低溫條件下水工混凝土抗壓強度影響分析

李志勇

(新民市水利事務服務中心,遼寧 新民 110300)

高寒地區的溫度極低,可能達到-50℃,這對水庫大壩的混凝土建設提出了一些挑戰,混凝土在低溫和凍融循環條件下的強度和性能可能發生變化。水工混凝土通常具有更高的抗凍和抗滲性能,可以更好地抵御凍融循環和滲水壓力,這使得它在高寒地區水庫大壩工程中成為首選材料[1]。因此,研究水工混凝土在低溫環境下抗壓強度及其離散性特征就顯得極為重要。以往的研究主要集中在混凝土強度等級、凍融循環次數和低溫溫度等因素,對于強度的影響[2-5]。此外,一些學者也研究了自然低溫環境對混凝土性能的影響[6-8]。然而,低溫變化對水工混凝土性能和強度的影響較為復雜變化。鑒于此,文章結合北方高寒地區水工結構的特點,研究了水工混凝土經歷不同低溫工況后,其強度變化特征,以期為評估水工結構在低溫環境下的安全性能,并為結構設計提供技術支持。

1 試驗設計

1.1 試驗配合比

試驗采用中國葛洲壩P·O 42.5級普硅水泥,沈陽熱電廠F類Ⅱ級粉煤灰和山東博肯硅材料廠S95級礦渣粉,砂用渾河中砂,骨料為級配連續5～20mm碎石,減水劑為安徽森普SPJS-1聚羧酸高性能減水劑,拌和水用當地自來水,試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比 kg/m3

根據北方高寒地區實際情況和相關資料,試驗配制邊長100mm的立方體試件,采用-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃五種作用低溫進行經歷低溫再以1℃/min回升至常溫(工況C)、直接回升至常溫(工況B)和低溫(工況A)3種工況見表2,試驗探討強度變化規律。

表2 工況設計

1.2 試驗方法

在工況A條件下,將標養28d的試件移入低溫試驗爐內降溫至預定值保持6h,然后以0.6MPa/s的加載速率施壓至破壞,利用低溫量測系統完成試驗數據的貯存、顯示和采集;在工況B條件下,將標養28d的試件移入低溫試驗爐內降溫至預定值保持6h,然后采用塑料膜包裹密封試件,常溫條件下保持6h,再以0.6MPa/s的加載速率施壓至破壞;在工況C條件下,將標養28d的試件移入低溫試驗爐內降溫至預定值保持6h,然后控制溫升速率1℃/min回升至常溫,采用塑料膜包裹密封試件,常溫條件下保持48h,再以0.6MPa/s的加載速率施壓至破壞。

不同工況下抗壓強度變化率λA、λB、λC等于基準組和試驗組抗壓強度之差與基準組強度的比值,并計算不同工況下混凝土強度平均值、標準差,強度變異系數就是各工況下的標準差/平均值;不同工況下抗壓強度變異系數變化率δA、δB、δC等于基準組和試驗組抗壓強度變異系數之差與基準組系數的比值,在此基礎上分析抗壓強度及其離散性受不同工況的影響特征,并分析3種工況下的水工混凝土表觀質量。

2 結果與分析

2.1 對表觀質量的影響

研究發現,3種工況下水工混凝土棱角并未因回溫或降溫而產生損傷缺失的情況,也未發現明顯的蛻皮、龜裂等現象?；炷帘砻骖伾谕还r下隨低溫的下降未表現出明顯差異,但在不同工況下表現出了明顯差異。具體來說,經歷-50℃低溫下的B、C工況混凝土表面顏色較深。在受壓破壞方面,結果顯示各組混凝土均出現骨料劈裂、裂縫開展等情況。但是在不同工況下,破壞響聲的大小和聲音特征也存在較大差異,例如工況A下試件具有相對較大、清脆、長且響亮的響聲。此外,低溫工況下粗骨料大多發生劈裂,但較少出現與砂漿界面破壞的情況,對于工況A試件,低溫越低這種情況越明顯。

在各個工況下,水工混凝土均呈對頂錐狀的破壞,但因經歷低溫工況而試件出現上、下受壓面殘留部分明顯不同。在工況A條件下,受壓面殘留部分隨低溫的下降逐漸減小,甚至完全破碎,相比之下在工況B、C條件下的受力面殘留部分相差較小。

2.2 對抗壓強度的影響

隨低溫溫度變化3種工況下的試件強度變化率如圖1,結果表明除-20℃時強度變化率λA隨低溫溫度下降有所減小外,其它低溫條件下均呈上升趨勢,不同溫度的增幅存在一定差異。從-20℃下降到-50℃時強度變化率λA增幅最大,-40℃時基本維持平穩狀態,-50℃時強度變化率λA達到最高達到1.02;隨低溫溫度的下降強度變化率λB、λC的變化趨勢相似均呈波動下降趨勢,但強度變化率λB的波動變化明顯低于λC。強度變化率λB總體圍繞0.4上下波動,而強度變化率λC變化范圍為0～0.25,說明試件強度受低溫影響有所差異。

圖1 低溫與強度變化率的之間關系

為了更加直觀地對比抗壓強度變化率與不同工況之間的關系,計算工況B與A之間、工況C與A之間的強度變化差值比γB/A、γC/A等于工況B、C與A之間的強度變化率差值再除以工況A的變化率,如圖2所示。

圖2 低溫溫度與抗壓強度變化率差值

從圖2可以看出,強度變化差值比γB/A、γC/A隨低溫溫度的下降整體表現出相似的變化趨勢,各溫度下強度變化差值比γB/A均高于γC/A。因此,必須考慮不同回溫方式對經歷低溫再回升至常溫試件強度的影響,但不同回溫方式對低溫下降變化的影響較小,可以忽略。針對不同低溫工況下的試件,隨著低溫的下降,其強度變化差值比γB/A、γC/A呈波動下降趨勢,具體而言,在低于-40℃之前,γB/A、γC/A明顯下降;在低于-40℃之后,γB/A、γC/A變得平緩,結果表明低溫對于強度影響最為顯著的范圍是在-20℃到-40℃之間。在-30℃以后強度變化差值比γB/A變成負值,而整個低溫區間內強度變化差值比γC/A均為負,表明隨低溫溫度的下降工況A與工況B、C試件之間的強度差異逐漸增大。因此,實際工程中必須考慮這種變化的差異性,重點分析混凝土強度在未經歷低溫和各種低溫作用下的變化特征[9]。

低溫溫度與工況C、B試件強度變化率差值之間的關系如圖3所示,結果顯示隨低溫溫度的下降工況C、B試件強度變化率差值呈波動減小趨勢,其均值整體低于-0.2,-20℃～-50℃的最大降幅也低于0.2,說明工況B相比于工況C試件強度高,但并未表現出明顯差異。

圖3 低溫溫度與工況C、B抗壓強度變化率差值

綜上分析,低溫與經歷低溫再升至常溫的混凝土強度之間的關系較小,這是因為水工混凝土在低溫環境下的水化反應速率變慢,導致強度的生成和發展的過程相對較慢,而當試件經歷低溫再溫升至常溫時其強度可以得到恢復和提高。因此,在設計和評估結構的強度方面,可以將試件經歷低溫再溫升至常溫的強度視為常溫下的強度,這簡化了對混凝土性能的考慮和計算。

2.3 強度離散性分析

低溫溫度與不同工況混凝土強度變異系數變化率之間的關系如圖4所示,結果表明,在特定的低溫范圍內,強度變異系數變化率δA可能隨著溫度的下降而增加達到一個峰值,然后隨著溫度的繼續下降而減小,這可能與混凝土在不同溫度下發生的物理和化學反應過程有關。在不同的低溫溫度下,δA可能會有較大的變動范圍,這表明混凝土在不同的低溫條件下的強度變化會更加不確定和不穩定。-10℃時強度變異系數變化率δA未負值,說明此時相比于常溫時試件強度離散性有所減小;-20℃時強度變異系數變化率δA從負轉變成正,說明此時相比于常溫時試件強度離散性明顯提高。究其原因可能是降低低溫溫度有利于改善粗骨料與砂漿之間的黏結性,發生破壞時試件的脆性增幅變緩,從而降低了強度離散性,但整體依然高于常溫條件的離散性[10-12]。因此,水工混凝土強度離散性受工況A的影響顯著。

圖4 低溫溫度與不同工況混凝土強度變異系數變化率

強度變異系數變化率δB隨低溫溫度的下降也表現出先上升后降低的變化特征,強度變異系數變化率δC隨低溫溫度的下降基本呈波動下降趨勢,變化幅度較小,低溫范圍內δB和δC均為負,說明工況B、工況C相比于常溫條件下的試件強度離散性有所下降,這是因為回溫在一定程度上改善了粗骨料與砂漿界面之間的應力集中情況。綜上分析,工況A相比于常溫時的試件強度離散性要高,并且與低溫存在一定聯系,工況B、工況C相比于常溫時的試件強度離散性較小。

3 結 論

1)水工混凝土在低溫環境下具有較好的耐久性和抗凍性能,盡管混凝土表觀顏色會受到低溫作用的影響,但是該現象并不會對混凝土產生明顯的損傷。此外,不同低溫工況下的混凝土破壞特征也存在差異,這對于混凝土結構的設計和施工具有指導意義。

2)低溫環境會對水工混凝土的強度產生影響,雖然經歷低溫相較于未經歷低溫的混凝土強度有所增加,但增幅不大。在水工混凝土經歷低溫再回溫時,其強度會發生較大程度的損失。因此,在實際工程中需要考慮不同低溫對混凝土性能的影響,并具體分析和考慮各種因素,以確保水工混凝土結構在低溫條件下的安全和可靠性。