混凝土早齡期拉伸徐變影響因素敏感性分析

汪倫焰，郭 磊，郭利霞

（華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450011）

徐變是影響混凝土早期開裂的主要性能之一.自Hatt［1］于1907年發(fā)現(xiàn)混凝土的徐變現(xiàn)象以來，眾多學(xué)者做了大量的試驗、理論和數(shù)值分析，取得了大量研究成果［2－5］.但大多數(shù)研究集中于硬化后的混凝土壓縮徐變，所得結(jié)論也只適用于壓應(yīng)力作用下的混凝土結(jié)構(gòu)，以至于目前在設(shè)計和工程應(yīng)用中通常認(rèn)為混凝土的拉伸徐變與壓縮徐變相同，而關(guān)于拉伸條件下徐變性能的研究較少.因此，進(jìn)行拉伸徐變試驗及其影響因素研究是十分必要的.

本文采用改進(jìn)的早齡期混凝土拉伸徐變試驗裝置，考察水灰比、粉煤灰摻量、磨細(xì)礦渣摻量及硅粉摻量等對混凝土早齡期拉伸徐變的影響規(guī)律并進(jìn)行這些影響因素的敏感性分析，確定出主要和次要影響因素，以便為混凝土性能試驗優(yōu)化設(shè)計、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 敏感性分析方法

敏感性分析是有關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種分析方法［6］，一般是指因素對特性的影響程度分析，在分析過程中，可令其余各因素取基準(zhǔn)值且固定不變，而令考察因素ri在其可能的范圍內(nèi)變動，考察特性P 表現(xiàn)出的變化.若ri的微小變化引起P 的較大變化，則P 對ri很敏感，此時的ri為高敏感因素；若ri的較大變化僅引起P 的較小變化，則ri為低敏感因素.上述描述可對不同的因素進(jìn)行敏感性比較.

敏感性分析的核心就是通過對模型特性進(jìn)行分析，得到各屬性敏感度因子的大小.在實際應(yīng)用中根據(jù)經(jīng)驗去掉敏感度很低的因素，重點考慮敏感度因子較大的因素，可以大大降低模型的復(fù)雜度，減少數(shù)據(jù)分析處理的工作量，在很大程度上提高模型的精度，同時研究人員可利用各因素敏感度因子的排序結(jié)果，解決相應(yīng)的問題.

敏感性分析方法有很多種，本文參考文獻(xiàn)［7］，定義敏感度因子為：

式中：M（ri）為因素ri的敏感度因子；S＊為基準(zhǔn)因素集對應(yīng)的徐變度；Sr，max為徐變度在因素ri變化范圍內(nèi)的最大值，Sr，min為徐變度在因素ri變化范圍內(nèi)的最小值.敏感度因子越大表示該因素對徐變特性影響越大，反之則表示該因素對徐變特性影響越小.

2 徐變影響試驗分析

2.1 拉伸徐變試驗

參照GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》以及GB／T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，基準(zhǔn)混凝土試件（RC）水膠比（質(zhì)量比，下同）為0.40，保持水膠比不變，分別按照所考察的影響因素設(shè)計配合比，見表1.表1中，粉煤灰等質(zhì)量取代水泥10%，20%，30%，40%的試件分別用FA10，F(xiàn)A20，F(xiàn)A30，F(xiàn)A40表示；磨細(xì)礦渣等質(zhì)量取代水泥10%，20%，30%，50%的試件分別用GGBS10，GGBS20，GGBS30，GGBS50表示；硅粉等質(zhì)量取代水泥5%，10%，15%，20%的試件分別用SF5，SF10，SF15，SF20表示；在考察水灰比（質(zhì)量比，下同）的影響時則是保持骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，分別用水灰比為0.30，0.35，0.45，0.50 的試 件WC4，WC3，WC2，WC1與水灰比為0.40的基準(zhǔn)混凝土試件RC進(jìn)行對比試驗分析；考慮到目前混凝土正常施工需要，坍落度采用減水劑進(jìn)行控制.

表1 混凝土的配合比Table 1 Experimental mix proportion of concrete

制備的混凝土試件為狗骨形（見圖1），每組試件4個，其中2個用于測定徐變，另外2個用于測定自由變形（主要為溫度變形和自由收縮變形）.試件成型20～24h后拆模，拆模后試件立即用鋁箔密封以防止水分散失.測定自由變形的試件自齡期24h開始由數(shù)顯千分表測量.拉伸徐變試件采用端部約束的試驗方式，試驗設(shè)備見圖1.

2.2 結(jié)果分析

混凝土徐變通常以不同持載時間的徐變度表示，公式為：

圖1 混凝土拉伸徐變的試驗裝置Fig.1 Experimental equipment for concrete tensile creep test（size：mm）

式中：S（t，τ）是混凝土在t時刻加載，加載齡期為τ的徐變度（1／MPa）；εc是混凝土與外界沒有水分交換的基本徐變，完全約束徐變試驗的約束端位移為0，即自由變形、彈性變形和徐變之和為0，按文獻(xiàn)［4］來獲取該基本徐變；σ為加載應(yīng)力（MPa）.

2.2.1 水灰比對混凝土徐變的影響

圖2為不同水灰比下的混凝土徐變度，可以看出，隨加載齡期τ 的增長，混凝土徐變度S 逐漸增大，且趨于穩(wěn)定.在水灰比0.30～0.50范圍內(nèi)，混凝土徐變度與水灰比基本呈正相關(guān)性，即水灰比越大，混凝土徐變度越大.但是基準(zhǔn)混凝土RC（水灰比為0.40）的徐變度是最大的，這可能是受減水劑作用影響.該結(jié)論與Altoubat等［8］的研究結(jié)論基本吻合，說明該試驗結(jié)論合理.關(guān)于減水劑的影響需要根據(jù)混凝土施工要求進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究.

圖2 不同水灰比下混凝土的徐變度Fig.2 Tensile creep in different loading ages of concrete with different water－cement ratios

2.2.2 磨細(xì)礦渣摻量對混凝土徐變的影響

不同磨細(xì)礦渣摻量的混凝土徐變度隨加載齡期的變化規(guī)律見圖3.由圖3可見，摻有磨細(xì)礦渣的混凝土試件徐變發(fā)展規(guī)律與基準(zhǔn)混凝土試件基本一致，加載2d內(nèi)其徐變增長較快，之后雖然有稍許浮動，但總體增速變緩，均出現(xiàn)了收斂的趨勢.試件GGBS10，GGBS20，GGBS30的τ－S 曲線比較接近，且均在基準(zhǔn)混凝土的τ－S 曲線之下，而試件GGBS50的τ－S 曲線則更加偏離基準(zhǔn)混凝土的τ－S 曲線，說明該試件抵抗徐變能力較大.總之，混凝土徐變隨礦渣摻量的增大而減小，這與前人的研究成果相吻合［9－10］.

圖3 不同磨細(xì)礦渣摻量下混凝土的徐變度Fig.3 Tensile creep in different loading ages of concrete with different ground slag contents

2.2.3 粉煤灰摻量對混凝土徐變的影響

不同粉煤灰摻量的混凝土徐變度隨加載齡期的變化規(guī)律見圖4.由圖4可見，粉煤灰摻量為10%的試件FA10抵抗徐變的能力較基準(zhǔn)混凝土試件稍有改善但并不明顯；粉煤灰摻量為20%的試件FA20抵抗徐變的能力得到一些改善，加載3d時其徐變度為基準(zhǔn)混凝土試件徐變度的80%；粉煤灰摻量為30%的試件FA30抵抗徐變的能力得到大幅增加，加載3d時其徐變度為基準(zhǔn)混凝土試件的69%；粉煤灰摻量為40%的試件FA40抵抗徐變的能力增幅更大，加載3d 時其徐變度為基準(zhǔn)混凝土試件的62%.4條曲線都出現(xiàn)收斂趨勢，其中試件FA40的徐變度曲線最為平緩.上述結(jié)果表明，總體上粉煤灰對改善混凝土徐變性能有利，但其抑制徐變的程度與粉煤灰摻量有關(guān).產(chǎn)生這種規(guī)律的原因在于粉煤灰顆粒的彈性模量較高，可通過發(fā)揮“微集料效應(yīng)”來抑制混凝土的徐變［11］.

圖4 不同粉煤灰摻量下混凝土的徐變度Fig.4 Tensile creep in different loading ages of concrete with different fly ash contents

2.2.4 硅粉摻量對混凝土徐變的影響

Kovler等［12］和Pane 等［13］認(rèn)為，硅粉的顆粒細(xì)，活性高，表面積大，會導(dǎo)致水泥水化加快，加速水泥石孔隙中缺水與內(nèi)部相對濕度的降低，致使混凝土早齡期拉伸徐變增加.由圖5可見，摻有硅粉的混凝土試件早齡期徐變較基準(zhǔn)混凝土試件大，且增加量與硅粉摻量呈正相關(guān)性，加載3d內(nèi)其徐變增速較大，之后趨于緩慢.

圖5 不同硅粉摻量下混凝土的徐變度Fig.5 Tensile creep in different loading ages of concrete with different silica fume contents

3 影響因素敏感性分析

按照式（1）給出的敏感度因子定義，混凝土徐變度是隨持載時間發(fā)生變化的.但從試驗結(jié)果看出，混凝土徐變度在加載3d之后變化趨緩.為了減少誤差造成的影響，以加載3～7d的徐變度平均值作為分析對象，得到各因素在其變化范圍內(nèi)的敏感度因子，見表2.經(jīng)分析可知，在上述4個因素中，硅粉摻量對混凝土徐變影響最為敏感，其次是水灰比，磨細(xì)礦渣摻量和粉煤灰摻量對徐變影響相對較小.因此，在進(jìn)行試驗方案優(yōu)化或混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要對水灰比和硅粉摻量這2個因素加以注意，根據(jù)工程需要進(jìn)行設(shè)計，以使得混凝土徐變朝有利方向發(fā)展.

表2 混凝土徐變（加載3～7d）影響因素的敏感度因子Table 2 Sensitivity factor of impact factors of concrete tensile creep loaded in 3－7d

4 結(jié)語

（1）粉煤灰和磨細(xì)礦渣對混凝土早齡期拉伸徐變都有抑制作用，硅粉則使其拉伸徐變度增加，而水灰比基本與徐變度呈正相關(guān)性.

（2）通過對混凝土早齡期拉伸徐變影響因素的敏感性分析，可知影響其3～7d拉伸徐變的因素順序為硅粉摻量、水灰比、粉煤灰摻量和磨細(xì)礦渣摻量.這種分析方法同樣可用于其他參數(shù)的敏感性分析.

（3）混凝土徐變的影響因素很多，本文因條件有限，僅研究了4個常見因素對混凝土早齡期拉伸徐變的影響排序，在實際工程應(yīng)用中，有必要進(jìn)行更多因素的敏感性研究.

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