驟然降溫下混凝土板溫度自約束應(yīng)力的實驗研究

王仁振，汪泓吉，楊曉翔

(1.中國一冶集團有限公司，武漢 430070；2.新材料力學(xué)理論與應(yīng)用湖北省重點實驗室(武漢理工大學(xué))，武漢 430070)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)施或構(gòu)筑物不斷增多。混凝土由于其價廉物美、施工方便、承載力大、可裝飾等優(yōu)點，逐漸成為上述大型設(shè)施或構(gòu)筑物的重要組成部分，特別是水利水電工程建筑中，如渡槽等。混凝土為脆性材料，且在一些大體積的構(gòu)筑物中通常不配筋，因此在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)拉應(yīng)力或只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。而在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工及運行過程中，當外界環(huán)境溫度變化時，混凝土由于其較差的導(dǎo)熱性能，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均，進而發(fā)生變形。當該變形受到限制時會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力：受外界約束而產(chǎn)生的外約束溫度應(yīng)力[1-5]及材料內(nèi)部各質(zhì)點間相互約束產(chǎn)生的溫度自約束應(yīng)力[6,7]。研究表明溫度變化特別是驟然降溫時，混凝土表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂縫，表面裂縫在周而復(fù)始的溫度作用下將不斷延伸，這將直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能及使用壽命。因此控制溫度應(yīng)力、防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[8,9]是提高混凝土耐久性的可靠途徑之一。

目前對于混凝土溫度應(yīng)力的研究以理論和數(shù)值模擬為主[10,11]，而驟然降溫下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可忽視的溫度自約束應(yīng)力的理論與實驗測試研究較少。因此，該文以混凝土平板為例，通過改變其單面環(huán)境溫度，詳細分析了驟然降溫時混凝土溫度自約束應(yīng)力的產(chǎn)生機理，并設(shè)計兩步法實驗方案，開展混凝土板溫度自約束應(yīng)力實驗研究，考察不同降溫速率對混凝土溫度場及應(yīng)力場的影響，分析其分布規(guī)律，為采用數(shù)值模擬方法計算混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力提供驗證依據(jù)。

1 混凝土溫度自約束應(yīng)力產(chǎn)生機理及測試方法

ε約束=ε總-ε自由

(1)

自由收縮應(yīng)變不會引起應(yīng)力，要計算混凝土溫度自約束應(yīng)力，則需知道混凝土內(nèi)部自約束應(yīng)變。由于ε自由是混凝土板內(nèi)外溫度下降至一致時的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變，需要較長的穩(wěn)定時間。因此，ε總與ε自由不太可能在一次實驗中同時測得。故文中采用兩步法進行測量：先通過兩次實驗分別測得總應(yīng)變ε總和自由應(yīng)變ε自由，再根據(jù)式(1)，得到混凝土的內(nèi)部自約束應(yīng)變ε約束，再根據(jù)胡克定律即可得到不同降溫速率下的混凝土溫度自約束應(yīng)力。其技術(shù)路線如圖1所示。

2 實驗材料及測試設(shè)備

2.1 原材料配合比

此次實驗選用的原材料如下：水泥：華新P·O42.5級水泥，細度為0.67，比表面積為350 m2/kg；細骨料：平均細度模數(shù)是2.35，堆積密度為1 400 kg/m3(細砂)；粗骨料：粒徑5～20 mm的碎石，堆積密度為1 450 kg/m3；減水劑：課題組自制的高效減水劑；水：武漢自來水。

參照JGJ55—2011《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計C50混凝土，其配合比如表1所示。

表1 C50混凝土配合比

2.2 試件設(shè)計及制作

混凝土平板尺寸為0.5 m×0.5 m×0.05 m，將攪拌制好的混凝土裝入模具振搗密實，并將其放置在溫度為21 ℃的室內(nèi)靜置一晝夜。拆模后放置于溫度為23 ℃，相對濕度為95%的養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

2.3 溫度應(yīng)力測試系統(tǒng)

采用的實驗設(shè)備有大型環(huán)境溫度控制箱WSD-01，動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，熱電阻溫度傳感器pt 100，應(yīng)變片BX120-30AAA(XX)(電阻為(120±0.8)Ω，熱輸出靈敏系數(shù)為0.5 με/℃)等。

實驗前將混凝土平板進行預(yù)處理，在平板上下面分別固定一個熱電阻溫度傳感器，以便測量上下面的溫度變化。該測試中混凝土平板較薄，為使混凝土內(nèi)外表面溫差達到最大值，在混凝土四周及下表面分布粘貼三聚氰胺泡沫保溫材料。分別選取距離混凝土平板邊緣0.07 m及正中心三點作為測試點布置0°、45°、90°的三向應(yīng)變花，使得0°方向上的應(yīng)變片沿混凝土橫向布置，90°方向上的應(yīng)變片沿混凝土板縱向布置，如圖2所示。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 不同降溫速率對混凝土板溫度場的影響

該實驗通過大型環(huán)境溫控箱對環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)，設(shè)置5 ℃的初始溫度，將C50混凝土靜置一定時間，直至混凝土總體溫度達到5 ℃左右。設(shè)定不同降溫速率，利用溫度傳感器對混凝土外表面溫度進行實時測量，從而研究不同降溫速率對混凝土上下表面溫度的影響。圖3分別為初始溫度為5 ℃，混凝土平板在1 h內(nèi)降溫5 ℃和10 ℃時上下表面溫度隨時間變化曲線。

由圖3可知當環(huán)境溫度按照一定降溫速率發(fā)生變化時，混凝土平板上下表面溫度均隨時間逐漸降低，由于保溫材料的作用，單位時間內(nèi)平板下表面的降溫幅度小于上表面的降溫幅度，混凝土平板上下表面溫差逐漸增大。不同降溫速率下，混凝土平板上下表面溫度及溫差各不同，降溫速率越大，混凝土平板外表面的降溫幅度越大，上下表面的溫差也越大，其數(shù)值結(jié)果如表2所示。

表2 不同降溫速率下混凝土板上下表面溫度

3.2 不同降溫速率對混凝土板總應(yīng)變的影響

為了研究混凝土結(jié)構(gòu)上下表面溫差對混凝土自約束應(yīng)力的影響，實驗過程中分別測定了混凝土平板表面不同測點處的應(yīng)變。

圖4、圖5分別為測點A、B、C在初始溫度為5 ℃，降溫速率分別為5 ℃/h和10 ℃/h時，0°、45°、90°方向的應(yīng)變隨時間的變化曲線，降溫1 h時刻各測點的應(yīng)變值如表3所示。

表3 混凝土板總應(yīng)變

由圖4，圖5及表3數(shù)據(jù)分析可知，當環(huán)境溫度降低時，混凝土表面產(chǎn)生收縮變形，環(huán)境溫度降溫速率越大，這種收縮變形越明顯，同一時刻混凝土平板表面的應(yīng)變絕對值也越大；在相同降溫速率下，A、B、C三個測點的應(yīng)變-時間曲線很相似，同一時刻的應(yīng)變值也較接近，說明混凝土板的整個上表面是近似均勻的應(yīng)變場。

3.3 不同降溫速率對混凝土板自約束應(yīng)變及應(yīng)力的影響

以上測試得到的應(yīng)變是總應(yīng)變ε總，按照實驗方案第二步，還需測試混凝土自由收縮ε自由。以環(huán)境降溫速率為10 ℃/h，降溫1 h時混凝土上表面溫度作為目標值，直至混凝土上表面溫度與混凝土下表面分別達到目標值，記錄此時測點A，測點B，測點C的自由應(yīng)變平均值，見圖6。

采取同樣的方法測試降溫速率為5 ℃/h時混凝土由于自由收縮所產(chǎn)生的自由應(yīng)變，結(jié)果如表4所示。

將表3及表4數(shù)據(jù)代入公式(1)可得混凝土平板在不同降溫速率下的自約束應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表4 混凝土板自由收縮應(yīng)變

表5 混凝土板自約束應(yīng)變

在降溫過程中測得的表面應(yīng)變?yōu)榫鶠樨撝担约s束應(yīng)變值均為正，說明混凝土在降溫時表面會產(chǎn)生拉應(yīng)力。根據(jù)三個方向上的自約束應(yīng)變分量，按下述公式可以計算出溫度自約束主應(yīng)變和主應(yīng)力，如表6所示。

(2)

(3)

式中，E為混凝土的彈性模量；ν是泊松比。

表6 混凝土板表面的溫度自約束第一主應(yīng)力

可知，環(huán)境溫度降低時，混凝土板表面由于內(nèi)部自約束作用產(chǎn)生了拉應(yīng)力。降溫速率相同時，A、B、C三個測點所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大小相近，混凝土板表面的溫度自約束應(yīng)力的大小和測點的空間分布無關(guān)，說明混凝土板上表面具有近似均勻的自約束應(yīng)力場，當降溫速率不同時，降溫速率越大，混凝土板表面的溫度自約束應(yīng)力越大。

4 結(jié) 論

該文研究了驟然降溫下混凝土板溫度自約束應(yīng)力測試技術(shù)，提出并設(shè)計了驟然降溫時混凝土板溫度自約束應(yīng)力的“兩步法”測試方案。通過大型環(huán)境溫度控制箱控制降溫速率，獲得了混凝土板外表面溫度自約束應(yīng)變變化曲線，得到了混凝土板外表面溫度主應(yīng)力隨降溫速率的變化規(guī)律，獲得了如下結(jié)論：

1)當環(huán)境溫度降低時，混凝土板上下表面溫度隨時間逐漸降低，環(huán)境溫度降溫速率越快，混凝土板上下表面溫差越大。

2)混凝土板不均勻的溫度分布使得混凝土板產(chǎn)生不均勻變形，降溫幅度越大，同一時刻的變形也越大。在相同降溫速率下，混凝土板上表面A、B、C三點的應(yīng)變值相差較小，表明混凝土板上表面是近似均勻的應(yīng)變場。

3)當環(huán)境溫度降低時，三個測點計算所得的溫度應(yīng)力值為正，即混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部自約束作用產(chǎn)生了拉應(yīng)力，且三個測點所得應(yīng)力值較接近，即混凝土板上表面具有近似均勻的溫度自約束應(yīng)力場，降溫速率越大，混凝土板表面的溫度自約束應(yīng)力也越大。

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