韩伟涛
(沈阳鑫通建设工程有限公司,沈阳 110000)
我国北方近水或沿海地区混凝土结构耐久性受冻融循环的影响显著,在长期服役过程中寒冷地区水工混凝土遭受反复的冻融循环损伤,每年都要投入巨额的费用加固维修[1]。因此,针对冻融循环对混凝土性能的影响有关学者开展了广泛研究,如黄奕霖等研究认为一定的含气量能够增强混凝土抗冻性;濮琦探讨了冻融循环作用下混凝土断裂性能受不同含气量和水胶比的影响规律,结果显示随冻融循环次数的增加混凝土的断裂性能不断下降,但合理的含气量和低水胶比可以增强抗开裂能力;赵燕茹等试验分析了冻融循环条件下掺玄武岩纤维混凝土的力学性能,研究发现随纤维掺量增加其力学性能表现出先上升后下降的趋势;王靖荣等利用冻融循环试验揭示不同预制缝长混凝土性能,结果表明冻融循环次数相同时初始裂缝长度与断裂韧度无关;胡少伟等研究了混凝土双K断裂韧度受水冻和盐冻环境的影响,发现盐冻融环境对断裂性能的影响更显著,可以大大降低混凝土抵抗裂缝形成与扩展能力;谷志强等等研究了多种不利因素耦合条件下劣化规律,发现混凝土断裂性能受冻融的影响最显著[2-7]。
有学者开展了预应力结构及材料的冻融试验分析,但是在计算承载力时,利用同环境下的力学指标无法准确反映出受冻融循环的损伤情况[8-10]。在寒冷地区,混凝土结构常常面临着冻融循环的考验,特别是对于预应力结构来说,冻融可能会对预应力锚固系统、混凝土本身以及与预应力钢筋之间的界面产生不利影响。因此,本研究利用加载试验和冻融循环试验建立水工混凝土抗压强度与预应力大小、冻融循环次数之间的关系曲线,通过数值模拟构造强度指数衰减模型,旨在为荷载与冻融耦合作用下水工混凝土研究提供参考。
1.1 参数设计
设计强度等级C50,m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石)=0.4∶1.0∶1.08∶1.92,水泥用P·O42.5级普通硅酸盐水泥。箍筋、预应力钢筋和普通受力钢筋用HPB300级光圆钢筋(直径6.5mm)、1860级钢绞线(公称直径12.7mm)和HRB400级钢筋,控制张拉应力σcon依次为0.3fptk、0.6fptk、0.9fptk,其中fptk为钢绞线抗拉强度1860MPa。通过在混凝土试件的上部增加钢板,使试件的全截面都处于受压状态,从而减少混凝土在顶部的受拉应力,并防止开裂的发生,提高试件的抗拉承载能力和延性。
1.2 快速冻融试验
通过“快冻法”评估混凝土在冻融循环条件下的抗冻性能,每个冻融周期为4h,具体流程为:在90min内将温度从5℃降到-20℃,使混凝土达到低温状态,并使温度均匀分布;在-20℃下保持80min,以冻结混凝土并使其达到稳定的低温状态;然后在40min内将从-20℃升至5℃,以使混凝土恢复到常温状态;最后,在5℃下保持30min,通过模拟冻融经历的升温阶段,并观察混凝土的性能变化。试验方案设计如表1所示。
表1 试验方案设计
1.3 加载试验
采用两点加载的方式对预应力水工混凝土试件加载,并测定0次、25次、50次、75次冻融循环时的抗压强度,加载方式如图1所示。
图1 预应力试件加载方式
2.1 测试数据
通过加载试验确定冻融循环作用下水工混凝土试件的极限承载力,并进一步计算极限抗压应力,如表2所示。
表2 不利因素耦合下的抗压强度
2.2 冻融循环与预应力下的强度
冻融循环会导致内部孔隙水的固态和液态变化,该过程能够对混凝土内部结构造成不利影响。在冻结阶段,内部的孔隙水结冰发生体积膨胀,产生膨胀力,这会导致孔隙周围的混凝土产生应力集中,进而促使内部出现微裂纹,并扩大孔隙,随着冻融的持续微裂纹会逐渐贯通和积累破坏混凝土的连续性,进一步削弱混凝土的抗压强度。在温升过程中,孔隙内的冰融化,为水提供通道,进一步使得孔隙扩大,强度变化特征如图2所示。
(a)无冻融循环
由2(a)可知,水工混凝土抗压强度随预应力的增加呈现出逐渐增大趋势,当σcon/fptk=0.3、σcon/fptk=0.6、σcon/fptk=0.9时,混凝土抗压强度依次增加6.01%、15.81%、20.62%。
感谢提供的详细数据和分析。根据您的描述,冻融循环会对水工混凝土的抗压强度产生影响,并且这种影响受预应力的存在和冻融循环次数的变化而变化。根据图2(b)的可知,随着预应力的增加,抗压强度不断提升。当预应力较小时其增幅较大,而随着预应力的增大其增幅逐渐减小,形成先陡后缓的变化特征。在σcon/fptk=0.9时,各冻融次数下的强度相近,在此预应力水平下,强度受冻融次数的影响最低,这是由于预应力有利于使胶凝体填充孔隙,从宏观上增强抗压强度。当达到σcon/fptk=0.9时,胶凝体能够充满大多数孔隙,使强度趋于稳定。因此,预应力可以积极促进抗压强度的提升。
根据图2(c)可知,有和无预应力混凝土,在冻融次数增加时的强度都会下降,然而预应力混凝土的降幅比无预应力明显小,并且预应力越高其降幅越小。这是由于预应力可以在一定程度上抵消冻融产生的孔隙膨胀力,降低冻融对强度的损伤作用。当σcon/fptk=0.9时,预应力可以抵消大部分膨胀力甚至消失,其强度变化基本不受冻融次数影响。因此,预应力在冻融作用下具有抑制强度衰减的作用,并且预应力越大其抑制效应越明显[11-13]。
2.3 强度损失模型
结合试验数据可知,冻融次数和预应力水平都对抗压强度产生影响,并且这些影响都呈指数函数的变化特征,具体可以表示成:
fN=β1eλ1N
(1)
fS=β2eλ2S
(2)
式中:FS、FN为仅在预应力与冻融下的强度,S=σcon/fptk;N为冻融次数;λ1、λ2、β1、β2为待定系数。
结合试验数据,采用最小二乘法回归分析0次、25次、50次、75次冻融循环下的抗压强度,最小二乘回归分析σcon/fptk=0.3、σcon/fptk=0.6、σcon/fptk=0.9时的抗压强度,从而获取待定系数λ1=-0.005、λ2=0.204、β1=60.241、β2=50.086,相关系数R2=0.982。可见,模型具有较好的拟合效果。根据表2中数据,在预应力和冻融循环耦合作用下的混凝土抗压强度变化值,并非两者单独作用下变化值的简单叠加;另外,预应力和冻融耦合作用与预应力、冻融单独作用下的抗压强度总体呈二次函数关系。所以,可以用预应力和冻融单独作用下的抗压强度表示预应力与冻融耦合作用下的强度。本研究以预应力与冻融循环耦合作用下的抗压强度f为因变量,fS与fN为自变量,通过回归分析构建二元二次函数,具体表达为:
f=k1fN+k2fs+k3fNfS+k4
(3)
式中:k1、k2、k3为考虑冻融循环、预应力条件下以及冻融循环与预应力耦合作用下的抗压强度影响系数;k4为常数项。
采用最小二乘法回归分析不同条件下抗压强度试验数据(表2),可以确定k1、k2、k3、k4依次为0.504、-0.371、0.016、13.551,相关系数R2=0.982。由此可见,k1>0、k2<0说明冻融循环和预应力具有促进或抑制抗压强度损失的作用。将公式(1)～(3)进行转化处理,则有:
f=k1β1eλ1N+k2β2eλ2S+k3β1β2eλ1N+λ1S+k4
(4)
根据k1=0.504、k2=-0.371、k3=0.016,λ1=-0.005、λ2=0.204、β1=60.241、β2=50.086,所以∂f/∂N<0、∂f<∂S>0。单一因素作用下,抗压强度随着冻融次数的增加呈下降趋势,这是由于冻融会使内部产生应力集中和微裂缝扩展,导致强度下降;强度随着预应力的增加呈增大趋势,这是由于预应力可以通过填充混凝土中的孔隙和抵消外部加载产生的应力,增强抗压能力;当两种因素耦合作用时,保持相同预应力时会随冻融次数的增加而减小,保持相同冻融次数时会随着预应力的增加而增大,这是由于预应力对混凝土内部的孔隙填充和应力平衡起到积极作用,减少了冻融循环对混凝土的损伤。
为进一步检验计算模型的适用性与可靠性,利用公式(4)计算不同试验条件下的抗压强度,通过与试验数据对比分析判定模型准确程度,结果见表3。
表3 试验数据与模拟计算数据
可见,该预测模型具有较高的精度,平均误差为5.50%,对预测分析预应力与冻融循环作用下水工混凝土抗压强度具有较强可行性。
1)冻融循环条件下,对于提高水工混凝土抗压强度预应力具有积极促进作用,且预应力越大其强度越高,当con/fptk=0.9时,不同冻融次数下的抗压强度相差不大,此时抗压强度受冻融循环的影响最低。
2)增大冻融次数会降低强度,无无应力高于有预应力的强度损失,提高预应力会减小强度降幅。
3)冻融循环作用下,预应力具有抑制强度衰减效果,且预应力越大其抑制效应越明显。文章建立的强度衰减模型该具有较高的精度,平均误差为5.50%,对预测分析预应力与冻融循环作用下水工混凝土抗压强度具有较强可行性。
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