凍融作用下防滲渠道混凝土力學特性探討

杜 秀

(新疆維吾爾自治區烏蘇市水利局, 新疆 烏蘇 833000)

凍融作用下防滲渠道混凝土力學特性探討

杜 秀

(新疆維吾爾自治區烏蘇市水利局, 新疆 烏蘇 833000)

目前中國正加緊高標準農田配套設施建設，受季節性凍融循環作用，防滲渠道可能會出現強度降低、滲透性增大等病害。為探討防滲渠道混凝土強度、變形以及滲透特性與凍融循環的關系，本文對防滲渠道混凝土進行了凍融循環試驗、強度試驗和滲透試驗。結果表明，凍融循環作用顯著降低了防滲渠道混凝土的抗壓強度和抗滲能力，當其經過100次凍融循環時，混凝土強度降低了一半。隨著凍融循環次數的增多，峰值強度所對應的應變率增大，其抗滲性能降低，這是由于凍融作用增大了混凝土內部的孔隙所導致的。

防滲渠道； 凍融循環； 混凝土； 強度

工程中把混凝土的抗凍性作為評判混凝土耐久性的重要指標之一，這是因為在中國北方地區，冬季都有凍結期，受凍害影響嚴重。為保證糧食質量，目前中國正加緊高標準農田配套設施建設，其中防滲渠道是重點建設項目之一。受凍融循環作用，防滲渠道混凝土會出現強度降低、滲透系數增大等問題，因此對防滲渠道混凝土抗凍性進行研究具有重要意義。

混凝土凍融特性一直是土木工程界的一個重要課題，自20世紀以來，有學者對混凝土的凍融特性進行了大量研究，而且得出許多重要結論。靜水壓假說和滲透壓假說是由Powers等[1-2]提出，這兩個假說為混凝土凍融特性研究起到鋪墊的作用。段安等[3]對85個混凝土試件開展了凍融循環和抗壓強度試驗，以期探討凍融作用與混凝土應力—應變的關系。曹大富等[4]對影響凍融循環的3個影響因素進行了綜合分析。此外亦有大量學者[5-8]對凍融循環作用對混凝土宏觀物理力學現象以及細觀機理的影響進行了深入的研究。

本文通過對防滲渠道混凝土的凍融循環試驗、抗壓強度試驗和滲透試驗，分析了凍融作用對其強度以及滲透特性的影響，以期為評估防滲渠道凍融破壞問題提供一定的參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥作為試驗所用水泥，細骨料為細度模數3.1的級配連續中砂，試驗所用粗骨料顆粒級配良好，20mm為最大粒徑，粉煤灰為Ⅱ級灰，試驗水灰比為0.5，試樣尺寸為100mm×100mm×300mm，試樣養護齡期為28d。

1.2 試驗方法

凍融試驗采用快凍法，分別對試樣進行0～125次快速凍融循環試驗，試驗共6組，每組試驗凍融次數按25次遞增。為保證凍融循環試樣的飽和度達到試驗要求，試驗開展前需將試樣先置于水中浸泡4d，浸泡時需保持液面高出試樣頂部2cm以上。凍融循環試驗箱的凍結溫度設定為零下17℃，融化溫度設定為8℃，試驗箱溫度誤差為2℃，一次凍融循環試驗過程中，凍結和融化時間均為2h。本文中的無側限抗壓強度試驗所用加載速率為0.75mm/min,，試驗在萬能試驗儀上開展。滲透試驗采用一次加壓，由一定時間內試樣的滲水高度能夠計算出試驗的滲透系數，通常情況是測記24h試件的滲水高度，若試樣滲透系數較大，則當試樣端面出現滲水，記錄此時的時間作為滲透時間，該情況下試樣的滲水高度即為試樣高度。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融次數對混凝土強度的影響

圖1為防滲渠道混凝土無側限抗壓強度與凍融循環次數的關系曲線，由圖1可知在125次循環范圍內，混凝土抗壓強度隨著凍融循環次數的增長而逐漸降低；當凍融循環次數小于25次的時候，試樣的抗壓強度降低顯著；當試樣凍融次數超過100次時，防滲渠道混凝土強度可以近似地認為不再降低。這主要是由于混凝土內部存在細小孔隙，飽和條件下這些孔隙被水填充，凍結后，水體體積膨脹，試樣內部受到擠壓，從而降低了混凝土的抗壓強度。凍融循環的前25次，由于孔隙小而多，孔隙比表面積大，受凍融作用影響，混凝土強度顯著降低。而隨著凍融次數繼續增加，小孔隙逐漸貫通，空隙的比表面積減小，冰壓作用對其影響降低，因此凍融循環后強度降低不是很明顯。

為直觀看出凍融作用下混凝土強度的損失量，引入強度折減率，強度折減率可以定義為式(1):

(1)

式中qcu——正常情況下試樣無側限抗壓強度；

qcuN——N次凍融循環后試樣無側限抗壓強度。

計算可得經25次、50次、75次、100次和125次凍融循環后，防滲渠道混凝土強度折減率分別為28.1%，41.6%，47.4%，50.6%和51.6%。由不同凍融循環次數對應的試樣強度折減率分析可知，防滲混凝土的強度折減率會隨著隨凍融次數的增多而增加；當凍融循環次數為100次時，試樣的無側限抗壓強度相比正常情況下減少一半，這說明防滲渠道混凝土的強度受凍融作用影響。

圖2為混凝土養護齡期28d時，試樣峰值抗壓強所對應的應變值與凍融循環次數的關系曲線。由圖可知，防滲渠道混凝土的無側限抗壓強度對應的峰值應變率隨著凍融次數的增加而逐漸增大，這是因為凍融作用使得試樣孔隙變大，受壓時，試樣先壓密，強度開始時增長緩慢，隨著試樣不斷壓密，孔隙逐漸減小，混凝土強度逐漸發揮，試樣中的裂隙會隨著凍融循環次數的增加而增加，因此導致壓密所需要的應變值也變大。

圖1 不同凍融次數下混凝土抗壓強度

圖2 不同凍融次數下混凝土峰值應變

2.2 凍融次數對混凝土滲透性的影響

防滲渠道混凝土的一項重要的指標是滲透系數，其計算公式為：

(2)

式中Sk——混凝土試樣的相對滲透系數；

Dm——混凝土試樣的平均滲水高度;

H——用以表征水壓的水位高度;

t——滲透時間;

k——混凝土試樣的吸水率。

防滲渠道混凝土試樣的相對滲透系數與凍融循環次數的關系如圖3所示。由圖可知隨凍融次數增多，混凝土試樣的相對滲透系數逐漸增大，這主要是由于凍融作用在增大了試樣內部孔隙，形成了滲流通道。

圖3 不同凍融次數下混凝土相對滲透系數

3 結 論

a.凍融作用對防滲渠道混凝土強度影響較大，混凝土強度隨凍融次數的增加而逐漸降低，當其經過100次凍融循環時，混凝土的無側限抗壓強度相比正常工況下降低了一半。

b.隨凍融次數增多，混凝土峰值強度對應的應變值增大，混凝土相對滲透系數增大，這主要是由于凍融作用使得試樣內部孔隙增大。

[1] Powers T C.A working ghypothes is for further studies of frostre sistance of concrete[J].Journal of ACI,1945,16(4):245-272.

[2] Powers T C.Freezing effectsin concrete.Durability of concrete[M].Special Publication SP-47(ACI),1975.

[3] 段安,錢稼茹.受凍融環境混凝土的應力-應變全曲線試驗研究[J].混凝土,2008(8):13-16.

[4] 曹大富,富立志,楊忠偉,等.凍融循環作用下混凝土受壓本構特征研究[J].建筑材料學報,2013,16(1):17-23.

[5] 鄒超英,趙娟,梁鋒,等.凍融作用后混凝土力學性能的衰減規律[J].建筑結構學報,2008,29(1):118-123.

[6] 肖建莊.再生混凝土單軸受壓應力—應變全曲線試驗研究[J].同濟大學學報,2007,35(11):1445-1449.

[7] 衛軍,張曉玲,趙霄龍.混凝土結構耐久性的研究現狀和發展方向[J].低溫建筑技術,2003,92(2):1-3.

[8] 鄒超英,徐天水,胡瓊.應力狀態對抗凍混凝土力學性能的影響[J].低溫建筑技術,2005,108(6):6-8.

Discussion on impermeable channel concrete mechanical properties under freeze-thaw action

DU Xiu

(XinjiangUygurAutonomousRegionWusuWaterConservancyBureau,Wusu833000,China)

China is accelerating high standard farmland infrastructure construction in China at present.The impermeable channel may suffer from strength reduction, permeability increase and other diseases due to seasonal freeze-thaw cycle effect.In the paper, concrete in impermeable channels undergoes freeze-thaw cycle test, strength test and seepage test in order to discuss the relationship among impermeable channel concrete strength, deformation, seepage characteristics and freeze-thaw cycle.Results show that freeze-thaw cycle effect significantly reduces the compressive strength and impermeability of impermeable channel concrete.The strength of concrete is reduced by 50% after freeze-thaw cycles for 100 times.The strain rate corresponding to the peak value strength is increased, and the impermeability is lowered with the increase of freeze-thaw cycles because freeze-thaw effect increases internal pores of the concrete.

impermeable channel; freeze-thaw cycle; concrete; strength

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.013

TV698.2+6

A

1005-4774(2017)05-0047-03