燒結(jié)普通磚凍融損傷可靠度研究

燒結(jié)普通磚凍融損傷可靠度研究

冷融破壞是建筑材料運(yùn)行中的主要疾病之一。在中國(guó)東北部、華北和西北地區(qū)的項(xiàng)目中，某些項(xiàng)目達(dá)到了相對(duì)較高的水平。因此,開展建筑材料凍融損傷機(jī)理研究和力學(xué)性能研究十分必要。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度、質(zhì)量損失率以及相對(duì)動(dòng)彈性模量等進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],但是對(duì)于新型墻體材料的凍融損傷模型仍然沒有建立起完整的理論體系,在實(shí)際工程中受到種種限制而無法應(yīng)用。通過對(duì)6種新型墻體材料和燒結(jié)普通磚在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn),研究了新型墻體材料的質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,結(jié)合新型墻體材料凍融損傷失效過程,建立了新型墻體材料的凍融損傷時(shí)變可靠度計(jì)算模型。結(jié)果表明:以混凝土實(shí)心磚為例,隨著時(shí)間的推移,混凝土實(shí)心磚的凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)逐漸變小,變化趨勢(shì)呈拋物線型。通過模型可預(yù)測(cè)新型墻體材料的凍融循環(huán)壽命,為新型墻體材料的凍融損傷計(jì)算提供依據(jù),為維護(hù)部門提供決策依據(jù),降低失效風(fēng)險(xiǎn)。本文作者結(jié)合新型墻體材料凍融損傷失效過程的試驗(yàn)研究,采用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型,描述新型墻體材料的單一因素凍融損傷失效過程,獲得了新型墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型,在理論上提出凍融損傷速度和凍融損傷加速度的概念,最后探討了新型墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型在耐久性壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用問題。1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)墻體材料選用北方普遍采用的混凝土小型空心砌塊、混凝土多孔磚、廢渣混凝土多孔磚、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、蒸壓粉煤灰磚和黏土燒結(jié)普通磚?？箖鲂栽囼?yàn)參照GB/T4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。取樣品10塊,其中5塊凍融試件浸入10~20℃的水池中,水面高出試件20mm以上,試件間距不小于20mm,另外5塊試件作對(duì)比。凍融試件在水中浸泡4d后取出,用濕布拭干內(nèi)外表面,立即稱量飽和面干狀態(tài)下的質(zhì)量,精確至0.05kg。將5塊凍融試件放入預(yù)先降至-15℃的冷庫(kù)中,間距大于20mm,當(dāng)溫度再次降至-15℃時(shí)開始計(jì)時(shí),冷凍4h后取出,再置于水溫為10~20℃的水中融化2h。將凍融循環(huán)數(shù)規(guī)定為25,50和75次,達(dá)到規(guī)定循環(huán)數(shù)后,將試件從水中取出,拭干表面后,稱量?jī)龊箫柡兔娓蔂顟B(tài)質(zhì)量,精確至0.05kg,靜置24h后,與對(duì)比試樣一起抹面,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。計(jì)算質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率,精確至0.1%。2凝土多孔磚的質(zhì)量損失率將6種新型墻體材料和普通燒結(jié)磚在凍融循環(huán)條件下質(zhì)量損失率與循環(huán)數(shù)的關(guān)系以及強(qiáng)度損失率與循環(huán)數(shù)的關(guān)系見圖1和2。從圖1可以看出:隨著凍融次數(shù)的增加,普通混凝土砌塊、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、混凝土多孔磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率的變化相近,而廢渣混凝土多孔磚和蒸壓粉煤灰磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率相差較大。從圖2可以看出:隨著凍融次數(shù)的增加,普通混凝土砌塊、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、混凝土多孔磚、蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度損失率與普通燒結(jié)磚的強(qiáng)度損失率的變化相近,而廢渣混凝土多孔磚的強(qiáng)度損失率與普通燒結(jié)磚的強(qiáng)度損失率相差較大。并且,廢渣混凝土多孔磚、混凝土多孔磚、普通混凝土砌塊和混凝土實(shí)心磚的曲線是下拋型,即隨著循環(huán)次數(shù)的增加,強(qiáng)度損失率變化越趨于緩和;煤矸石燒結(jié)磚、蒸壓粉煤灰磚和燒結(jié)普通磚的曲線是上拋型,即隨著循環(huán)數(shù)的增加,強(qiáng)度損失率變化越大。3新型墻體材料凍融損傷規(guī)律為了分析新型墻體材料的凍融損傷效應(yīng),根據(jù)損傷力學(xué)的原理,采用Brown等建議的損傷因子:式中:σD為以強(qiáng)度損失為變量的新型墻體材料損傷變量;Dm為以質(zhì)量損失為變量的新型墻體材料損傷變量;σr為新型墻體材料的強(qiáng)度損失率;mr為新型墻體材料的質(zhì)量損失率。通過對(duì)這些曲線的分析研究,發(fā)現(xiàn)這些曲線主要為拋物線型。本文以凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例,采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型引出新型墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型,來描述新型墻體材料的凍融損傷規(guī)律?；貧w分析模型可以用一元二次多項(xiàng)式描述新型墻體材料的質(zhì)量損失率mr或強(qiáng)度損失率σr與凍融循環(huán)數(shù)N之間的拋物線關(guān)系:式中:a,b,c和d為待定的相關(guān)系數(shù)。7組墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型中的凍融損傷參數(shù)見表1。從表1中可以得出:SigF<0.05,表明回歸極顯著。4凍融循環(huán)時(shí)變可靠度計(jì)算新型墻體材料在使用期內(nèi),隨著時(shí)間的推移,凍融循環(huán)后的可靠指標(biāo)在逐漸變化,以強(qiáng)度損失率為基本變量,建立新型墻體材料凍融循環(huán)時(shí)變計(jì)算模型為:式中:σr0為強(qiáng)度損失剩余率,規(guī)范值為0.8;t為時(shí)間,a;Nt為每年的凍融循環(huán)數(shù)變量。其中,每年的凍融循環(huán)次數(shù)可到氣象部門進(jìn)行統(tǒng)計(jì),根據(jù)30a的凍融循環(huán)數(shù),進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,每年的凍融循環(huán)數(shù)的分布類型,以及平均值和變異系數(shù)。在這里,由于缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)資料,為便于分析說明,假定Nt服從正態(tài)分布,平均值和變異系數(shù)為5和0.1。因此,由式(5)得到動(dòng)態(tài)可靠指標(biāo),可表示為:式中:μσr(t)和σσr(t)分別為時(shí)變強(qiáng)度損失率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)基本變量不是正態(tài)分布時(shí),應(yīng)首先將其當(dāng)量正態(tài)化。以混凝土實(shí)心磚為例,因此,建立混凝土實(shí)心磚凍融循環(huán)時(shí)變可靠度計(jì)算模型:約束條件:式中:x1為Nt轉(zhuǎn)換的獨(dú)立正態(tài)隨機(jī)變量;t為時(shí)間,a。計(jì)算結(jié)果見圖3。由圖3可知:隨著時(shí)間的推移,混凝土實(shí)心磚的凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)逐漸變小,變化趨勢(shì)呈拋物線型。表2所示為既有構(gòu)件鑒定等級(jí)與要求的可靠指標(biāo)關(guān)系。通過時(shí)變可靠度的計(jì)算,根據(jù)表2可判定在某一時(shí)段內(nèi),該混凝土實(shí)心磚砌筑的構(gòu)件需要進(jìn)行維護(hù),該計(jì)算方法可為維護(hù)部門提供決策依據(jù),降低失效風(fēng)險(xiǎn)。圖3中新型墻體材料在凍融情況下,滿足可靠指標(biāo)的使用壽命遠(yuǎn)低于合理使用年限,作者認(rèn)為實(shí)際中,墻體材料外圍還有相關(guān)保護(hù)層,在實(shí)驗(yàn)中墻體材料沒有外保溫措施,直接進(jìn)行凍融循環(huán)。5新型墻體材料凍融損傷時(shí)變可靠度的變化(1)隨著凍融數(shù)的增加,普通混凝土砌塊、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、混凝土多孔磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率的變化相近,而廢渣混凝土多孔磚和蒸壓粉煤灰磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率相差較大。同時(shí),廢渣混凝土多孔磚、混凝土多孔磚、普通混凝土砌塊和混凝土實(shí)心磚的強(qiáng)度損失曲線是下拋型,即隨著循環(huán)數(shù)的增加,強(qiáng)度損失率變化越趨于緩和;煤矸石燒結(jié)磚、蒸壓粉煤灰磚和燒結(jié)普通磚的曲線是上拋型,即隨著循環(huán)數(shù)的增加,強(qiáng)度損失率變化越大。(2)結(jié)合新型墻體材料凍融損傷失效過程,建立了新型墻體材料的凍融損傷時(shí)變可靠度計(jì)算模型,以混凝土實(shí)心磚為例,隨著時(shí)間的推移,混凝土實(shí)心磚的凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)逐漸變小,變化趨勢(shì)