結構混凝土早齡期約束受拉徐變的試驗方法設計

高森,柳獻,2,袁勇,2,侯景鵬

(1.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092;2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092;3.東北電力學院建筑工程系,吉林吉林 132012)

0 引言

在我國,雖然隧道建設和使用的歷史并不長,但是已經出現了隧道結構耐久性不足的狀況,致使這些隧道提前展開大修或者修建替代設施以便減輕這些隧道的交通壓力。由于其深埋于土中,所處環境十分惡劣,侵蝕性地下水的滲漏、隧管內有害氣體的侵蝕,均會導致隧道襯砌結構混凝土腐蝕及鋼筋銹蝕等多種病害產生[1]。在影響耐久性的因素中,裂縫起著主要的作用[2]。現澆混凝土結構普遍存在影響其性能的早期變形裂縫問題。混凝土早齡期開裂通常是由于體積變化受到約束后,產生的內應力超過其當時齡期的抗拉強度所致[3]。混凝土早齡期的收縮與徐變是影響其開裂及性能退化的主要因素,一方面,約束構件的收縮將引起約束應力,使構件產生開裂的趨勢;同時,徐變作為一種應力松弛的力學性質,可以在一定程度上,緩解由于收縮產生的應力大小,即徐變在緩解拉應力、延緩開裂方面起著重要作用[4-5]。因此,在評估早齡期混凝土開裂風險時,只考慮收縮的作用是極其錯誤的。如何定量地評價徐變對混凝土早期約束應力的緩解作用,并將此作用指導于設計,對理論分析、結構設計以及建筑施工都有著重要的意義。

目前對于硬化后混凝土的受壓徐變研究較為成熟,但對于早齡期的徐變問題研究較少,特別針對受拉徐變的關注甚少。目前對于混凝土拉伸徐變的測試方法主要有直接拉伸試驗與約束收縮試驗2種。相對于傳統的直接拉伸方法,約束收縮試驗更接近于構件實際的應力發展過程,近年來也越來越受到人們的關注。關于混凝土早期約束收縮試驗的研究,大致有3種方法:環型約束試驗、板式約束試驗及軸向約束試驗[6]。環型約束和板式約束都屬于被動約束,它們都存在約束程度不直觀、理論分析困難的問題。相對而言,軸向約束試驗是較為理想的試驗手段,其力學概念和物理意義清晰明確,約束程度可控可調,可以實現約束度為100%的完全約束[7-8]。但對試驗設備要求較高,測試系統和控制系統應有較高的精度和自動化水平。軸向主動控制約束試驗裝置最早于20世紀80年代末由德國慕尼黑工業大學的Springenschmid教授研制成功,取名TSTM(Thermal Stress Test Machine),用于混凝土的溫度變形和應力問題的研究;后來以色列Technion工業學院的Kovler[7]、Bloom和Bentur[9],美國的Illinois大學的David Lange等人不斷的對該試驗裝置進行改進,相繼研制出類似的約束變形試驗裝置,并采用此類試驗裝置進行了素混凝土試件的早期約束收縮的試驗研究。國內清華大學土木工程系覃維祖[10]教授開發了國內第一套溫度-應力測試系統,實現了對混凝土早期約束應力和拉伸徐變的測試研究。本文將偏重于軸向約束的試驗方法,借鑒國外的TSTM試驗機,設計可用于測試混凝土早齡期拉伸徐變的框架系統,最后通過試驗驗證該試驗系統的可靠性。

1 試驗設計

1.1 試驗原理

所謂完全約束收縮試驗是指試件在約束條件下,長度保持不變,即試件的約束端位移為0。但在實際的試驗中,完全限制試件的變形是很難達到的,這要求約束端的剛度要遠遠大于試件的剛度,這對于試驗框架系統來說,既不經濟,也不可靠;所以,通常采用的試驗手段是通過外加荷載進行長度補償。具體來講是當試件的變形達到某一閾值時,通過施加外部荷載的方法,使試件恢復到變形前的長度。在這種方法中,雖然試件的位移無法一直保持為0,但其變化始終是在設定好的很小的一個范圍內,可以近似模擬構件在完全約束狀態下的力學路徑。同時,由于試驗被分割成一個個長度補償過程,荷載的增加只發生在補償開始的時刻,在每次循環中,該級荷載保持不變,這將大大減小控制的難度。

在試驗過程中,由于混凝土的收縮以及剛度的增大,約束荷載也將逐級加大,構件將經歷初始狀態—收縮—加載—拉回至初始位置—在作用荷載下收縮—再加載的往復過程。系統將記錄下試件經歷的循環次數(循環次數n×閾值,即為構件實際發生的彈性拉伸變形)及荷載情況,由此經過計算即可求得試件在完全約束情況下的拉伸徐變量。

在計算時,通過比較自由收縮與約束收縮試驗的結果,可以將拉伸徐變從收縮曲線中分離出來,這對于混凝土早齡期材料性能的確定十分重要。圖1反映了如何通過自由收縮與約束收縮曲線計算拉伸徐變的方法。試件的自由收縮將通過自由收縮試驗獲得,而在約束收縮試驗中,由于荷載的作用,試件經歷了一系列的循環過程,而每次循環又包括了收縮、徐變以及由荷載產生的彈性應變;因此,任意時刻累計的彈性變形值都等于該時刻收縮與徐變的累加。當同時測得自由收縮的大小后,徐變便可通過計算得出

式中:ε(t)為總應變;εe(t)為累積的彈性應變;εc(t)為徐變量;εsh(t)為自由收縮量。試驗中,混凝土的收縮量 εsh(t)將通過自由收縮試驗測得,彈性變形 εe(t)是試件在試驗過程中累積的拉伸變形,通過主動約束試驗裝置中的LVDT測得。當同時獲得了自由收縮變形與彈性變形,即可計算出任意時刻的徐變量 εc(t)。

圖1 試驗原理示意圖Fig.1 Test principle

1.2 試驗要求

1.2.1控制系統

在本試驗研究中,需要通過程序對試驗的硬件系統進行控制,以實現試驗原理中的力學路徑。該控制系統的工作原理為:啟動電機,開泵,讓混凝土自由收縮到10μm的預置點,測量這段時間內的位移和力的變化,并將采集到的模擬量經AD轉換后發送到計算機顯示保存。然后由單片機控制電液伺服閥的輸入電壓從而控制閥芯的開口度,讓作動器把混凝土慢慢的拉回原點,這個過程為位移反饋控制。到達原點時,記錄此時的力,并保持這個力不變再讓混凝土收縮,同時采集位移和力一并發送到計算機顯示保存,此過程為力反饋控制。上述為1個工作循環,后續的實驗就是重復這樣的循環,直至達到預先設定的實驗次數才停止實驗。也就是要經歷位移反饋控制—力反饋控制—位移反饋控制—力反饋控制—系統控制及程序算法流程如圖2,3所示。

圖2 系統控制流程圖Fig.2 Flowchart of system control

圖3 程序算法流程圖Fig.3 Flowchart of program algorithm

在實際控制中,首先啟動程序進行工作:定時200 ms進行采樣,采集512次之后,進行濾波,濾波完進行數據判斷,若采集的數據在合理范圍,則進行控制,否則發出報警,停止工作。

然后進行控制如下:若混凝土收縮到10μm時,則將之慢慢拉回原點(根據采集到的位移值,進行PID控制,控制電液伺服閥的電壓,從而控制電液伺服閥的開口度),同時將采集的位移和力通過串口發送到PC機(VB界面)進行顯示和保存;若混凝土被拉回原點,則記錄此時的力,保持這個力不變(根據采集到的力的大小,進行PID控制,控制電液伺服閥的電壓,從而控制電液伺服閥的開口度),再讓混凝土慢慢收縮到10μm,同時將采集的位移和力通過串口發送到PC機(VB界面)進行顯示和保存。重復上述的動作,直到滿足次數才停止實驗。

1.2.2 剛度控制

框架系統的剛度對于試驗的成功與否至關重要,這是由于試件發生的位移十分微小,通常控制在10 μm以內,這使得對于約束框架本身的變形要求將十分嚴格。框架的剛度不可太小,否則框架的變形將影響到試件變形的量測,考慮到傳感器的測試精度,將框架的設計剛度取為試件實際剛度的10倍,基本符合試驗要求。

在實際制作中,框架主體的2根縱向約束桿和橫梁都采用Q235工字鋼I 25b,高強螺栓連接,局部焊接加強肋板,以增大剛度。設計中,需要對框架軸向的剛度進行驗算。框架的變形主要包括縱向桿的軸向變形,橫梁的彎曲變形和螺栓的連接變形3部分。相應的框架軸向整體剛度ks分別由縱桿的拉伸剛度ks1、橫梁的彎曲剛度ks2、以及連接螺栓的拉伸剛度ks33部分組成,3部分組成串連系統,系統的總剛度為

式中:ks1為縱向工字鋼的拉伸剛度,由縱向約束桿的長度Ls、彈性模量Es和橫截面積As確定

ks2按照橫梁受集中荷載作用計算,橫梁長度為l′,則彎曲剛度為

由于橫梁長度很小,并且橫梁工字鋼上又焊接加強肋以達到增加剛度減小彎曲變形的目的,ks2數值一般很大,和縱桿的軸向變形相比,彎曲變形基本可以忽略不計,在框架整體剛度分析中不予考慮。

高強螺栓預緊后也一般認為變形是可以忽略的,這樣ks3對整體剛度的影響也可忽略不計。

這樣,當約束混凝土試件截面尺寸(100×100)mm2,混凝土強度等級按C30設計時,約束框架和混凝土試件的軸向剛度比K為

由于早齡期試件的彈模和強度都較小,實際的軸向剛度比會更大。試件的變形閾值為10μm,根據剛度比,實際鋼架的變形在1μm左右,這與傳感器測量的精度大致相同,可以滿足試驗要求。試驗系統如圖4所示。

圖4 試驗系統示意圖Fig.4 Test system

1.2.3 采集系統及精度要求

在本試驗中,需要對構件的位移和約束荷載進行測量,并實現長期、自動采集。在測量工具上,將根據被測物理量可能的變化范圍進行選取;而在采集頻率上,將根據試驗的需要,通過程序進行調整。位移、荷載傳感器見圖5。

考慮到構件實際的變形范圍,軸向方向的收縮變形通過差動式位移傳感器LVDT測量。試件的變形閾值為10μm,LVDT采用高精度DA-2型,測量精度可達到1μm,即為測量值的10%,可以滿足試驗要求。荷載則通過做動頭端的力傳感器測量,其精度可達到50 N。混凝土早期約束應力發展的限值在2～3 MPa,傳感器的精度可以滿足測量要求。

在試驗數據采集方面,系統可以調整的采集頻率最大為20次/s,考慮到構件實際的補償過程最短經歷的時間將不小于3 min,在實際采集過程中,將頻率調整為1次/s,即可滿足試驗的精度要求,又可減小處理數據的工作量。

圖5 位移、荷載傳感器Fig.5 Displacement and load sensors

1.3 試驗方法與步驟

試驗的總體思路為:對2根端部放大的狗骨型試件進行測試,1根進行主動約束收縮試驗,測試其約束應力的發展及累計的彈性變形情況;1根進行自由收縮試驗,測試其在無約束情況下的自由變形情況,如圖6所示。

2根試件均水平放置,試件長度為1 000 mm,截面大小100mm×100mm。約束試件直接澆注在主動約束框架上,一端固定,另一端與可移動的做動頭相連。當試件養護至設計齡期后,試驗開始,系統將按照程序設置自動控制并采集試驗數據,具體方法如下:

1)調整試驗臺,開啟程序,將做動頭移動至指定位置,檢查系統工作是否正常;

圖6 試驗總體示意圖Fig.6 Sketch of testing

2)架設模板,鋪設減磨材料,同時開啟溫濕度控制裝置,將試驗環境調整至預定狀態;

3)澆注混凝土,同時松開做動頭,防止試驗前端部約束使構件破壞;

4)養護至相同齡期拆模,架設傳感器,同時旋緊做動頭;

5)啟動程序,開啟油泵,待油壓達到設定位置,進入試驗臺調整階段;

6)調整做動頭位置,以使構件初始應力狀態為0;

7)當構件初始應力狀態滿足要求后,開始試驗。自由收縮試驗與主動約束收縮試驗同時開始,系統控制并自動采集試驗數據;

8)到達試驗設計齡期后,終止試驗。

2 試驗驗證與討論

2.1 原材料和試驗配合比

試驗用C30普通混凝土的配合比見表1。水泥采用海螺牌P?O42.5水泥;細骨料用河沙,含水率2.4%～4.0%,配合比設計時要扣除砂中含水的影響;粗骨料用碎石,其中,粒徑為5～30 mm的石子占75%,粒徑為5～10mm的石子占25%;拌合水采用自來水。混凝土用0.5m3容量的強制式攪拌機攪拌。

表1 普通混凝土C30的配合比Table 1 Mixing ratio of ordinary C30concrete

2.2 試件制作及養護

試驗在溫度為(20±3)℃,相對濕度為60%±5%的條件下進行養護。試件澆注完成后,養護18 h后拆模,開始試驗。試驗測得的收縮變形既包括混凝土的自收縮(即和外界無濕度交換條件下的收縮),也包括干燥收縮和溫度變形。由于截面尺寸很小,內部溫度變化不大,溫度變形數值較小,本試驗將忽略此影響。為保證數據對比的可靠性,自由收縮試驗與約束收縮試驗將同時開始,并同時結束。

2.3 自由收縮

實測試件的自由收縮應變實際上包括了混凝土干燥收縮和自收縮,圖7的曲線表示了配筋混凝土自由收縮應變隨齡期的變化。從試驗結果可以看出:混凝土澆注成型后40 h內收縮發展極為迅速,可完成7 d齡期內收縮的60%以上。40h后,收縮的速率開始減慢。

2.4 約束應力發展

約束收縮試件的軸向拉應力如圖8所示,隨著齡期的增長,約束應力逐漸增長。試驗初期,約束應力發展迅速,當齡期達到40h后,應力發展速率逐漸減緩。

2.5 混凝土的拉伸徐變

根據試驗測得的應變增量和自由收縮應變的大小,可以計算求得不同齡期時受拉徐變的大小,如圖9所示。

圖7 自由收縮應變曲線Fig.7 Free shrinkage stress of concrete

圖8 約束應力圖Fig.8 Restraint stress of concrete

圖9 拉伸徐變Fig.9 Tensile creep of concrete

從試驗測得徐變發展來看,與收縮的發展相似,前2d齡期內發展十分迅速,近似呈1條直線。2d之后,曲線逐漸變緩。

3 結論

1)設計開發了一套可用于測試混凝土早齡期拉伸徐變的試驗框架,研制適用于荷載、位移、應變、溫度、濕度等多源多物理量數據采集系統,實現了對約束狀態下混凝土的拉伸應力發展的實時監測。

2)實現了對混凝土早齡期約束應力及拉伸徐變的定量分析,試驗測試結果與國內外學者的研究成果基本吻合。

3)進一步開發適用于各約束度下的約束收縮試驗,測試不同約束程度下混凝土早齡期約束應力及拉伸徐變的發展規律,對于指導實際工程的設計及施工具有更為現實的意義。

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