低温条件下水工混凝土抗压强度影响分析

李志勇

(新民市水利事务服务中心,辽宁 新民 110300)

高寒地区的温度极低,可能达到-50℃,这对水库大坝的混凝土建设提出了一些挑战,混凝土在低温和冻融循环条件下的强度和性能可能发生变化。水工混凝土通常具有更高的抗冻和抗渗性能,可以更好地抵御冻融循环和渗水压力,这使得它在高寒地区水库大坝工程中成为首选材料[1]。因此,研究水工混凝土在低温环境下抗压强度及其离散性特征就显得极为重要。以往的研究主要集中在混凝土强度等级、冻融循环次数和低温温度等因素,对于强度的影响[2-5]。此外,一些学者也研究了自然低温环境对混凝土性能的影响[6-8]。然而,低温变化对水工混凝土性能和强度的影响较为复杂变化。鉴于此,文章结合北方高寒地区水工结构的特点,研究了水工混凝土经历不同低温工况后,其强度变化特征,以期为评估水工结构在低温环境下的安全性能,并为结构设计提供技术支持。

1 试验设计

1.1 试验配合比

试验采用中国葛洲坝P·O 42.5级普硅水泥,沈阳热电厂F类Ⅱ级粉煤灰和山东博肯硅材料厂S95级矿渣粉,砂用浑河中砂,骨料为级配连续5～20mm碎石,减水剂为安徽森普SPJS-1聚羧酸高性能减水剂,拌和水用当地自来水,试验配合比见表1。

表1 试验配合比 kg/m3

根据北方高寒地区实际情况和相关资料,试验配制边长100mm的立方体试件,采用-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃五种作用低温进行经历低温再以1℃/min回升至常温(工况C)、直接回升至常温(工况B)和低温(工况A)3种工况见表2,试验探讨强度变化规律。

表2 工况设计

1.2 试验方法

在工况A条件下,将标养28d的试件移入低温试验炉内降温至预定值保持6h,然后以0.6MPa/s的加载速率施压至破坏,利用低温量测系统完成试验数据的贮存、显示和采集;在工况B条件下,将标养28d的试件移入低温试验炉内降温至预定值保持6h,然后采用塑料膜包裹密封试件,常温条件下保持6h,再以0.6MPa/s的加载速率施压至破坏;在工况C条件下,将标养28d的试件移入低温试验炉内降温至预定值保持6h,然后控制温升速率1℃/min回升至常温,采用塑料膜包裹密封试件,常温条件下保持48h,再以0.6MPa/s的加载速率施压至破坏。

不同工况下抗压强度变化率λA、λB、λC等于基准组和试验组抗压强度之差与基准组强度的比值,并计算不同工况下混凝土强度平均值、标准差,强度变异系数就是各工况下的标准差/平均值;不同工况下抗压强度变异系数变化率δA、δB、δC等于基准组和试验组抗压强度变异系数之差与基准组系数的比值,在此基础上分析抗压强度及其离散性受不同工况的影响特征,并分析3种工况下的水工混凝土表观质量。

2 结果与分析

2.1 对表观质量的影响

研究发现,3种工况下水工混凝土棱角并未因回温或降温而产生损伤缺失的情况,也未发现明显的蜕皮、龟裂等现象。混凝土表面颜色在同一工况下随低温的下降未表现出明显差异,但在不同工况下表现出了明显差异。具体来说,经历-50℃低温下的B、C工况混凝土表面颜色较深。在受压破坏方面,结果显示各组混凝土均出现骨料劈裂、裂缝开展等情况。但是在不同工况下,破坏响声的大小和声音特征也存在较大差异,例如工况A下试件具有相对较大、清脆、长且响亮的响声。此外,低温工况下粗骨料大多发生劈裂,但较少出现与砂浆界面破坏的情况,对于工况A试件,低温越低这种情况越明显。

在各个工况下,水工混凝土均呈对顶锥状的破坏,但因经历低温工况而试件出现上、下受压面残留部分明显不同。在工况A条件下,受压面残留部分随低温的下降逐渐减小,甚至完全破碎,相比之下在工况B、C条件下的受力面残留部分相差较小。

2.2 对抗压强度的影响

随低温温度变化3种工况下的试件强度变化率如图1,结果表明除-20℃时强度变化率λA随低温温度下降有所减小外,其它低温条件下均呈上升趋势,不同温度的增幅存在一定差异。从-20℃下降到-50℃时强度变化率λA增幅最大,-40℃时基本维持平稳状态,-50℃时强度变化率λA达到最高达到1.02;随低温温度的下降强度变化率λB、λC的变化趋势相似均呈波动下降趋势,但强度变化率λB的波动变化明显低于λC。强度变化率λB总体围绕0.4上下波动,而强度变化率λC变化范围为0～0.25,说明试件强度受低温影响有所差异。

图1 低温与强度变化率的之间关系

为了更加直观地对比抗压强度变化率与不同工况之间的关系,计算工况B与A之间、工况C与A之间的强度变化差值比γB/A、γC/A等于工况B、C与A之间的强度变化率差值再除以工况A的变化率,如图2所示。

图2 低温温度与抗压强度变化率差值

从图2可以看出,强度变化差值比γB/A、γC/A随低温温度的下降整体表现出相似的变化趋势,各温度下强度变化差值比γB/A均高于γC/A。因此,必须考虑不同回温方式对经历低温再回升至常温试件强度的影响,但不同回温方式对低温下降变化的影响较小,可以忽略。针对不同低温工况下的试件,随着低温的下降,其强度变化差值比γB/A、γC/A呈波动下降趋势,具体而言,在低于-40℃之前,γB/A、γC/A明显下降;在低于-40℃之后,γB/A、γC/A变得平缓,结果表明低温对于强度影响最为显著的范围是在-20℃到-40℃之间。在-30℃以后强度变化差值比γB/A变成负值,而整个低温区间内强度变化差值比γC/A均为负,表明随低温温度的下降工况A与工况B、C试件之间的强度差异逐渐增大。因此,实际工程中必须考虑这种变化的差异性,重点分析混凝土强度在未经历低温和各种低温作用下的变化特征[9]。

低温温度与工况C、B试件强度变化率差值之间的关系如图3所示,结果显示随低温温度的下降工况C、B试件强度变化率差值呈波动减小趋势,其均值整体低于-0.2,-20℃～-50℃的最大降幅也低于0.2,说明工况B相比于工况C试件强度高,但并未表现出明显差异。

图3 低温温度与工况C、B抗压强度变化率差值

综上分析,低温与经历低温再升至常温的混凝土强度之间的关系较小,这是因为水工混凝土在低温环境下的水化反应速率变慢,导致强度的生成和发展的过程相对较慢,而当试件经历低温再温升至常温时其强度可以得到恢复和提高。因此,在设计和评估结构的强度方面,可以将试件经历低温再温升至常温的强度视为常温下的强度,这简化了对混凝土性能的考虑和计算。

2.3 强度离散性分析

低温温度与不同工况混凝土强度变异系数变化率之间的关系如图4所示,结果表明,在特定的低温范围内,强度变异系数变化率δA可能随着温度的下降而增加达到一个峰值,然后随着温度的继续下降而减小,这可能与混凝土在不同温度下发生的物理和化学反应过程有关。在不同的低温温度下,δA可能会有较大的变动范围,这表明混凝土在不同的低温条件下的强度变化会更加不确定和不稳定。-10℃时强度变异系数变化率δA未负值,说明此时相比于常温时试件强度离散性有所减小;-20℃时强度变异系数变化率δA从负转变成正,说明此时相比于常温时试件强度离散性明显提高。究其原因可能是降低低温温度有利于改善粗骨料与砂浆之间的黏结性,发生破坏时试件的脆性增幅变缓,从而降低了强度离散性,但整体依然高于常温条件的离散性[10-12]。因此,水工混凝土强度离散性受工况A的影响显著。

图4 低温温度与不同工况混凝土强度变异系数变化率

强度变异系数变化率δB随低温温度的下降也表现出先上升后降低的变化特征,强度变异系数变化率δC随低温温度的下降基本呈波动下降趋势,变化幅度较小,低温范围内δB和δC均为负,说明工况B、工况C相比于常温条件下的试件强度离散性有所下降,这是因为回温在一定程度上改善了粗骨料与砂浆界面之间的应力集中情况。综上分析,工况A相比于常温时的试件强度离散性要高,并且与低温存在一定联系,工况B、工况C相比于常温时的试件强度离散性较小。

3 结 论

1)水工混凝土在低温环境下具有较好的耐久性和抗冻性能,尽管混凝土表观颜色会受到低温作用的影响,但是该现象并不会对混凝土产生明显的损伤。此外,不同低温工况下的混凝土破坏特征也存在差异,这对于混凝土结构的设计和施工具有指导意义。

2)低温环境会对水工混凝土的强度产生影响,虽然经历低温相较于未经历低温的混凝土强度有所增加,但增幅不大。在水工混凝土经历低温再回温时,其强度会发生较大程度的损失。因此,在实际工程中需要考虑不同低温对混凝土性能的影响,并具体分析和考虑各种因素,以确保水工混凝土结构在低温条件下的安全和可靠性。