赛马科进混凝土有限公司 宁夏回族自治区银川市 750001
摘要：根据本次试验的要求，在已有的电子万能试验机及课题组自制的超低温环境箱的基础上，自主设计夹片式拉伸夹具，采用液氮降温的方式，完成了超低温环境下钢绞线的拉伸试验；利用较大型低温冷库对预应力混凝土梁进行降温及课题组已有的保温箱进行保温，完成了超低温环境下预应力混凝土梁的受弯试验，对比分析了温度对梁受弯性能的影响。
关键词：负温环境；混凝土力学性能；水化特征
常温环境下预应力钢绞线力学性能、预应力混凝土梁的结构性能研究已经十分成熟，材料生产商往往都具备测试预应力钢筋的力学性能，如屈服强度、极限抗拉强度和伸长率等的条件，对于低温及超低温环境下预应力钢绞线的力学性能以及预应力混凝土梁的结构性能。预应力混凝土结构是为解决混凝土抗拉性能弱这一缺陷，经人们长期实践而创造出的一种具有广泛发展潜力、性能优良的结构。
1.低压低湿养护对混凝土微观结构影响的研究
混凝土内部的孔结构直接影响了混凝土的宏观性能，如抗压强度、抗冻性、抗渗性等。对于混凝土材料的研究，在注意两者间的联系的同时，应以宏观性能为标，把微观结构作为根本，观察混凝土变化规律时要从宏观到微观，然后用微观结构作为根本依据去解释宏观行为。因此本课题首先对强度等级为 C50 的普通混凝土试件，由于养护条件不同，在不同的养护条件下需要进行养护，保证材料稳定。在后续过程中探究不同气压、不同湿度的养护条件与混凝土内部孔结构及显微硬度的关系。
1.1 养护方式对混凝土孔结构的影响
混凝土内部的孔隙主要有水化产物内部的凝胶孔，水泥-水体系中没有被水化物填充的毛细孔，以及搅拌、成型过程中引入的空气和掺加外加剂引入的气泡。混凝土孔结构的研究主要包括：孔径分布、孔隙率、孔几何学。本节内容的孔结构研究主要是孔径分布、孔隙率、平均孔径。由于本课题研究的非标准养护环境涉及两种气压和两种湿度，试验结果按照以下方式进行描述：保持气压不变，探究不同湿度对混凝土内部孔结构的影响。
当早期混凝土所处的养护环境条件恶劣，混凝土内部水分在内外湿度差的作用下向外蒸发，一方面降低了水泥的水化速率，得到的水化产物减少，混凝土内部结构变得疏松，也就是更加得不密实；另一方面，早期混凝土处于低强度状态，当外界环境湿度较低时，由于干燥收缩产生的拉应力使混凝土内部产生许多微裂纹。这些都能够造成孔隙率及总进汞量增加。对于平均孔径，当混凝土早期养护环境出现异常，混凝土内部自由水由内向外迁移、蒸发速率加快，导致孔结构劣化，大孔增多，从而平均孔径增大[1]。
1.2 养护方式对混凝土显微硬度的影响
从微观结构上来讲，除了对混凝土表面的孔结构参数进行分析，还可以对混凝土表面的显微硬度进行分析。显微硬度值等于压头压入试件的力 F 与在试件表面产生的面积 S之比。显微硬度是一种微观的力学性能测试，混凝土的许多性能如抗压强度、弹性模量和孔隙率等与显微硬度之间存在一定关系[2]。
2.低压低湿养护对混凝土力学性能的影响
2.1养护方式对混凝土力学性能的影响
本节讨论的是不同非标准养护方式与标准养护方式对未掺加外加剂及矿物掺合料的普通混凝土（配合比编号为C50-W）力学性能（抗压强度、抗折强度、表面回弹）的影响。为了便于叙述和分析结果仍然采用相同气压下不同湿度的养护条件、相同湿度不同气压的养护条件进行对比。非标准养护方式中，保持养护环境中 RP 不变，改变 RH 时对 C50 混凝土抗压强度的影响如图1 所示。图中标准养护 3d 即标准养护 3d 后进行非标准养护至 28d 龄期，同理标准养护 7d 即代表标准养护 7d 后进行非标准养护至28d 龄期[3]。
图一：相同气压不同湿度的养护条件对 C50 混凝土抗压强度的影响
2.2养护方式对普通混凝土表面回弹值的影响
回弹仪是一种利用肖氏硬度原理检测材料表面硬度的仪器。其使用方法是利用球或小锤从某高度自由下落后，冲击被测材料表面后，反弹的高度反映冲击时的应变能，从而求出材料的表面硬度。回弹仪的读数是混凝土表面硬度。对混凝土试件利用回弹仪测试其表面硬度，探究不同养护方式对混凝土表面性能产生的影响。非标准养护方式中，不同对强度等级 C50的普通混凝土表面回弹值的影响不同[4]。
3.超低温环境下预应力混凝土梁受弯试验
3.1预应力混凝土梁设计制作
预应力混凝土梁的设计是关键，本次试验共设计了混凝土梁试件 13 根，其中包括预应力混凝土梁 8 根，非预应力混凝土梁 5 根，选取的试验温度点为 20℃、-40℃、-70℃以及-100℃，每个试验温度点为两根预应力混凝土梁及一根非预应力混凝土梁，另外一根作为温度梁，在降温过程中用于监测预应力混凝土梁内部的温度，并在温度梁上粘贴应变片作为试验过程中混凝土应变片及钢绞线应变片的温度补偿，所有的试验梁尺寸均相同，试验选择的变化参数为温度和是否张拉预应力，所有试验梁均为静载试验。所有试验梁在天津一预制梁场进行浇注，所采用的混凝土由梁场附近的混凝土搅拌站提供，混凝土标号为 C50。
选用的钢绞线与前文进行拉伸试验的钢绞线均由同一根钢绞线中截取，强度级别为 1860MPa，非预应力筋直径为 6mm，强度级别为 HRB335，箍筋选用为 10 号铁丝。由于本次设计的预应力混凝土梁主要用于低温试验，考虑到对于预应力混凝土梁的降温设备及试验过程中的保温处理，本次试验选取的验梁尺寸相对较小，梁的截面尺寸为 65mm×120mm，试验梁长度为 1600mm，梁两端支座距梁端各 100mm，计算跨度取为 1400mm，所用梁内均配有三股钢绞线一根，在梁的弯剪段配有构造钢筋及箍筋，防止试验梁受剪破坏，如下：
3.2试验方案及量测方法
本次试验分预应力混凝土梁常温试验及预应力混凝土梁低温试验两部分，两部分试验流程大体相近，对于低温试验，则多了试验前对预应力混凝土梁的降温过程以及试验过程中对保温箱内环境温度进行控制[5]。
结束语
本次研究中对超低温环境下钢筋混凝土材料性能研究已比较深入，未来可以尝试对已有的试验进行总结，并进行一系列的补充试验，最终获得钢筋混凝土材料在低温下的本构关系，为混凝土低温领域的应用提供依据。
我国在低温预应力混凝土领域的研究很少，要想在我国建立起独立自主的低温应用规范体系及相关标准，需要工作人员积极参与低温领域的研究，相互合作与沟通，为我国低温领域的发展做出贡献。
参考文献：
[1]姚武.聚丙烯腈纤维混凝土的低温性能[J].同济大学学报（自然科学版），2004，32（5）
[2]章旸.U型冲击试验评价橡胶集料混凝土抗冲击性能的试验方法[D].2011.
[3]王传星.超低温环境下混凝土性能的试验研究[D].2010.
[4]张英姿，陈国芳，范颖芳.模拟海水低温环境下混凝土抗压性能试验研究[J].混凝土，2015，（4）
[5]姚武.纤维混凝土的低温性能和冻融损伤机理研究[J].冰川冻土，2005，27（4）
论文作者:吕启龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/26
标签：混凝土论文; 预应力论文; 低温论文; 环境论文; 性能论文; 结构论文; 硬度论文; 《基层建设》2018年第15期论文;