多孔贫混凝土耐久性能试验研究.pdf

第 4 1 卷第5期 2 0 1 5年 1 0月 四川建 筑科 学研 究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 43 多孔贫混凝土耐久性能试验研究 施劲松 ， 耿 阳 ， 张卫芳。 ( 1 武汉理工大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ； 2 兰州军区空军机场工兵勤务队， 陕西 西安7 1 0 0 7 7 ； 3 空军后勤部机场营房部， 北京1 0 0 7 2 0 ) 摘要： 通过试验对多孔贫混凝土的耐久性( 包括收缩性能、 抗冻性能和疲劳性能) 进行了研究， 建立了多孔贫混凝 土的疲劳方程， 并与石灰稳定土和水泥稳定碎石进行了对比， 研究结果表明， 多孔贫混凝土具有 良好的收缩性能， 可防止贫混凝土基层表面裂缝的产生； 多孔贫混凝土的抗冻性能优于二灰碎石和水泥稳定碎石 ； 贫混凝土具有比 常用半刚性基层材料更加优 良的抗疲劳性能， 并提出了贫混凝土的荷载应力疲劳系数。 关键词： 收缩性能； 抗冻性能； 抗疲劳性能 ； 贫混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 5 】 0 5 0 4 3 0 4 Ex p e r i m e n t s t u d y o n e n d u r a n c e p e r f o r ma n c e s o f t h e l e a n c o n c r e t e S HI J i n s o n g ， GE NG Ya n g ， Z HANG We i f a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 Ai r F o r c e A i rf i e l d E n g i n e e r i n g a n d L o g i s t i c s De p a r t me n t o f L a n z h o u Mi l i t a r y Ar e a ， X i a n 7 1 0 0 7 7， C h i n a ； 3 A i r p o rt a n d B a a c k s D e p a rt me n t ， A i r F o r c e L o g i s t i c s D e p a rt me n t ， B e i j i n g 1 0 0 7 2 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e e n d u r a n c e p e rf o r ma n c e s s u c h a s s h rin k， a n t i f r e e z e a n d a n t i f a t i g u e o f t h e l e a n c o n c r e t e we r e i n v e s t i g a t e d t h r o u g h e x p e rime n t T h e f a t i g u e e q u a t i o n o f l e a n c o n c r e t e wa s e s t a b l i s h e d a n d t h e a n t i f a t i g u e p e rf o rm a n c e o f l e a n c o n c r e t e w a s c o mp a r e d w i t h o t h e r s T h e e x p e rime n t p r o v e s t h a t t h e l e a n c o n c r e t e S s h ri n k p e r f o rm a n c e i s b e t t e r t h a n o t h e r s ， a s a r e s u l t i t c a n p r e v e n t t h e e me r g e n c e o f t h e c r a c k I t a l s o p r o v e s t h a t t h e l e a n c o n c r e t e h a s e x c e l l e n t a n t i f r e e z e a n d a n t i f a t i g u e p e rf o r ma n c e T h r o u g h f a t i g u e t e s t ， t h e s t r e s s f a t i gu e c o e ffic i e n t o f l e a n c o n c r e t e i s a d v i s e d Ke y wor ds： s h rin k p e r f o rm a n c e； a nt i f r e e z e pe r f o rm a nc e； a n t i f a t i g u e pe rfo r ma n c e； l e a n c o n c r e t e O 引 言 多孔贫混凝土是由水、 普通硅酸盐水泥、 砂 、 碎 石以及外加剂构成 的混合料 ， 凝结硬化后具有较高 的强度和刚度 ， 并具有较好 的耐久性。它与普通水 泥混凝土相近 ， 但其水泥用量要 比普通水泥混凝土 少得多( 一般每立方米混凝土需要水泥 1 7 0 2 0 0 k g 左右) ， 主要用作公 路和道 面的基层 。现有 的研 究 和资料表明， 贫混凝土中多孔贫混凝土在机场及公 路建设领域具有 良好的应用前景。与水泥稳定类和 二灰碎石基层材料对 比， 多孔贫混凝土具有抗压强 度高 、 抗折性能好 、 抗 冲刷能力和抗溶蚀 能力强 、 干 缩性能好 、 抗冻胀能力好等优点 ， 可以在机场道面工 程 、 路面工程等领域发挥重要作用 。近十几年来 ， 世 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 7 - 2 2 作者简 介： 施劲松 ( 1 9 7 1一) ， 男 ， 博 士生 ， 主要从事 工程 施工 与管理 研究 。 Ema i l ： j i a n g b o q i u l 1 0 1 6 3 e o m 界上许多国家将贫混凝土广泛用于道路基层 ， 并 对贫混凝 土 基层 混 凝 土路 面结 构展 开 了大量 研 究 4 。 ， 但针对基层材料要求、 材料耐久性、 设计方 法 、 施工工艺和使用性能评价 的研究还没有 系统进 行 ， 积累这方面的经验很有必要 。基于此 ， 本文通过 试验对多孔 贫混凝 土的耐久性能 ( 包 括收缩性能 、 抗冻性能和疲 劳特性 三个 方面) 展 开研 究 ， 并与水 泥稳定碎石和石灰碎石进行 了对 比。 1 多孔贫混凝土收缩性能研 究 与普通混凝土相同， 贫混凝土收缩变形主要有 浇筑初期( 终凝前 ) 的凝缩变形、 硬化混凝土的干燥 收缩变形、 自生收缩变形 、 温度下降引起的温度收缩 变形以及因碳化引起的碳化收缩变形等。在实际工 程 中， 各种收缩变形可能引起贫混凝土不 同程度的 收缩裂缝。因此 ， 研究贫混凝土收缩特性对于 防止 贫混凝土基层表面产生裂缝具有十分重要的意义 。 1 1 干燥收缩 贫混凝 土的干燥变形试验依现行试验规程进 四川建筑科学研究 第 4 1 卷 行 ， 测定在 2 0 o C 2 o C、 相对湿度 为 6 0 5 条件 下 的贫混凝土试件的长度变形 。贫混凝土的干燥变 形实际是在干燥条件下 ， 贫混凝土的实测变形减去 相同温度下密封试件 的 自生收缩变形 。因此 ， 试验 实测变形为两者叠加结果 。由于碳化收缩与干燥收 缩是同时进行的， 因此 ， 最终测定的贫混凝土收缩变 形包括 自生收缩变形、 干燥收缩变形和碳化收缩变 形。表 1给出不 同贫混凝 土的干缩系数 ( 以 1 8 0 d 为准) 。 表 1 干燥收缩 系数 Ta b l e 1 Dr y s h r i n k a g e c o e f fic i e n t 1 2温度收缩 基层随着外界一年四季以及每天的周期性温度 变化而产生收缩 、 膨胀 以及翘 曲等变形 。这些温度 变形在受到面层、 地基、 自 重以及相邻板的约束下会 产生温度应力 ， 而温度收缩系数直接影响温度应力 。 温度收缩系数试验与干缩系数试验相同 ， 结果见表 2。 表 2 温度收缩系数试验结果 Tabl e 2 Te s t r e s ul t o f t e mpe r a t ur e c o nt r a c t i o n ( 1 0 m o C) 低平均气温 (一 2 01 0 C) 高平 均气温( 1 0 4 O ) 2 多孔贫混凝 土抗冻性能研 究 2 1 试验方法 由于道面基层材料内部的水并不是常年处于饱 和状态 ， 依据普通混凝土长期性能和耐久性能试验 方法 ， 采用 “ 慢 冻法” 冻融循 环试 验。试 件为边 长 1 5 0 mm的立方体 ， 每种配 比做 3组 。试件在 2 8 d 龄期时进行冻融试验。试验前 4 d将冻融试件从养 护地点取出进行外观检查 ， 随后放入 1 5 2 0 C水 中 浸泡 ， 4 d后进行冻融试验 ， 对 比试件保 留在标 准养 护室内， 与抗冻试件 同时试压 。在 一1 5一2 0 C的 冰箱 中冻结 4 h后取 出试件 ， 置于 1 52 0 ff 2 的水槽 中进行融化 ， 时间不少 于 4 h ， 融化完毕 即为该 次冻 融循环结束 ， 取出试件放人冰箱进行下一次循环试 验。经过冻融循环后 ， 测定质量损失百分率 ： Q = 二 。式中， m 为冻融循环前烘干试件 的质 量 ， 1 ( g ) ； m： 为冻融循环后烘干试件 的质量 ( g ) 。 耐 f 冻系数 ： K =J 2 。式中 ， 为冻融循环前饱水试件的 j1 抗压强度( MP a ) ； 为冻融循环后饱水试件 的抗压 强度 ( MP a ) 。 2 。 2多孔贫混凝土抗冻性能研究 2 2 1 试 验 方案 在进行贫混凝土抗冻性能研究 的同时 ， 对传统 的半刚性基层材料二灰碎石和水泥稳定碎石进行了 抗冻性试验 ， 以进行对 比分析 。配合 比见表 3， 二灰 碎石和水泥稳定碎石的击实结果见表 4 。 表 3 贫混凝土 配合 比 Ta bl e 3 M i x r at i O of l e an c o nc r e t e 注 ： c用量为水泥占集料用料的百分 比。 表 4 击实试验结果 Ta bl e 4 Te s t r e s u l t o f c ompa c t i on t e s t 2 2 2试验 结 果与 分析 抗冻性试验测定了质量损失率 和耐冻系数 ， 结 果见表 5 。从表 5可以看出 ， 无论是振捣式 贫混凝 土还是碾压贫混凝土， 抗冻性均优于传统的半刚性 基层材料， 贫混凝土的平均质量损失率比二灰碎石 小 7 2 ， 比水泥稳定碎石小 3 1 ； 平均耐冻系数 比 二灰碎石高 7 3 ， 比水泥稳定碎石高 7 6 。由此可 见 ， 贫混凝土与国内 目前常用 的半刚性基层材料相 比， 具有更加 良好 的的抗冻性能。在 同种水泥用量 相等的情况下 ， 碾压贫混凝 土的抗冻性能优于振捣 式贫混凝土 ， 质量损失率平 均小 3 0 ， 耐冻 系数平 均大 2 3 。而且 ， 无论是振捣式贫混凝土还是碾压 贫混凝土 ， 随着水泥用量的增加 ， 抗冻性能均有所提 高 。因此 ， 水灰比是影响混凝土抗冻性的重要参数 。 根据水泥水化的化学反应方程式 ， 水泥完全水化的 理论水灰比为 0 2 3 7 ， 多余水分将成为孔隙形成的 直接原因。显然， 水灰比小的混凝土孑 L 隙率小， 浆体 强度高 ， 水泥浆体的强度对混凝 土抗冻性能影响较 大 ， 混凝土 自身的强度使之具有抵抗各种 内外应力 2 0 1 5 N o 5 施劲松， 等 ： 多孔贫混凝土耐久性能试验研究 4 5 的能力。只有当混凝土所受到的应力超过其极 限强 度时， 混凝土才会发生破坏。同时， 伴随孔隙率降 低， 混凝土内部相变的水分减少， 负温体积膨胀相应 减小。因此 ， 当单位用水量基本不变时， 贫混凝土 的 抗冻性能随着水泥用量的增加而提高。 表 5 贫混凝土抗冻性试验结果 ( 2 8 d ) T a b l e 5 An ti - f r e e z e t e s t r e s u l t o f l e a n c o n c r e t e( 2 8 d ) 3 多孔贫 混凝 土疲劳特性研究 3 1 疲劳方程 目前应用 比较广泛的是含有低高应力 比的双对 数疲劳方程 ， 即 ： l g S= = g 口一b ( 1一R ) l g ( 1 ) 本文拟通过疲劳试验建立形如式 ( 1 ) 的疲 劳方 程。为了推导贫混凝土基层的荷载应力疲劳系数， 还应建立如式 ( 2 ) 形式的疲劳方程。 l g ：l g 。一b l g N( 2 )1 S R 一 6 一 ， 3 1 1 疲劳试验 疲劳试验采用小梁试件 ， 试件尺寸 1 5 x 1 55 5 ( c m) 。试件在标准条件下养生 2 8 d 。制备试件时 采用的配合 比为 ： 水泥： 砂： 石： 水 =1 7 2 ： 6 5 0 ： 1 4 4 6 ： 1 4 0 ( 单位 ： k g m ) 。 静力试验采用三分点加载方式 ， 以保证梁试件 底面能有一段弯矩相等的均匀 的受拉 区， 两支点距 离 1 5 c m。为减小试件强度离散性的影响， 静力试 验共测试了 5根试件 ， 平均弯拉强度为 3 4 3 MP a 。 动力试验也采用三分点加载方式， 两支点距离 1 5 c m。试验采用应 力控制模式 ， 加载波形为正 弦 波 ， 它基本接近路面上行车作用的实际波形 ， 循环特 征值如下 ： R =P i P ( 3 ) 式中 R为循环特征值； P 为作用在试件上的最小 荷载( k N) ； P 一 为作用在试件上的最大荷载 ( k N) 。 试验 中， 低高应力 比 取值为 ： 0 0 8 、 0 2 0 、 0 5 0三 种 ， 共测试 了5 4根小梁试件 ， 试验结果见表 6 。 表6 贫混凝土弯曲疲劳试验数据 Ta b l e 6 Be n d i n g f a t i g u e t e s t d a t a o f l e a n c o n c r e t e 低高应力比 应力水平 疲劳寿命 低高应力比 应力水平 疲劳寿命 低高应力比 应力水平 疲劳寿命 R s N R s N R s N 3 l 1 6 o 2 ( Io o o O 6 6 5 5 0 7 O 3 9 6 0 3 8 5 5 0 1 1 7 1 3 1 7 1 9 4 2 6 0 0 8 7 0 7 1 O 8 O O 6 5 1 1 O 41 4 8 9 9 2 3 6 8 5 0 o 0 0 o 43 6 2 2 0 7 5 6 81 8 1 5 0 ( ) o o o 1 6 0 9 21 4 2 0 0 8 6 5 1 oo 0 2 0 0 O o o 7 4 6 9 9 0 2 0 2 4 O 1 9 7 5 3 4 7 9 4 1 0 8 5 8 3 6 1 9 5 6 0 O 8 0 8 5 1 7 49 4 4 2 1 6 2 0 8 0 91 41 0 7 0 9 09 2 1 8 1 0 2 7 2 2 7 6 2 o o o 0 0 2 2 o 0 0 0 5 o ( ) o 0 o 1 9 3 7 3 0 4 4 7 2 O 8 5 4 8 2 1 5 8 7 8 5 81 2 4 0 6 5 J 7 2 5 8 3 6 0 2 9 9 O 7 5 1 1 0 2 0 0 7 5 4 6 3 41 2 6 5 5 4 2 O 5 0 l 3l 2 5 3 2 8 9 2 9 O 8 0 2 3 6 91 6 0 7 0 7 1 5 2 1 8 O 8 5 2 2 注： 其中带 号的数据表示在试验时， 仪器出现故障， 被迫停止。 对于反复应力的施加频率的确定， 应考虑加载 H z 时得到的混凝土弯拉强度值比标准强度试验时 速率对混凝土弯拉强度的影响。试验表明， 采用2 0 高 4 0 6 0 ， 比采用 1 H z 时高 1 5 。反复应力的 四川建筑科学研究 第 4 l 卷 应力级位较低时， 材料处于线弹性状态 ， 加载频率对 疲劳寿命的影响很小 。而当应力级位较高时 ， 由于 材料蠕变的影响， 加载频率对疲劳寿命的影响较大。 因此 ， 高应力级位时 ， 疲劳试验结果 的离散性较大 ， 应采用较低 的加载频率 ， 尽量接近弯拉强度标准试 验的加载速率。通常疲劳试验时采用的加载频率为 12 0 H z 。另有研究表 明， 加载频率 1 0 Hz 大致相 当于路上汽车的行驶速度 6 07 0 k m h 。本文疲劳 试验采用的加载频率 ， 当 S0 8 5时为 1 Hz ， 加载间隙时间为零。 3 1 2试验结果分析 研究表明， 混凝土各应力级位 的疲劳寿命服从 对数正态概率分布或者双参数 We i b u l 1 分布。本文 利用双参数 We i b u l 1 分 布来 进行数 据分析 ， 即认 为 混凝土的疲劳寿命 和等效疲劳寿命 。 均服从双 参数 We ib u l 1 分布。等效疲劳寿命 _= N 卜 服从双 参数 We i b u l 1 分布， 是指失效概率P满足下式： _ P =F( N)=1一e x p ( 一 ) ， N 1 ， m， t 00 O ( 4 ) 或变形为 ： 1 l n l n ml n N _l m。 ( 5 ) 式中 m和 t 称作形状参数和尺度参数 。 本文利用上述数学模型， 对两次试验的资料统 一 进行分析并建立疲劳方程。 对表 6的试验结果进行 We i b u l 1 分布检验 ， 得到 各应力水平下 的系数 m和 t 。 ， 见表 7 。由分析结果 可以看出 l n N与 l n l n ( 1 1一 P ) 的线性关 系 良好 ， 相 关系数较高 。这说明对于贫混凝土 ， 其等效疲劳寿 命 服从双参数 We i b u l 1 分布 ， 即失效概率满 足式 ( 4 ) ， 可 以用此数学模型来整理所得试验资料 。 表 7 We i b u l l 检验 的回归 系数及相关 系数 Tab l e 7 Re g r e s s i o n c oe ffi c i e nt s of W e i bul l t e xt a nd c o r r e l at i o n c oe f f i c i e nt 3 1 3 建立疲劳方程 1 ) 建立形如式 ( 1 ) 的疲劳方程 将 回归所得的系数 m， l n t 。 ( 表 7 ) 代入式 ( 5 ) ， 计 算得到各应力水平上相应于不 同失效概率 P的等效 疲劳寿命 。进而可 以建立不 同失效概率 下形如 式 ( 1 ) 的双对数疲劳方程 ， 其 回归系数 与相关 系数 见表 8 。其中， 失效概率为 5 0 的疲劳方程为 ： l g S =l g 1 2 8 4 40 0 6 6 4 ( 1一R) l g N ( 6 ) 表 8 疲劳方程 回归 系数 Ta b l e 8 Re g r e s s i o n c o e ffi c i e n ts o f f a ti g u e - e q u a t i o n 2 ) 建立式 ( 2 ) 形式的疲劳方程 为了便于由疲劳方程推导出贫混凝土的荷载应 力疲劳系数 ， 还应建立式 ( 2 ) 形 式的疲劳方程。将 看 作 等效 应 力 水 平 ， 再 次 应 用 双参 数 1一- )n We i b u l 1 分布模 型建立疲 劳方程 。不同失效概 率下 疲劳方程 回归系数及相关系数见表 8 。在数据处理 过程 中， 为在每个 5值点获得较多 的资料并简化处 理过程 ， 将 S的对数值相近的点进行合并 。其 中， 失 效概率为 5 0 的疲劳方程为 ： l g _l g 1 3 5 2 7_0 0 6 7 7 1 g N( 7 ) 3 2对比分析 目前 ， 国内对 常用的半刚性基层材料如水泥稳 定碎石等的疲劳性 能都 进行过不 同程 度研究。下 面 ， 将贫混凝土与常用半刚性基层材料 的疲劳特性 作一对 比。对于常用 的半 刚性基层材料 ， 国内研究 者 由室 内小梁和 中梁弯拉疲劳试验和劈裂疲劳试验 结果整理得到的相应的疲劳方程为 ： ( 下转第 5 0页) 5 0 四川建筑科学研究 第 4 l卷 过于密集 ， 给施工带来不必要的麻烦 。 2 ) 控制裂缝的措施。设置较密集的栓钉， 控制 裂缝宽度 ； 适当降低混凝土标号， 选用延性较大的混 凝土 ， 增加受拉区混凝 土保护层厚度 ； 使用预应力 ， 降低纵筋和型钢受到的拉力， 可以有效控制裂缝； 仅 在腹板两侧设置剪力连接件和浇筑混凝土， 以翼缘 为梁底 ， 可 以有效防止裂缝产生。 参 考 文 献 ： 1 邵永健， 阎 石 型钢混凝土梁受剪承载力的计算及其可靠度 分析 J 沈 阳建筑 大学学 报 ： 自然 科学版 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 4) ： 5 7 9 5 8 3 2 王朝霞 型钢混凝土 梁裂缝 和变形 的研 究 D 西 安： 西安 建 筑科技大学 ， 2 0 0 6 3 张首飞 型钢混 凝土 梁裂缝控 制模 型试 验 D 天 津： 天津 大 学 ， 2 0 1 0 4 徐杰， 等 预应力钢骨混凝土梁裂缝控制试验研究与理论分 析 J 工业建筑， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 5 ) ： 8 8 -9 2 ( 上接第 4 6页) 1 ) 石 灰 粉 煤 灰 稳 定 粒 料 类 ： l g S=0 1 1 0 3 0 0 63 3 l g N ； 2 ) 水泥稳定粒料类 ： l g S= 0 1 3 3 9 0 0 6 9 7 1 g N： 3 ) 稳定土类 ： l g S= 0 1 2 2 6 0 0 7 9 3 1 g N。 将上述三种材料 的疲劳方程与本研究 的贫混凝 土疲劳方程重新 回归整理 ， 如 图 1所示。通过对 比 发现 ， 在上述几种材料中， 贫混凝土的疲劳性能优于 目前国内常用的半刚性基层材料。本研究提出的贫 混凝土疲劳方程是合适 的， 可 以用 于道面分析、 设 计 图 1 贫混凝土与半刚性材料疲劳方程比较 F i g 1 Co mp a r i s o n b e t we e n l e a n c o n c r e t e a n d s e mi - r i g i d ma t e ria l s f a tig u e - e q u a ti o n 4 结 论 本文主要从 收缩性、 抗冻性 以及抗疲劳性能三 个方面对贫混凝土 的耐久性能进行了试验研究 ， 得 到以下结论 ： 1 ) 多孔贫混凝土具有 良好 的收缩性能， 可防止 贫混凝土基层表面裂缝的产生； 2 ) 多孔贫混凝 土的抗冻性能优于二灰碎石 和 水泥稳定碎石 ； 3 ) 贫混凝 土具 有 比常用半 刚性基层材料更加 优 良的抗疲劳 I生能 ， 并提 出了贫混凝土 的荷载应力 疲劳系数 。 参 考 文 献 ： 1 孙家伟 贫混凝土基层混凝土路面研究 D 西安： 长安大学， 2 0 o1 2 郭拥军 重载交通水 泥混凝 土路 面使用性 能研究 D 天津 ： 河北工业大学 ， 2 0 0 3 3 梁军林 我区水泥混凝 土路面技 术研究进 展 J 广西 交通科 技 ， 1 9 9 9 ( 1 2 ) 4 广西交通科学研究所 高等级公 路水泥混 凝土路 面贫 混凝 土 基层 及排水系统的应用研 究 R 1 9 9 9