于孝民,任青文

(1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.徐州水利局規(guī)劃計劃處,江蘇徐州 221002)

凍融循環(huán)作用下普通混凝土斷裂能試驗

于孝民1,2,任青文1

(1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.徐州水利局規(guī)劃計劃處,江蘇徐州 221002)

為了研究凍融循環(huán)對普通混凝土斷裂性能的影響,依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行混凝土快速凍融循環(huán)試驗,對4組C20普通混凝土進(jìn)行了凍融次數(shù)分別為0次,10次,20次和30次的試件的斷裂能測試.試驗結(jié)果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土斷裂能呈逐漸下降趨勢,斷裂能損失與相對動彈模損失率的變化規(guī)律基本一致.這說明斷裂能也可作為衡量混凝土凍融損傷的一個重要指標(biāo).

凍融破壞;斷裂能;混凝土

混凝土抗凍耐久性是混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容之一.近年來,圍繞混凝土凍融循環(huán)的試驗研究主要集中于凍融破壞機理、影響因素、改善措施以及抗凍耐久性壽命預(yù)測模型等方面[1-2].宋玉普等[3-8]開展了凍融環(huán)境下混凝土靜力學(xué)特性方面的試驗研究,建立了相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則以及損傷本構(gòu)方程,為研究凍融混凝土力學(xué)特性奠定了一定的基礎(chǔ).研究表明,混凝土凍融破壞的實質(zhì)是:在凍融循環(huán)下,其疲勞損傷累積擴展導(dǎo)致混凝土體積膨脹、結(jié)構(gòu)松散而發(fā)生開裂破壞的過程.斷裂能對凍融循環(huán)產(chǎn)生的裂縫較為敏感,因為能量的耗散包含了強度和變形2個方面的信息,能夠較好表征混凝土凍融損傷的狀態(tài),是衡量混凝土抗裂特性的一個重要指標(biāo).目前,采用斷裂能研究凍融作用后混凝土的斷裂行為和斷裂特征的較少[9-10],對凍融環(huán)境下普通混凝土斷裂能試驗研究就更少.本文通過對承受若干次凍融循環(huán)的中低標(biāo)號C20普通混凝土進(jìn)行的斷裂能測試,研究了其斷裂能隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.

1 試驗設(shè)計

1.1 材料及配合比

混凝土原材料:水泥P·O 32.5;中砂,細(xì)度模數(shù)2.6;連續(xù)級配碎石;混凝土塌落度(70±10)mm.配制的C20 混凝土配合比:水泥342kg/m3;砂638kg/m3;石 1178kg/m3;水188kg/m3.水灰比 0.55;塌落度65mm;含氣量1.3%.C20混凝土主要力學(xué)參數(shù)——抗壓強度33.6MPa.

1.2 試件設(shè)計

對C20混凝土進(jìn)行0次,10次,20次和30次的凍融試驗,測量不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土斷裂能.為此,試驗按照SL211—98《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》和SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》,需制作4組(每組3塊)100mm×l00mm×400mm試件和1組150mm×150mm×150mm立方體試件.立方體試件用來測定抗壓強度,而測定斷裂能的試件則要在試件中間底部預(yù)制40mm深裂縫,縫寬1～2mm.為預(yù)制裂縫,采用木模在中間部位預(yù)先嵌入1.5mm薄鋼片,待混凝土初凝時及時拔出預(yù)置鋼片.試件拆模后,立即在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護,達(dá)到試驗齡期的前4d,將試件放在(20±3)℃的水中浸泡,28d養(yǎng)護后進(jìn)行凍融試驗.

1.3 試驗設(shè)備

凍融試驗在DDR-2型混凝土快速凍融試驗機上(圖1)進(jìn)行.該設(shè)備主要性能:試件中心溫度(-18±2)～(5±2)℃;凍融液溫度-25～20℃;凍融循環(huán)1次歷時2～4h(融化時間不少于整個凍融歷時的25%);采用熱電偶測量試件中心溫度時,精度達(dá)0.3℃.試件中心和表面的溫差小于28℃,凍和融之間的轉(zhuǎn)換時間不超過10min.

____當(dāng)凍融循環(huán)到達(dá)某一設(shè)計凍融次數(shù)時,從試驗箱中拿出其中1組試件,進(jìn)行斷裂能試驗.而其余各組試件繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的凍融循環(huán),直至完成最后的循環(huán)次數(shù).

各次凍融的混凝土試件的斷裂能測定在河海大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗室內(nèi)完成,試驗裝置如圖2所示.

2 試驗結(jié)果與分析

斷裂能測試的試件尺寸為100mm×100mm ×400mm,支距為300mm,預(yù)制裂縫深度為40mm.斷裂能計算公式為

圖1 DDR-2型混凝土快速凍融試驗機Fig.1 DDR-2 rapid freeze-thaw test machine for concrete

圖2 凍融混凝土斷裂能試驗裝置Fig.2 Test devices for fracture release energy of freeze-thaw concrete

式中:GF——斷裂能,N·m/m2;p——荷載,N;b——試件截面寬度,m;d——試件截面高度,m;a0——裂縫深度,m;δmax——預(yù)制裂縫試件加力點處的最大位移,mm.

2.1 不同凍融循環(huán)次數(shù)混凝土荷載與位移的關(guān)系

通過采集的整個試驗過程的數(shù)據(jù),作出不同凍融次數(shù)的混凝土所受荷載與中心位移的關(guān)系圖,如圖3所示.所謂中心位移,是指帶裂縫三點彎曲梁加力點處的位移(圖2).

可以看出:(a)混凝土承載能力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低.以C20普通混凝土為例,未凍融試件最大承載力可達(dá)2.87kN左右,而凍融30次的試件最大承載力只有1.83kN左右.(b)隨著凍融次數(shù)的增加,凍融試件開裂屈服提前:未凍融試件在中心位移0.45mm時發(fā)生斷裂,而經(jīng)凍融后的試件,中心位移不到0.25mm就發(fā)生斷裂.

圖3 不同凍融次數(shù)混凝土荷載與中心位移關(guān)系Fig.3 Relationship between concrete load and central displacement with different freeze-thaw cycles

2.2 不同凍融循環(huán)次數(shù)混凝土斷裂能測試結(jié)果

斷裂能是衡量材料斷裂性能的重要指標(biāo)之一,可以用來描述材料對裂紋擴展阻力的大小.斷裂能數(shù)值越大,表明材料阻裂效果越好[11].利用混凝土荷載與中心位移關(guān)系曲線(圖3)和式(1)可計算出不同凍融次數(shù)混凝土斷裂能,結(jié)果如圖4所示.

從圖4可知:混凝土斷裂能凍融次數(shù)由0次變?yōu)?0次時斷裂能降低僅0.6%,表明混凝土內(nèi)部損傷較小;凍融20次時,斷裂能降低了14%;凍融30次時,斷裂能降低了18.6%.由10次變?yōu)?0次時斷裂能下降明顯.可見,普通混凝土斷裂能隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低,開始時降低較為緩慢,到10次以后內(nèi)部損傷速度明顯加快,到30次凍融循環(huán)時斷裂能就已經(jīng)降低了18.6%,這與測試的混凝土相對動彈模變化規(guī)律(表1)基本一致,說明斷裂能這一參數(shù)能反映混凝土凍融循環(huán)造成的內(nèi)部損傷及損傷累計的變化規(guī)律.

圖4 斷裂能隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Variation of fracture release energy with number of freeze-thaw cycles

2.3 混凝土斷裂能與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系分析

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可以得到混凝土斷裂能與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系:

式中N為凍融次數(shù),相關(guān)系數(shù)為R2=0.9125.利用式(2)可估算具體凍融循環(huán)下的混凝土斷裂能.需要指出的是,由于試驗組數(shù)有限,式(2)的相關(guān)系數(shù)偏小,需通過更多試驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行改進(jìn).

表1 各次凍融混凝土的最大試驗荷載與斷裂能、相對動彈模的關(guān)系Table 1 Maximum concrete load and fracture release energy with different freeze-thaw cycles

3 結(jié) 論

a.通過試驗研究,揭示了凍融循環(huán)作用下混凝土斷裂能變化規(guī)律,即:混凝土承載能力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低;隨著凍融次數(shù)的增加,試件開裂點提前.斷裂能損失與相對動彈模損失率的變化規(guī)律基本一致,表明斷裂能也可作為衡量混凝土凍融損傷的一個重要指標(biāo).

b.根據(jù)試驗數(shù)據(jù),得出了普通混凝土斷裂能與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式,該關(guān)系式可作為凍融損傷混凝土分析的依據(jù).

[1]楊英姿,巴恒靜.負(fù)溫防凍劑混凝土的界面顯微結(jié)構(gòu)與性能[J].硅酸鹽學(xué)報,2007,35(8):1125-1130.(YANG Ying-zi,BA Heng-jing.Interface microstructure and mechanical properties of concrete with antifreezing admixture at subzero temperature[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2007,35(8):1125-1130.(in Chinese))

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Fracture release energy for ordinary concrete with freeze-thaw cycles

YU Xiao-ming1,2,REN Qing-wen1
(1.College of Civil Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;
2.Planning Department of Xuzhou Water Resources Bureau,Xuzhou221002,China)

In order to study the influence of freeze-thaw cycles on the fracture properties of ordinary concrete,rapid freeze-thaw cycle tests were carried out on concrete according to the relevant specifications.The fracture release energy of four groups of C20 concrete specimens with 0,10,20,and 30 freeze-thaw cycleswas tested.The test results show that the fracture release energy of the concrete gradually decreases with the freeze-thaw cycles.The variation pattern of the loss of the fracture release energy is basically the same as that of the relatively dynamic Yang's modulus.The fracture release energy can also be an important index for the evaluation of teh freeze-thaw damage of the concrete.

freeze-thaw failure;fracture release energy;concrete

TU528.1

A

1000-1980(2010)01-0080-03

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.017

2009-08-31

國家自然科學(xué)基金(50539030);2008年江蘇省水利科技重點項目(蘇財農(nóng)[2008]190號))

于孝民(1963—),男,江蘇新沂人,高級工程師,博士研究生,主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計與混凝土耐久性研究.E-mail:xzslyxm@163.com