喷射混凝土抗冻性研究虽取得了 一定的研究成果, 但只局限于动弹性模量、 质量损失和 抗压强度变化规律性探讨, 没有对其进行深入的研究. 为了系统研究喷射混凝土抗冻性能, 实验采用快冻法, 对普通喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土进行快速冻融 实验, 并与同配合比模筑混凝土进行对比, 从相对动弹 性模量、 质量损失率、 立方体抗压强度及劈裂抗拉强度 表征其抗冻性能衰减, 研究模筑混凝土与喷射混凝土 抗冻性能差异.对冻融损伤后试件微观结构进行观 察, 分析其性能劣化机理.同时, 对冻融循环 , , 及 次模筑混凝土及喷射混凝土试件进行轴心 抗压实验, 分析冻融循环对其应力应变曲线及弹性模 量、 峰值应力、 峰值应变及极限应变的影响. 实验 实验原料与配合比 水泥为陕西宝鸡海螺水泥有限责任公司生产的海 螺牌PO 普通硅酸盐水泥, 粉煤灰为陕西宝鸡 宝源集团粉煤灰分公司生产的级粉煤灰, 细集料为 细度模数为 的河砂, 粗集料为 mm连续级 王家滨 等: 喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( ) ; 教育部长江学者和创新团队发展计划资助项目(I R T ) 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者: 牛荻涛,E m a i l:n i u d i t a o c o m 作者简介: 王家滨( ) , 男, 河南新乡人, 在读博士, 师承牛荻涛教授, 从事混凝土结构耐久性研究. 配瓜米石, 钢纤维为上海青浦商榻金属纤维厂产剪切 压痕型冷压钢纤维, 长 mm, 宽mm, 等效长径比 .速凝剂为山西桑穆斯建材化工生产无碱速凝剂, 减水剂为山西凯迪建材有限公司生产聚羧酸系高性能 减水剂, 原料化学组成见表.喷射混凝土水胶比为 , 砂率为 , 减水剂及速凝剂添加量为胶凝材料 质量及.喷射混凝土配合比见表, 试件力学 性能示于表. 表原料化学组成() T a b l eC h e m i c a l c o m p o s i t i o no f r a w m a t e r i a l s() R a w m a t e r i a l sC a OS i OA lOF eOM g ON aOKOC l f C a O C e m e n t F l ya s h A c c e l e r a t o r / 表喷射混凝土配合比 ( k g /m ) T a b l eM i xp r o p o r t i o no f s p r a y e dc o n c r e t e( k g /m ) S p e c i m e n sC e m e n tA g g r e g a t eS a n dF l ya s hW a t e rS t e e l f i b e rS u p e rp l a s t i c i z e rA c c e l e r a t o r O C / / S / S F R S 注:O C为普通模筑混凝土;S为普通喷射混凝土;S F R S为钢纤维喷射混凝土. 表试件力学性能 T a b l eT h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s p e c i m e n s S p e c i m e n s C o m p r e s s i v es t r e n g t h /MP a S p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h /MP a d d d d d d O C S S F R S 试件制作 喷射混凝土试件取自宝鸡至兰州客运专线麦积山 隧道施工现场, 采用喷大板法进行制作, 大板尺寸为 mm mm mm.大板成型h后拆 模, 放入隧道中自然养护d, 而后使用岩石切割机将 喷射混凝土大板切割成标准试件并将其置于标准养护 室养护至 d, 最后将试件置于室外自然养护至 d. 实验方法 快速冻融实验 冻融循环实验按照 普通混凝土长期性能和耐久 性能实验方法标准 (G B/T ) 中的快冻法进 行.质量及相对动弹性模量损失率试件采用 mm mm mm棱柱体试件; 抗压强度和劈裂抗 拉强度采用 mm mm mm立方体试 件.实验每冻融循环 次为一个周期, 到期后测试试 件质量、 超声波声时、 抗压强度及劈裂抗拉强度, 试件 力学性能按照 普通混凝土力学性能实验方法标准 (G B/T ) 和 钢 纤 维 混 凝 土 实 验 方 法 ( C E C S : ) 中规定进行测试; 同时按照式() 及 ( ) 计算试件质量损失率和相对动弹性模量 . Wnmmn( )/ m ( ) 式中,Wn为n次冻融循环后试件质量损失率 () ; m为试件初始质量( k g ) ; mn为n次冻融循环后 试件质量( k g ) . Er dE d N Ed Vp N V p ( L/tp N) ( L/t p ) t p t p N ( ) 式中,t p 为初始超声对侧声时( s) ; t p N 为冻融循 环N次后试件超声对侧声时( s ) . 本构关系实验 冻融 损 伤 后 喷 射 混 凝 土 本 构 关 系 实 验 采 用 mm mm mm棱柱体试件, 冻融循环 次数分别为, , , 和 次.而后将位移采 集装置( 位移采集装置为江苏溧阳YHD 型位移传 感器, 精度 /mm, 量程mm) 固定于试件上并 置于上海华龙WAW 型微机控制电液伺服万能 实验机( 精度 N, 最大量程 k N, 最小加载速 率 mm/m i n) 中进行单轴抗压实验.同时, 将万能 实验机中力传感器信号和位移传感器位移信号同时引 入T D S 型数据采集仪中, 实现对力和位移的同步 采集, 绘出冻融损伤后试件应力应变全曲线. 喷射混凝土抗冻性研究 实验结果与分析 冻融后试件质量及动弹性模量损失率示于图. 从图可看出, 试件相对动弹性模量损失率、 质量损失 率随着冻融循环次数的增加而降低; 冻融循环 次 时, 模筑混凝土相对动弹性模量损失率和质量损失率 分别为 和 , 而喷射混凝土和钢纤维喷射混 凝土相对动弹性模量和质量损失率为模筑混凝土的 , 和 , , 而此时, 模筑混 凝土已达到破坏标准; 当冻融循环 次时, 钢纤维喷 射混凝土相对动弹性模量损失率及质量损失率为普通 喷射混凝土的 及 .故喷射混凝土相对 动弹性模量损失率及质量损失率低于普通混凝土; 且 钢纤维的掺入可显著提高其抗冻性能. 年第期( ) 卷 图冻融循环后试件相对动弹性模量损失率及质量 损失率 F i gT h el o s so fr e l a t i v ed y n a m i co fe l a s t i c i t ya n d m a s sl o s sr a t eo fs p e c i m e n sa f t e rf r e e z e t h a w c y c l e s 冻融循环后试件力学性能经时变化示于图.从 图可知, 随着冻融循环次数增加, 试件立方体抗压强 度及劈裂抗拉强度降低.喷射混凝土强度损失率小于 模筑混凝土, 而钢纤维的加入可以显著降低喷射混凝 土的强度损失. 这是因为在喷射过程中, 部分压缩空气进入混凝 土中未及时排出而形成微小孤立封闭气孔, 使喷射混 凝土中含气量在 .在冻融过程中, 这 些气泡有助于缓解喷射混凝土毛细孔中可冻水结冰引 起的膨胀压力和过冷水迁移形成的渗透压, 减少水的 冻结压力对混凝土的破坏.而钢纤维的加入抑制了喷 射混凝土早期干缩裂缝的发生和开展, 并使连通毛细 孔曲折度增大; 在冻融过程中, 钢纤维一方面可限制由 于冻胀产生的拉应力对混凝土基体的破坏; 另一方面, 在应力作用下, 钢纤维的存在可以消除微裂缝扩展引 起的尖端应力集中, 并改变微裂纹偏转方向, 断裂能增 大, 劈裂抗拉强度提高. 图冻融循环后试件力学性能 F i g T h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs p e c i m e n sa f t e r f r e e z e t h a wc y c l e s 微观结构分析 冻后试件扫描电镜( S EM) 照片示于图. 王家滨 等: 喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究 图冻融损伤后试件扫描电镜照片 F i gT h eS EMo f s p e c i m e na f t e r f r e e z i n ga n dt h a w i n gd a m a g e 图点及点的E D S能谱 F i gE D Se n e r g yp a t t e r no fp o i n ta n d 从图可以看出, 未经冻融损伤的喷射混凝土试 件内部均匀密实, 但试件O C内部凝胶体之间存在直 径为m微气孔且出现宽度m微裂缝.这 些微气孔及裂缝为过冷水迁移提供通道, 也促使冻胀 压力在此处产生应力集中, 使试件冻融损伤加速.冻 融循环 次后, 试件O C内部气孔数量增多、 分布密 集且气孔孔径有增大的趋势; 试件S中凝胶体出现剥 落流失的现象, 其内部被包裹的氢氧化钙板状晶体外 露( 图(a) 及(a) ) ; 同时在试件中出现贯通微裂缝, 这是由于冻融过程中水结冰产生的冻胀压力将试件拉 裂而造成.而试件S F R S内部无明显变化.冻融循环 次后, 试件O C内部微气孔相互贯通, 孔径增大, 凝胶体因水冻融循环产生的冻胀压力周期作用而酥 松; 同时, 试件S内存在大量具有高长径比的棒状晶体 且相互交织成三维网状结构( 图(c) ) , 而凝胶体均匀 分布在网状结构之间.这是因为在冻融循环过程中, 过冷水迁移产生的渗透压力将其内部部分凝胶体溶 出, 试件早期形成的钙矾石及钠长石晶体外露造成的 ( 图(b) 及(b) ) .而试件S F R S中出现少量气孔且 气孔孔径较小, 同时, 在凝胶体之间出现贯通微裂纹但 其长度较短.说明钢纤维的加入, 可以显著改善冻后 喷射混凝土内部微观结构, 提高试件抗冻性. 冻融损伤后试件本构关系 试件冻融循环, , , 及 次应力应变 曲线示于图.对图中试件应力应变曲线进行分 析, 可以看出喷射混凝土应力应变曲线与模筑混凝土 相似.试件未冻融损伤时, 其破坏过程可分为个阶 段: ( )弹性变形阶段, 此时试件应力为fc fc, 应力应变曲线接近于直线, 试件内部界面过渡区 形成第一批稳定、 不发展的微裂纹; ( )弹塑性变形阶 段, 此阶段按照裂纹发展过程可以分为微裂纹发展阶 段和裂缝开展阶段: 当应力为 fcfc, 此时试件 处于微裂纹发展阶段.随着应变继续增加, 试件塑性 变形增长, 应力应变曲线斜率减小, 试件内部界面过 渡区微裂缝开始缓慢、 稳定发展, 应变增长速度大于应 力增长, 应力应变曲线呈上凸状; 当应力为 fc fc, 此时试件处于微裂缝开展阶段.试件内部界面过 年第期( ) 卷 渡区微裂纹急剧扩展并与水泥砂浆中微裂纹贯通, 形 成连续裂缝.试件切线模量逐渐减小, 上升段出现拐 点即峰值应力, 对应的应变即为试件的峰值应变, 应 力应变曲线呈外凸状, 故第() 及() 阶段统称为弹塑 性变形阶段; ( )破坏阶段, 此时应力应变曲线进入下 降段, 试件内部连续裂缝快速发展, 并在试件中部表面 出现第一条宏观裂缝, 其方向平行于受力方向.随着 应变的继续增大, 裂缝向两端发展并向角部偏转, 形成 压溃型斜裂缝破坏.此时试件应力值降低, 应变值迅 速增大.钢纤维的加入可显著提高试件的延性和韧 性, 使其峰值应变增长幅度加大. 图冻融损伤后试件应力应变曲线 F i gT h es t r e s s s t r a i nc u r v e so f s p e c i m e na f t e r f r e e z i n ga n dt h a w i n gd a m a g e 根据图中曲线可以得出冻融损伤前后试件初始 弹性模量EC( 取 c处割线模量值 ) 、 峰值应力 c, 峰值应变c及极限压应变c,u等参数, 其值示于图 .由图和综合分析可以看出, 随着冻融循环次数 增加, 试件峰值应力及弹性模量逐渐降低, 峰值应变和 极限应变增大, 应力应变曲线趋于扁平状且向右移 动.同时, 当冻融循环 次时, 试件中弹塑性变形 阶段显著减小, 即试件经过弹性变形阶段后迅速达到 峰值应力, 试件抵抗变形的能力减弱, 脆性增大.冻融 循环次数继续增加, 试件应力应变曲线初期由近似线 性变为下凹趋势, 其原因为冻融损伤后, 试件由于冻胀 压力循环作用导致内部酥松, 在加载初期, 内部微裂缝 被压实, 裂缝闭合, 切线模量缓慢增大, 使其出现下凹 状 . 冻融损伤后钢纤维喷射混凝土应力应变曲线虽 与普通喷射混凝土相同, 但其EC、 c、c及c,u随冻融 循环次数变化幅度较小, 且峰值应变和极限压应变显 著增大.说明钢纤维的加入可以提高喷射混凝土的延 性和韧性, 使其抗冻性能提升. 图冻融损伤前后试件材料特性参数 F i gT h em a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so f s p e c i m e nb e f o r ea n da f t e r f r e e z e t h a wd a m a g e 王家滨 等: 喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究 结论 ( )对同配合比模筑混凝土及喷射混凝土进行 冻融循环实验, 从相对动弹性模量损失率、 质量损失 率、 立方体抗压强度及劈裂抗拉强度个方面进行表 征, 综合得出: 喷射混凝土抗冻性能优于同配合比模筑 混凝土, 冻融循环 次时, 模筑混凝土已达到破坏状 态, 喷射混凝土相对动弹性模量损失率及质量损失率 为模筑混凝土的 及 ; 冻融循环 次 时, 钢纤维喷射混凝土相对动弹性模量损失率及质量 损失率为普通喷射混凝土的 及 , 说明钢 纤维的加入可显著提升喷射混凝土的抗冻性; ( )对冻融损伤后试件微观结构进行观察分析, 得出随着冻融循环次数的增加, 试件内部微气孔相互 连通, 孔径增大并出现贯通型微裂缝.凝胶体在水冻 胀压力及渗透压作用下结构酥松且部分流失, 内部被 包裹的氢氧化钙晶体和钙矾石晶体外露, 致使试件抗 冻性能减弱.钢纤维的掺入可显著改善冻后试件内部 微观结构, 提高试件的抗冻性能; ( )从冻融损伤后试件应力应变曲线可以得 出, 喷射混凝土应力应变曲线与模筑混凝土相似, 均 可分为弹性变形、 弹塑性变形及破坏个阶段.随着 冻融循环次数增加, 试件峰值应力、 弹性模量降低, 峰 值应变及极限应变增大, 试件应力应变曲线趋于扁平 且向右移动.随着冻融次数继续增加, 应力应变曲线 初期由近似线性变为下凹状; 钢纤维掺入后对冻融损 伤后试讲峰值应力提高不明显, 但可显著提高试件峰 值应变及极限应变, 说明钢纤维可以提高试件延性及 韧性, 使其抗冻性能增强. 参考文献: A l u m T h o m a s S p r a y e dc o n c r e t el i n e dt u n n e lM N e w Y o r k:T a y l o rs h o t c r e t e;s t e e l f i b e r;f r o s t r e s i s t a n c e;s t r e s s s t r a i nc u r v e ( 上接第 页) L u m i n e s c e n c eo fD y / T b d o p e ds c i n t i l l a t i n gg l a s s e sw i t h h i g h(G d(x)L ux)Oc o n c e n t r a t i o n YAN GB i n,WAN GQ i a n,Z HAN GY u e p i n,X I A H a i p i n g ( L a b o r a t o r yo fP h o t o E l e c t r o n i cM a t e r i a l,N i n g b oU n i v e r s i t y,N i n g b o ,C h i n a) A b s t r a c t:T h eD y / T b d o p e do x y f l u o r i d eg l a s s e sw i t hh i g hG d( (x)L ux) Oc o n c e n t r a t i o nw e r ep r e p a r e db y h i g ht e m p e r a t u r em e l t i n gm e t h o d T h ea b s o r p t i o ns p e c t r a,e x c i t a t i o ns p e c t r a,e m i s s i o ns p e c t r au n d e rUVe x c i t a t i o n sa n dd e c a yc u r v e so fD y i o n sw e r em e a s u r e da n da n a l y z e d T h e r ea r es o m e i m p a c t f o r t h e l u m i n e s c e n c e o fT b i o n st h a tD y i o n sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d,a n dt h ee n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m so ft h eD y / T b d o p e ds c i n t i l l a t i n gg l a s s e sa r ea n a l y z e db yt h e I Ht h e o r ym o d e l T h er e s u l t s h o wt h a t t h eD y i o n sc a ns e n s i t i z e t h e l u m i n e s c e n c eo fT b i o n s T h eD yi o n sh a v ep o s i t i v e i m p a c t f o r l u m i n e s c e n c eo fT bi o n s, h o w e v e r w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fD y i o n sm o r e t h a n m o l , t h e i n t e n s i t yo f e m i s s i o no fT b i o n sd e c r e a s ew i t h t h e c o n c e n t r a t i o no fD y i o n s i n c r e a s e d T h ee n e r g y t r a n s f e r e f f i c i e n c yo fb e t w e e no fD ya n dT bi o n sw e r e c a l c u l a t e d T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s mi sn o n r a d i a t i v ee n e r g yt r a n s f e r,a n de n e r g y t r a n s f e re f f i c i e n c y i n c r e a s e sw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fT b i o n s K e yw o r d s:s c i n t i l l a t i n gg l a s s e s;s p e c t r a l a n a l y s i s;I Ht h e o r ym o d e l;e n e r g y t r a n s f e r 王家滨 等: 喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究