2021, Vol. 53
中国北方地区冬季气候寒冷，具有持续时间长和昼夜温差大的特点，大温差引起的冻融循环已成为影响混凝土耐久性的一个主要因素[1]. 目前针对混凝土抗冻性能方面国内外学者进行了许多研究[2-5]. 文献[2]分析了水灰比、含气量和冻融循环次数对混凝土动弹性模量、抗折强度、抗压强度和劈裂抗拉强度的影响；文献[3]利用替代率为0%、20%、50%和100%再生细骨料等量替代天然细骨料，进行了不同冻融循环次数下混凝土抗冻性能研究；文献[4]通过试验研究了冻融后混凝土受压性能，分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、相对动弹性模量对混凝土受压性能的影响；文献[5]对荷载-冻融耦合作用下充填层自密实混凝土的耐久性进行了试验研究，分析了在冻融循环作用、荷载-冻融循环耦合作用下自密实混凝土峰值应力、峰值应变等随冻融循环次数的变化规律.
砂是混凝土主要的原材料之一. 随着中国西部地区基础建设项目的增多，对砂的需求量逐渐增大. 过度开采河道与矿山作为建筑用砂，严重破坏了周围的生态环境. 在西部沙漠周边地区，研究者针对利用沙漠砂配制的混凝土性能进行了一些研究[6-9]，结果表明：沙漠砂可以代替细骨料配制混凝土应用于实际工程结构中. 文献[6]对利用澳大利亚沙漠砂制备的沙漠砂混凝土进行了力学性能研究，结果表明：当砂灰比低于1.14时，沙漠砂混凝土强度明显高于普通混凝土；文献[7]对用毛乌素沙地砂替代细骨料配制的沙漠砂混凝土进行了研究；文献[8]利用霍普金森压杆(SHPB)试验装置对沙漠砂混凝土进行了冲击压缩试验研究；文献[9]通过设计正交试验对高温后沙漠砂高强混凝土进行了抗压强度试验，确定了沙漠砂高强混凝土最佳配合比.
中国西部地区有丰富的沙漠砂资源，利用沙漠砂作为替代砂配制适合工程应用的沙漠砂混凝土，对于减缓沙漠化压力、降低工程造价和保护环境具有重要意义. 虽然研究者对高温后沙漠砂混凝土性能进行了许多研究[7-9]，但是针对冻融环境下掺沙漠砂混凝土轴心受压力学性能的研究较少. 本文通过快速冻融方法，进行掺沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验，得到不同冻融循环作用下掺沙漠砂混凝土破坏特征和应力-应变曲线，分析不同冻融循环下掺沙漠砂混凝土表观特征、质量损失率、动弹性模量损失率及超声波波速损失率的变化，为寒冷地区沙漠砂混凝土的工程应用提供理论依据和技术支撑.
1 试验试验所用水泥为宁夏赛马牌普通硅酸盐水泥，强度等级42.5R，初凝时间为142 min，终凝时间为198 min，3 d与28 d抗压强度分别为28.2、52.7 MPa；3 d和28 d抗折强度分别为5.8、7.9 MPa；粗骨料采用宁夏镇北堡生产的粒径为5~20 mm人工碎石，由粒径为10~20 mm大石子与5~10 mm小石子按照质量比7∶3混合而成；中砂采用当地人工水洗砂；沙漠砂取自宁夏盐池县毛乌素沙地，其性能指标和外观特征见表 1和图 1，级配曲线如图 2所示；采用减水率为25%以上的粉末状聚羧酸高性能减水剂.
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表 1 细骨料性能 Tab. 1 Properties of fine aggregate |
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图 1 中砂和沙漠砂外观对比 Fig. 1 Appearance contrast between medium sand and desert sand |
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图 2 细骨料级配曲线 Fig. 2 Gradation curves of fine aggregate |
在本文前期研究基础上[8-9]，用沙漠砂等量替代中砂，配制水胶比为0.50，砂率为35%，强度等级为C35混凝土，具体配合比和材料用量见表 2.
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表 2 混凝土配合比 Tab. 2 Mix ratio of concrete |
试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，共制作18个沙漠砂替代率为50%掺沙漠砂混凝土试件和18个普通混凝土试件. 经搅拌、成型、脱模后，放入标准养护室内养护24 d，再放入20 ℃±2 ℃水中浸泡4 d，使试件完全处于饱和状态[10]. 试件达到28 d龄期后分别进行冻融循环25、50、75、100和125次掺沙漠砂混凝土快速冻融循环试验，测定其在不同冻融循环次数下质量损失、动弹性模量和超声波波速. 冻融试验采用天津市港源试验仪器厂生产的TDR-28型快速冻融试验机.
冻融后试件进行掺沙漠砂混凝土轴心抗压强度试验，试验加载设备采用MTS微机控制电液伺服万能试验机，最大负荷为1 000 kN，精度为0.001 N，如图 3所示. 加载方式采用应力控制，加载速率为0.5 MPa/s；数据采集仪采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3820高速静态应变测试分析系统，采样频率为10 Hz，应变量测范围为±0.05，分辨率为5×10-7；采用江苏东华测试技术股份有限公司制造的5G101型位移传感器，灵敏系数为2.00，量程为50 mm，精度为5×10-4 mm；应变片电阻为120 Ω，轴向应变片长度为100 mm，横向应变片长度为50 mm，应变片采用十字交叉粘贴.
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图 3 MTS微机控制电液伺服万能试验机 Fig. 3 MTS microcomputer control electro-hydraulic servo universal testing machine |
图 4为冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土表观特征. 由图 4可知，冻融循环前，两组混凝土试件表面平整光滑，无掉角、裂缝；冻融循环后，部分水泥浆剥蚀，试件表面粗糙，出现微孔洞、微裂纹；随着冻融循环次数增加，水泥浆剥蚀加重，试件表面孔洞、裂纹增多. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土试件表面剥蚀劣化程度比普通混凝土轻.
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图 4 冻融前后混凝土表观特征 Fig. 4 Appearance characteristics of concrete before and after freeze-thaw cycles |
质量损失率为冻融前、后试件的质量差与冻融前试件的质量比. 采用量程为30 kg、精度为1 g的电子秤测得不同冻融循环次数后试件质量，将3个试件质量损失率的平均值作为该组试件的质量损失率. 图 5为普通混凝土和掺沙漠砂混凝土质量损失率与冻融循环次数之间关系. 由图 5可知，在125次冻融循环内，两种混凝土质量损失均很小，低于0.33%.
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图 5 质量损失率与冻融循环次数关系 Fig. 5 Relation between mass loss rate and the number of freeze-thaw cycles |
采用DT-15型混凝土动弹性模量试验仪，测得不同冻融循环次数下混凝土动弹性模量，每个测点重复3次，测量结果的平均值作为试验测定值. 动弹性模量损失率为冻融前、后测得的动弹性模量之差与冻融前测得的动弹性模量的比值. 图 6为动弹性模量损失率与冻融循环次数关系. 两组混凝土动弹性模量损失率随着冻融循环次数的增加而逐渐增大，掺沙漠砂混凝土动弹性模量损失率较小. 与相应冻融前混凝土相比，25、75和125次冻融循环后，普通混凝土动弹性模量损失率分别为4.2%、19%和32.3%，掺沙漠砂混凝土动弹性模量损失率分别为2.3%、17.6%和27.9%. 由于混凝土中孔隙水结冰后体积会产生膨胀，未结冰水和溶液发生迁移引起各种压力，使混凝土内部产生了损伤，经过反复冻融循环，混凝土内部损伤开始累积加剧[11-12]. 混凝土中掺入沙漠砂，有效填充了混凝土粗、细骨料之间孔隙，减小了混凝土中水的含量. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土由于水结冰产生体积膨胀导致的损伤小于普通混凝土，故掺沙漠砂混凝土动弹性模量损失率小于普通混凝土.
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图 6 动弹性模量损失率与冻融循环次数关系 Fig. 6 Relation between dynamic elastic modulus loss rate and the number of freeze-thaw cycles |
采用DJUS-05非金属超声综合检测仪，对不同冻融循环次数下混凝土超声波波速进行检测. 超声波波速损失率为冻融前、后测得超声波波速之差与冻融前测得超声波波速的比值. 图 7为超声波波速损失率与冻融循环次数关系. 两组混凝土超声波波速损失率随着冻融循环次数的增加而逐渐增大，掺沙漠砂混凝土超声波波速损失率较小. 与相应冻融前混凝土相比，25、75和125次冻融循环后，普通混凝土超声波波速损失率分别为5.8%、11.9%和21.8%，掺沙漠砂混凝土超声波波速损失率分别为3.5%、8.4%和21.3%，这主要是由于正负温度使得混凝土内部产生新的孔洞、裂纹等微缺陷，经过正负温度反复交替作用，试件的孔洞、裂纹、剥落等缺陷更加明显[13]. 沙漠砂的掺入有效减小了混凝土孔隙率，使混凝土内部更加密实. 在相同冻融循环次数下，与普通混凝土相比，掺沙漠砂混凝土内部损伤较小，所以掺沙漠砂混凝土超声波波速损失率小于普通混凝土.
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图 7 超声波波速损失率与冻融循环次数关系 Fig. 7 Relation between ultrasonic wave velocity loss rate and the number of freeze-thaw cycles |
普通混凝土轴心抗压强度试验破坏过程如图 8所示. 由图 8可知，在加载初期，混凝土试件表面无可见裂缝；加载至0.8fc~0.9fc时，试件中部开始出现细微的竖向裂缝，随着荷载增大，裂缝逐渐增多，试件中部逐渐横向膨胀；荷载达到峰值后，裂缝迅速扩展、增多. 图 9为冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土轴心受压破坏后形态. 由图 9可知，随着冻融循环次数增加，试件表面裂缝逐渐增多，破坏形态趋于严重. 在相同冻融循环次数下，与普通混凝土相比，掺沙漠砂混凝土塑性变形大，破坏过程较缓慢.
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图 8 普通混凝土轴心受压破坏过程 Fig. 8 Failure process of ordinary concrete under axial compression |
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图 9 冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土轴心受压破坏图 Fig. 9 Failure photos of desert sand concrete and ordinary concrete under axial compression before and after freeze-thaw cycles |
表 3为冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土抗压强度测试结果. 由表 3可知，随着冻融循环次数增加，普通混凝土与掺沙漠砂混凝土抗压强度逐渐减小. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土抗压强度高于普通混凝土抗压强度.
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表 3 冻融前后混凝土单轴抗压强度 Tab. 3 Uniaxial compressive strength of concrete before and after freeze-thaw cycles |
图 10为冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土应力-应变曲线. 由图 10可知，随着冻融循环次数增加，上升段曲线斜率减小，峰值应力下降迅速，曲线趋于扁平.
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图 10 冻融前后应力应变关系 Fig. 10 Relation between strain and stress before and after freeze-thaw cycles |
图 11为冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土应力-应变曲线比较. 由图 11可知，随着冻融循环次数增加，加载初期上升段应力-应变曲线逐渐呈现下凹形状；在相同冻融循环次数下，普通混凝土加载初期曲线下凹与沙漠砂混凝土相比更明显，这主要是由于与普通混凝土相比，掺沙漠砂混凝土更加密实，经多次冻融循环后损伤较小，使得加载初期曲线下凹趋势不明显.
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图 11 冻融前后混凝土应力-应变曲线比较 Fig. 11 Comparison of stress-strain curves of concrete before and after freeze-thaw cycles |
图 12为相对峰值应力与冻融循环次数关系. 两组混凝土相对峰值应力随着冻融循环次数的增加逐渐减小. 与相应冻融前混凝土相比，25、75和125次冻融循环后，普通混凝土相对峰值应力分别减小1.4%、13.7%和25.6%，掺沙漠砂混凝土分别减小0.8%、9.4%和22.3%. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土相对峰值应力均高于普通混凝土，这主要是由于细小的沙漠砂掺入混凝土后，使混凝土内部粗细骨料之间微小间隙填充更加均匀、密实，减小了混凝土中水的含量，同时沙漠砂中细小的颗粒被认为是一种矿物物质，在冻融循环过程中，这些矿物物质能够继续发生水化反应，提高了混凝土强度[6, 14-16]. 普通混凝土和掺沙漠砂混凝土相对峰值应力与冻融循环次数之间呈线性关系. 普通混凝土：fCD/fC0=－0.002 1N+1.019 8，R2=0.978 5；掺沙漠砂混凝土：fSD/fS0=－0.001 7N+1.026 1，R2=0.931 0. 其中fC0为冻融前普通混凝土轴心受压峰值应力，fCD为不同冻融循环次数下普通混凝土轴心受压峰值应力，fS0为冻融前掺沙漠砂混凝土轴心受压峰值应力，fSD为不同冻融循环次数下掺沙漠砂混凝土轴心受压峰值应力，N表示冻融循环次数.
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图 12 相对峰值应力与冻融循环次数关系 Fig. 12 Relation between relative peak stress and the number of freeze-thaw cycles |
图 13为相对峰值应变与冻融循环次数之间关系. 随着冻融循环次数的增加，两组混凝土相对峰值应变逐渐增大. 与冻融前混凝土相比，25、75和125次冻融循环后，普通混凝土相对峰值应变分别为1.089、1.340和1.833，掺沙漠砂混凝土分别为1.015、1.301和1.782. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土相对峰值应变小于普通混凝土，这主要是由于沙漠砂有效地填充了混凝土粗、细骨料之间孔隙，形成坚固骨架，降低了混凝土可变形性. 普通混凝土和掺沙漠砂混凝土相对峰值应变与冻融循环次数之间呈线性关系. 普通混凝土：εCD/εC0=0.007 0N+0.911 9，R2=0.925 5；掺沙漠砂混凝土：εSD/εS0=0.006 5N+0.897 0，R2=0.927 2. 其中εC0表示冻融前普通混凝土轴心受压峰值应变，εCD表示不同冻融循环次数下普通混凝土轴心受压峰值应变，εS0为冻融前掺沙漠砂混凝土轴心受压峰值应变，εSD为不同冻融循环次数下掺沙漠砂混凝土轴心受压峰值应变.
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图 13 相对峰值应变与冻融循环次数关系 Fig. 13 Relation between relative peak strain and the number of freeze-thaw cycles |
根据《混凝土结构设计规范》[17]，极限应变取应力-应变曲线下降段0.5fc时所对应的压应变. 图 14为普通混凝土和掺沙漠砂混凝土极限应变与冻融循环次数之间关系. 由图 14可知，两组混凝土极限应变随着冻融循环次数增加逐渐增大. 25、75和125次冻融循环后，普通混凝土极限应变分别是冻融前普通混凝土极限应变的1.04、1.21和1.72倍，掺沙漠砂混凝土极限应变分别是冻融前掺沙漠砂混凝土极限应变的1.14、1.41和1.87倍，掺沙漠砂混凝土相对极限应变高于普通混凝土，这主要是由于沙漠砂有效地填充了混凝土粗、细骨料之间的孔隙，随着冻融循环次数的增多，掺沙漠砂混凝土内部损伤累积与普通混凝土相比较少，从而使得掺沙漠砂混凝土破坏过程比较缓慢.
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图 14 极限应变与冻融循环次数关系 Fig. 14 Relation between ultimate strain and the number of freeze-thaw cycles |
混凝土弹性模量取应力-应变全曲线上升段0.4fc处的割线模量. 图 15为普通混凝土和掺沙漠砂混凝土弹性模量与冻融循环次数关系. 由图 15可知，随着冻融循环次数增加，掺沙漠砂混凝土弹性模量先增加后减小，普通混凝土弹性模量不断降低. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土弹性模量明显大于普通混凝土弹性模量，这主要是由于沙漠砂中细小颗粒被认为是一种矿物质，在冻融循环过程中，这些矿物质能够继续发生水化反应，提高了混凝土自身刚度[6, 14-15].
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图 15 弹性模量与冻融循环次数关系 Fig. 15 Relation between elastic modulus and the number of freeze-thaw cycles |
混凝土横向变形系数是混凝土横向变形与纵向变形的比值，是计算混凝土结构工程抗裂、变形的一个重要参数. 图 16和图 17分别为冻融前后普通混凝土和掺沙漠砂混凝土荷载比[18]λ与横向变形系数关系曲线. 由图 16和图 17可知，λ < 0.6时，普通混凝土和掺沙漠砂混凝土轴向变形较大，横向变形较小，横向变形系数增长缓慢；λ>0.6时，普通混凝土和掺沙漠砂混凝土横向变形快速增大，横向变形系数增长加快.
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图 16 普通混凝土λ与横向变形系数关系 Fig. 16 Relation between λ of ordinary concrete and transverse deformation coefficient |
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图 17 掺沙漠砂混凝土λ与横向变形系数关系 Fig. 17 Relation between λ of desert sand concrete and transverse deformation coefficient |
图 18为荷载比λ=0.4时普通混凝土和掺沙漠砂混凝土横向变形系数与冻融循环次数的关系.
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图 18 横向变形系数(λ =0.4)与冻融循环次数关系 Fig. 18 Relation between transverse deformation coefficient (λ=0.4) and the number of freeze-thaw cycles |
由图 18可知，两组试件的横向变形系数随着冻融循环次数的增加逐渐减小. 与相应冻融前混凝土相比，25、75和125次冻融循环后，普通混凝土横向变形系数分别减小了6%、26%和43%，掺沙漠砂混凝土分别减小了2%、14%和37%. 由此可知，掺沙漠砂混凝土横向变形系数减小率低于普通混凝土，这主要是由于随着冻融循环次数增加，掺沙漠砂混凝土内部损伤较小，使得掺沙漠砂混凝土塑性变形较好.
3.3 本构模型目前，国内外学者对常温下混凝土单向受压时应力-应变关系的数学模型研究较多，主要有Sargin[19]、Hogenestad[20]、过镇海[21]等模型. 由于各种因素影响，混凝土应力-应变全曲线下降段不太理想. 过镇海提出的本构模型参数少、形式简单、计算方便，能把上升段与下降段的参数区分开，上升段：y=Ax+(3－2A)x2+(A－2)x3，0 < x < 1；下降段: y=x[a(x－1)2+x]－1，x>1，其中x(x=ε/ε0)为相对应变，y(y=σ/fc)为相对应力, fc和ε0分别为峰值应力和峰值应变.
图 19为冻融前后普通混凝土与掺沙漠砂混凝土应力-应变曲线拟合. 由图 19可知，上升段吻合程度很好，下降段由于各种因素影响曲线拟合程度稍差. 表 4为冻融前后混凝土应力-应变曲线的控制参数值. 由表 4可知，不论是普通混凝土，还是掺沙漠砂混凝土，拟合曲线上升段控制参数A值随着冻融循环次数增加而逐渐降低，拟合曲线下降段控制参数a随着冻融循环次数增加逐渐增加. 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土拟合曲线上升段控制参数A值高于普通混凝土，拟合曲线下降段控制参数a低于普通混凝土.
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图 19 冻融前后混凝土应力-应变曲线拟合 Fig. 19 Fitting of stress-strain curves of concrete before and after freeze-thaw cycles |
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表 4 混凝土应力-应变曲线控制参数A与a Tab. 4 Control parameters A and a of stress-strain curves of concrete |
图 20为不同冻融循环作用下普通混凝土和掺沙漠砂混凝土动弹性模量与峰值应力之间关系. 随着动弹性模量的增大，两组混凝土峰值应力逐渐增加，峰值应力与动弹性模量之间呈线性关系. 普通混凝土：fc=0.776 2Ed+6.731 9，R2=0.982 1；掺沙漠砂混凝土：fc=0.683 9Ed+11.434 7，R2=0.908 2.
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图 20 动弹性模量与峰值应力关系 Fig. 20 Relation between dynamic elastic modulus and peak stress |
图 21为不同冻融循环作用下普通混凝土和掺沙漠砂混凝土超声波波速与峰值应力之间关系. 随着超声波波速的增大，两组混凝土峰值应力逐渐增加. 两组混凝土峰值应力与超声波波速之间有良好的线性相关性. 普通混凝土：fc=14.579 5v－12.143 1，R2=0.949 9；掺沙漠砂混凝土：fc=12.452 9v－4.263 5，R2=0.973 5.
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图 21 超声波波速与峰值应力关系 Fig. 21 Relation between ultrasonic wave velocity and peak stress |
1) 进行了冻融后沙漠砂混凝土轴心抗压强度试验，研究了沙漠砂对混凝土抗冻性能的影响，探究了在不同冻融循环次数下沙漠砂混凝土表面特征、质量损失率、动弹性模量损失率及超声波波速损失率的变化规律，建立了不同冻融循环次数下沙漠砂混凝土轴心受压应力-应变曲线方程.
2) 随着冻融循环次数增多，掺沙漠砂混凝土表面剥落越严重，质量损失率变化较小，动弹性模量损失率和超声波波速损失率均增大；掺沙漠砂混凝土轴心受压破坏特征愈加明显，轴心受压应力-应变曲线趋于扁平，弹性模量、相对峰值应力和横向变形系数均减小，相对峰值应变和极限应变均增加；掺沙漠砂混凝土拟合曲线上升段控制参数A值逐渐降低，下降段控制参数a逐渐增加.
3) 在相同冻融循环次数下，掺沙漠砂混凝土动弹性模量损失率和超声波波速损失率均小于普通混凝土；掺沙漠砂混凝土相对峰值应变小于普通混凝土，相对峰值应力、弹性模量和横向变形系数高于普通混凝土；掺沙漠砂混凝土拟合曲线上升段控制参数A值高于普通混凝土，下降段控制参数a低于普通混凝土.
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