連續變溫下早齡期混凝土應變時變規律試驗研究

秦 煜，劉來君，支喜蘭，張柳煜

（長安大學a.公路學院；b.特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064）

混凝土橋梁構件早期開裂一直是業內關注的重要問題。受到自身或外界約束時，早齡期混凝土應變（由水化反應、收縮等內因和環境溫度、濕度等外因產生）會產生應力，從而導致混凝土開裂，進而影響橋梁結構的耐久性，甚至安全性。現澆混凝土橋梁構件早期開裂現象尤為多見。

早齡期混凝土應變問題已有較多研究成果。Aitcin等提出混凝土自收縮主要發生在初凝至1d齡期內，之后自收縮增加速率趨于緩慢[1]。Nassif等認為對于非常低的w／c＋p，粉煤灰輕集料提高了混凝土自收縮性能[2]。高小建等認為其他配合比參數不變時混凝土早期自收縮與水灰質量比的關系近似成二次方程[3]。張武滿和孫偉[4]指出高性能混凝土早期自收縮隨測試時間、砂率和針片狀骨料含量的增加而增大，隨骨料最大粒徑的增大而減小。已有研究工作主要集中在混凝土早期收縮的影響因素[1，3－6]、收縮試驗 研 究[7－8]、各種混凝土早齡期收縮特性[9－11]等。但早齡期混凝土在大氣溫度下應變隨時間變化的試驗研究尚未見報道。

通過早齡期混凝土應變隨溫度、時間變化的模擬試驗，采集混凝土試件應變及重量變化數據，分析不同配合比混凝土在溫度影響下的應變差異，探討在日氣溫連續變化影響下早齡期混凝土應變隨時間變化的規律。

1 試驗方案設計

試驗目的：通過中國北方（指淮河、秦嶺和昆侖山以北的廣大區域[12]）7月份日氣溫變化模擬環境下的應變試驗，得出早齡期混凝土在日氣溫連續變化影響下的應變時變規律。受氣候影響，夏季是中國北方橋梁施工的主要季節。故選取7月作為模擬試驗的時間點。

試驗流程：

1）制作2組（每組6個）不同配合比的混凝土試件，規格尺寸為100mm×100mm×400mm。

3）環境箱內溫度設為18.5℃，在試件移入之前預熱1h。待試件移入后，保持環境箱內恒溫18.5℃。恒溫1h之后，確定位移傳感器初始值，開始模擬環境下的應變試驗。

4）環境箱內溫度隨時間變化歷程安排見表1，升溫（降溫）速率恒定為±1.4℃／h。一個完整的溫度變化歷程為T0～T12，共計24h。

表1 溫度隨時間變化歷程

1951—2000年間中國北方[12－13]7月平均日最高氣溫35℃，平均日最低氣溫18.5℃；夏季（6－8月）平均最高氣溫28.9℃，平均最低氣溫17.4℃。中國北方夏季（6－8月）日最低氣溫與最高氣溫出現時間之間相差10～12h，試驗取12h。

5）環境箱內溫度、試件應變數據采集周期為2min。應變數據采集持續2個歷程，共計48h。在試驗開始前、第1個24h結束、第2個24h結束等3個時間點，采集試件重量數據。

2 試驗材料及方法

2.1 原材料及配合比

水泥，采用陜西秦嶺水泥廠生產的“秦嶺”牌P.042.5普通硅酸鹽水泥。細集料，采用乳山市徐家村砂場的中砂。粗集料，采用煙臺市利龍石子廠的石灰巖碎石。減水劑，采用徐州市超力建筑材料有限公司生產的CUF-3引氣緩凝高效減水劑。混凝土試件的配合比見表2。

表2 混凝土試件配合比

2.2 試驗儀器及方法

試驗儀器為長安大學公路學院支喜蘭教授和胡宗文自主研制的“材料收縮變形測試儀”，如圖1所示。

圖1 材料收縮變形測試儀

材料收縮變形測試儀由：（1）環境箱（1為圖中編號，下同）、（2）套管、（3）溫度傳感器、（4）傳導桿、（5）膠木墊、（6）位移傳感器支架、（7）套管、（8）位移傳感器、（9）保溫層、（10）冷凝管、（11）玻璃墊板、（12）試件支架、（13）支架、（14）壓縮機管、（15）打印機、（16）工業控制計算機、（17）A／D轉換器、（18）壓縮機、（19）減震墊、（20）橫梁、（21）稱重傳感器、（22）加熱帶、（23）試件、（24）風扇聯接構成。

回望來路，不改初心；牢記使命，不負重托。改革開放40年來，云南舉全省之力，守護“山水林田湖草”生命共同體，呵護青山綠水，藍天白云，努力爭當全國生態文明建設排頭兵。

環境箱的上頂面安裝有6個位移傳感器支架，每個支架上配置一個通過導線與A／D轉換器相連接的位移傳感器。其型號為WYD，位移測試分辨率達到萬分之3，精度為0.1μm，可確保測試結果的精度。位移傳感器將接收到的位移信號轉換成電信號輸出到A／D轉換器，后者將輸入的電信號轉換成數字信號輸出到工業控制計算機。

環境箱底面的橫梁固定在支架上。橫梁上用螺紋緊固聯接件安裝有6個稱重傳感器，型號為BK－5系列。稱重傳感器通過導線與A／D轉換器相連接。

3 試驗結果分析

3.1 收縮應變分析

圖2為以t1為零點的24h內，A、B 2組試件應變隨溫度、時間的變化。試件放入養生室時間設為t0，時刻t1＝t0＋9h（8h養生＋1h恒溫），t2＝t1＋24h。圖中應變數據為每組6個試件應變的算術平均值。膨脹應變為正值，收縮應變為負值。圖3為以t2為零點的24h內，A、B 2組試件應變隨溫度、時間的變化。

圖2 時刻t1為起點的試件應變

由圖2—3可見，第1個24h內的收縮應變大于第2個24h，但膨脹應變小于后者。這是因為隨著齡期增長（水泥水化程度提高），混凝土中孔隙率減小，相同環境溫度影響下混凝土的收縮應變減小、膨脹應變增大。

18.5 ～35℃升溫過程中（即0～12h之間），混凝土應變整體呈膨脹走勢，但出現數次膨脹收縮交替變化，其中有2次劇烈收縮的應變差值（即1次劇烈收縮的應變變化幅度）可達600×10－6以上，見圖4。35～18.5℃降溫過程中（即12～24h之間），混凝土應變整體呈收縮走勢，并伴隨著幅度較小的膨脹收縮交替且頻次較高，但仍會出現較為劇烈的收縮，其應變差值可達500×10－6以上，見圖5。這主要是因為：1）混凝土內部溫度對環境溫度的響應過程為具有一定滯后性的熱傳導過程。2）混凝土中毛細孔水、吸附水、層間水散失引起的干燥收縮。而且環境溫度升高將導致混凝土干燥收縮增大。因為溫度越高，水泥石中托勃莫來石凝膠的層間水失去越多，水泥石收縮越大。3）混凝土中干燥收縮與溫度的擴散速度不同。溫度擴散速度比干縮擴散要快大約1000倍。

圖3 時刻t2為起點的試件應變

圖4 升溫過程中劇烈收縮應變

圖5 降溫過程中劇烈收縮應變

圖2—3顯示，混凝土并非在35℃（即溫度最高點）膨脹應變達到最大，而是在最高溫度過后約1h。在膨脹應變達到最大值后，將會出現降溫過程中的第1次劇烈收縮。混凝土內部溫度對環境溫度是具有一定滯后性的熱傳導響應過程。響應過程取決于兩個方面：1）作為驅動力的混凝土內外溫差或溫度梯度；2）表征混凝土熱物性的導熱系數或導溫系數的大小。試驗環境箱內升降溫速率恒定，所以較低的導熱系數導致混凝土內部溫度對環境溫度的滯后響應。

同時應注意到，在整個試驗過程中，混凝土應變增加或減小的變化速率大致相同。這是受到試驗環境箱內恒定升降溫速率的影響。出現應變變化速率不相同的原因可能是環境箱內溫度變化速率與混凝土中溫度擴散速度的差值發生變化（水分散失等引起），從而混凝土內外溫度梯度產生變化，導致應變變化速率改變。

3.2 混凝土重量變化

表3為各階段試件的平均重量。w0為試驗開始前各組試件重量的平均值。w1為t1＋24h時刻各組試件重量的平均值。w2為t2＋24h時刻各組試件重量的平均值。由Δ1、Δ2可知，混凝土試件重量減小。這是由于混凝土中的水和環境空氣處于某一平衡狀態，如果周圍介質空氣的濕度降低或溫度升高，混凝土就會發生水分散失。存在于硬化水泥漿體中的水包括毛細孔水、吸附水、層間水和化學結合水。除化學結合水存在于水化反應的水化物晶體中不可散失外，其余3種水在環境濕度低于一定值時都可散失。

表3 試件混凝土重量 kg

表4為2組混凝土試件的重量變化率。可見，隨著齡期增長，重量變化率減小。第1個24h的混凝土重量變化率大約是第2個24h的2倍。在相對濕度較大或濕混凝土開始干燥時，混凝土重量變化由毛細管水散失引起；在相對濕度較小時，重量變化是由于先后散失了吸附水和層間水。毛細管水與固相的聯系力很小，吸附水、層間水與水泥石固相之間是物理吸附作用。所以隨著混凝土不斷干燥及水分散失難度增大，混凝土重量變化率會逐漸減小。

同時可看到，A組試件重量變化率小于水灰比相對較大的B組試件。這是因為水灰比小的混凝土微觀結構密實、毛細孔平均孔徑小，不易與環境進行水分交換，水分散失難度較大。

表4 混凝土重量變化率

3.3 配合比的影響

由圖2—3可見，相同水用量、砂率、減水劑摻量，不同水灰比的混凝土，應變隨溫度、時間變化規律基本相同。表5為2組試件應變的算術平均值。可見，水灰比越小，收縮應變越大、膨脹應變越小。這是因為水灰比較小的混凝土微觀結構致密，平均孔徑小；毛細孔徑越小，內部相對濕度迅速降低，從而產生越大的應力和收縮。

表5 應變的算術平均值

表6為2組試件之間最大應變差值。εA、εB分別為A組、B組試件的應變。在溫度最高點附近，不同水灰比混凝土之間的膨脹應變差值達到最大。在之后出現的降溫過程中第1次劇烈收縮時，收縮應變差值達到最大。因為水灰比是影響早齡期混凝土應變的重要因素。用水量對混凝土收縮的影響比水泥用量更大。在用水量一定的條件下，混凝土干縮隨水泥用量的增加而增大，但增大幅度較小。

表6 最大應變差值

4 結 論

1）在3d齡期內，日氣溫變化影響下，混凝土多次出現量級達100×10－6的劇烈收縮。以中國北方7月典型日氣溫（18.5℃～35℃）變化影響為例，劇烈收縮至少出現4次，應變差值可達600×10－6以上。

2）隨齡期增長，混凝土重量變化率明顯減小。僅水灰比不同的2種混凝土，其應變隨溫度、時間變化的規律基本相同。但不同水灰比混凝土之間的膨脹應變差值達100×10－6以上，收縮應變差值達200×10－6以上。

3）在受到自身或外界約束時，劇烈收縮應變將會產生極易使混凝土開裂的應力。為減少混凝土橋梁構件早期開裂，應高度重視日氣溫變化對早齡期混凝土應變的巨大影響。

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