不同种类混凝土冻融循环后双轴压压统一强度准则

第３０卷第１期２　０　１　

２年１月水　电　能　源　科　学

Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．１

Ｊａｎ．２　０　１　

２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０１－０１５９－

０４不同种类混凝土冻融循环后双轴压压统一强度准则

王立成１，

２，３

（１．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４；２．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；３．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００２４）摘要：针对混凝土遭受冻融循环作用后强度降低导致寒冷地区混凝土结构耐久性和安全性不足的问题，基于已有的大量试验数据，以混凝土冻融损伤后的单轴抗压强度衰减规律为参数，对不同种类混凝土建立了考虑冻融循环次数影响的双轴压压统一强度准则，并与前人试验研究结果做了对比分析。结果表明，本文建立的统一强度准则能较好地预测混凝土冻融循环后的双轴抗压强度，为寒冷地区混凝土结构的安全性分析提供了参考。

关键词：混凝土；双轴压压；统一强度准则；冻融循环中图分类号：ＴＵ５２８

文献标志码：Ａ

收稿日期：２０１１－０８－０８，修回日期：２０１１－０９－

０８基金项目：南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金资助项目（２０１１４９０８０１）；清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助项目（ｓｋｌｈｓｅ－２０１１－Ｃ－

０３）作者简介：王立成（１９７５－），男，副教授、博导，研究方向为混凝土多轴静、动态强度准则和钢筋混凝土结构耐久性，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｉｃｈｅｎｇ

２０００＠１６３．ｃｏｍ 目前，

关于混凝土材料腐蚀、冻融破坏方面的研究已取得很大的进展，

但考虑其影响的强度设计理论却发展缓慢。虽然很多结构设计考虑了混凝土抗冻性能，但实际上仍发现有冻融损坏现象，其主要原因为：①设计中混凝土的抗冻等级和设计强度分别取值，未充分考虑遭受冻融损伤后混凝土强度的降低和受力性能的衰减；②未考虑损伤混凝土在复杂应力状态下的强度和变形性能对结构承载力和安全性的影响。为此，本文在统计分析已有大量试验数据的基础上，针对不同材料特性的混凝土（包括普通混凝土、引气混凝土、湿筛大骨料混凝土及轻骨料混凝土等），建立了考虑冻融循环次数影响的混凝土双轴压压统一强度准则，

为寒冷地区混凝土结构物的安全性分析提供了参考依据。

１　混凝土冻融破坏研究简介

混凝土的抗冻耐久性，即混凝土在极度潮湿环境中多次冻融循环后保持其使用性能的能力，是

反映混凝土质量的一项综合性指标。Ｍｅｈｔａ　Ｐ　

Ｋ［１］

指出，引起混凝土劣化的主要原因按重要性由高到低排序分别为钢筋锈蚀、冻融循环、碱骨料反应和硫酸盐侵蚀。除氯盐腐蚀外，冻害是影响混凝

土结构耐久性的重要因素。

在我国东北、华北和西北地区，大坝混凝土及钢筋混凝土建筑物的冻融破坏很严重。混凝土冻融破坏通常在运行若干年后才被发现，如丰满大

坝冻融破坏混凝土累计总面积达５×１０４　ｍ３

，

最大冻融深度达２ｍ，甚至还出现了坝顶升高及溢流

面２　

０００多ｍ３

混凝土被冲毁的严重事故；云峰大坝运行２０年后，溢流面混凝土冻融破坏就已达５０％以上。近年来，

亦发现长江以北地区及西南高山寒冷地区的水工混凝土建筑物，

有冻融破坏现象［

２，３］

。室内试验和实际工程表明［４］

，饱和的混凝土

易发生冻融破坏，冻融循环次数影响混凝土结构物的浅表层，最冷月份的气温可影响到深层，比冻融循环次数的影响更严重。如丰满大坝上游面为阳面，冬季白天为正温，夜间为负温，水上部分年冻融循环次数大于１００次，上游面冻融深度仅０．３～０．５ｍ；

下游面为阴面，冬季常为负温，年冻融循环次数小于１００次，下游面冻深达３．０ｍ；其主要原因在于上游面因受阳光辐射混凝土较干燥，

下游面虽与库水不接触，却因结霜和积雪，混凝土呈饱和状态；丰满电站尾水闸墩、尾水平台和下游护坡、江桥同样受尾水位变动引起冻融破坏，

因而尾水部位破坏远比护坡和桥墩严重［

４］

。

Ｐｏｗｅｒｓ的静水压理论认为在混凝土冻结时，混凝土孔隙中的部分孔溶液结冰膨胀，造成未结冰的孔溶液向孔外传输。混凝土内部孔隙溶液的迁移，需克服水泥砂浆产生的粘滞阻力，从而带来静水压，形成拉应力，致使混凝土内部开裂损伤。静水压假说能较好地解释混凝土内掺引气剂后的效果及结冰速度对混凝土抗冻性的影响等，但无法解释那些冻结过程中体积并不膨胀的有机液体（如苯、三氯甲烷等）对混凝土的冻结造成破坏的现象。基于此，Ｐｏｗｅｒｓ、Ｈｅｌｍｕｔｈ等提出了渗透压假说，认为由于水泥浆体孔溶液为弱碱性，冰晶体的形成造成孔隙中液体浓度增大，产生与其他较小孔隙中未结冰溶液间的浓度差，从而使小孔隙中的溶液向大孔中渗透，产生渗透压力。李天瑗［５］证明存在巨大的静水压力，从而指出静水压是混凝土冻害的最主要原因。

在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂，引气剂能在混凝土内部产生大量微小而稳定的封闭孔隙，这些孔隙切断了水泥水化过程中产生的毛细管通道，缓解了混凝土结冰后产生的渗透压力，从而大幅减轻了冻融造成的混凝土破坏。因此我国相关规范中明确指出［６，７］，有抗冻要求的混凝土应掺入引气剂。对三级配大骨料混凝土，由于砂浆包裹作用削弱，在遭受相同冻融循环次数后，混凝土内部损伤造成的后果比湿筛后的试件更为严重。湿筛后混凝土的抗冻性与全级配混凝土抗冻性的关系，尚需试验进行验证。对轻骨料混凝土，由于骨料自身具有较高的吸水性，能在一定程度上缓解冻结过程中产生的孔隙水体积膨胀，起到缓冲渗透压的作用，因此轻骨料混凝土的抗冻性强于普通混凝土。

２　冻融循环后混凝土双轴压压统一强度准则

利用大连理工大学自行研制的大型静、动态电液伺服试验系统做了多种混凝土冻融循环后的多轴强度试验，不同冻融循环次数后混凝土双轴压压极限强度数据统计见表１。由表可看出，随冻融循环次数的增加，混凝土的抗压强度（包括单轴抗压强度和双轴压压强度）均逐渐降低。但对不同种类的混凝土，相同冻融循环次数造成的损伤程度不同，因此其抗压强度的降低程度亦相差很大：①对普通混凝土，经７５次冻融循环后，混凝土的抗压强度降低３６．６％；②对轻骨料混凝土，经７５次冻融循环后，抗压强度仅降低２１．３％；③表１　不同冻融循环次数后混凝土双轴压压极限强度数据统计Ｔａｂ．１　Ｄａｔａ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｂｉａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｆｏｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ　ｃｙｃｌｅｓ

数据来源

试验混凝

土种类

冻融循

环次数

Ｎ

双轴压压极限强度／ＭＰａ

０＊０．２５＊０．５０＊０．７５＊１．００＊文献［８］普通０　３４．２００　４３．０１０　４５．４９０　４２．５００　４０．７００

２５　３０．０１０　４０．２００　４１．５６０　４０．２１０　３８．６５０

５０　２４．１００　３２．２６０　３６．８４０　３５．２９０　３３．１５０

７５　２１．６７０　３１．３３０　３５．２８０　３３．１５０　３１．８５０文献［９］轻骨料０　２１．４００　３１．３２０　３０．０８０　２９．８４０　２９．２８０

２５　２０．１５０　３０．９８０　２８．７００　２８．３００　２７．４２０

５０　１８．４９０　２８．６６０　２５．８８０　２６．９８０　２２．０００

７５　１６．８４０　２４．３８０　２２．５８０　２４．１６０　１９．９７０文献［１０］引气０　２５．６４０　３０．９７０　３１．６９０　３０．０４０　２９．０８０

１００　２３．１７０　２９．６１０　３０．５９０　２８．４１０　２６．７８０

２００　２０．７８０　２７．６３０　２８．０５０　２６．０９０　２４．１８０

３００　１６．６７０　２２．９００　２３．７４０　２１．９８０　１９．９２０

４００　１２．１３０　１８．６４０　１９．１３０　１６．５７０　１６．４８０文献［１１］二级配及０　２２．５７７　２８．９６５　３３．１８４　２５．２２０　２４．２９１其湿筛５０　１９．３０５　２４．９９７　２８．１６０　２４．８７４　２３．６１７

１００　１８．１７９　２５．００９　２９．０２５　２４．６７０　２２．７４１

１５０　１７．９６７　２３．６２１　２６．４６３　２３．１８０　２０．８０９

２００　１７．４６７　２０．４２１　２４．５０４　２２．１７２　１９．０４０

２５０　１６．６７１　２０．１８４　２３．４０１　２１．２３７　１７．８７０文献［４］、湿筛大０　２８．８７７　３０．９９０　３３．３２５　３１．４１０　２８．７６７文献［１２］骨料５０　２７．４１５　２８．２４４　３２．１３９　２９．５６２　２７．３７０

１００　２６．７６０　２７．８３７　２９．９４２　２８．６９２　２６．９５６

１５０　２６．１１２　２７．３０９　２９．７９４　２７．７５４　２７．０２８

２００　２５．１６９　２６．４７４　２７．０２４　２６．７４６　２４．７０８

２５０　２２．５４９　２５．２９３　２５．５８６　２５．２２３　２３．００５

３００　１８．９３５　２３．４７３　２３．３３１　２４．６５８　２０．７２８注：＊为不同应力比取值。

对引气混凝土，经３００次冻融循环后，抗压强度降低３５．０％。由此可见，冻融循环次数对双轴抗压强度的影响亦与混凝土的种类有关。因此，要建立冻融循环次数的混凝土多轴强度准则必须考虑混凝土的不同特性，即不同混凝土将有不同的冻融影响的强度准则，这势必造成问题过于复杂。由此，本文提出了以混凝土冻融循环后的单轴抗压强度衰减规律为参数的双轴压压强度准则，其表达式为：

σ３，ｄ／ｆｃ＝ｆ　ａｉ，

（）

Ｎ（１＋ｂξ）／１＋

（）

ξ２（１）

式中，σ

３，ｄ

为冻融循环后不同侧压应力比下混凝土

的极限抗压强度；ｆ

ｃ

为未冻融的立方体试块的单轴抗压强度；ｆ　ａｉ，

（）

Ｎ为考虑冻融循环次数影响的混凝土单轴抗压强度衰减规律表达式，其形式和参数可由混凝土遭受冻融循环后的单轴抗压强度试验数据分析获得；ξ为双轴压压应力比；ａｉ（ｉ＝１，２，…）、ｂ均为拟合参数。本文将ｆ（ａｉ，Ｎ）简化为三次多项式，即：

ｆ　ａｉ，

（）

Ｎ＝１＋ａ１Ｎ＋ａ２Ｎ２＋ａ３Ｎ３（２）

式中，ａ

１

、ａ

２

、ａ

３

均为参数。

将式（２）与表１中单轴受压的试验数据进行回归分析，得到的参数取值见表２，对比图见图１。

图中，ｆ

ｃ，ｄ

为冻融循环后混凝土自弹轴抗压强度。

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·水　电　能　源　科　学 ２０１２年