不同養護溫度下蒸養混凝土斷裂性能研究

婁本星，胡少偉，范向前，葉宇霄，王亞民

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045）

蒸汽養護在混凝土預制構件生產中是一種常用的養護方式，也是冬季混凝土結構施工時加快進度的一種有效手段.蒸汽養護下的高溫度、高濕度可以加速混凝土早期強度的增長，從而加快模具周轉，縮短生產周期，通常其脫模強度要求達到設計強度的70%以上.賀智敏等［1-2］、Türkel等［3］、Ba等［4］研究表明，蒸汽養護會造成混凝土結構內部孔隙粗化、脆性增大等熱損傷效應.Liu等［5］、蘇揚等［6］、吳建華等［7］研究了蒸養制度、配合比、礦物摻和料等對混凝土強度的影響，發現蒸養能顯著提高混凝土早期性能，但對混凝土長期性能不利.賀炯煌等［8］、李霖皓等［9］研究表明，與常溫養護條件相比，蒸養過程中混凝土的力學性能顯著提升，同時混凝土的自收縮變形速率顯著增加，復雜的體積變形很可能導致構件開裂.謝友均等［10］研究發現，隨著養護溫度的升高，蒸養混凝土的內部缺陷增多，抗沖擊性能明顯降低.

相較于普通混凝土，在蒸養混凝土生產過程中，早期蒸養時恒溫階段的溫度通常較高，有時甚至高達95℃.高溫養護條件下水泥與粗骨料界面處會不同程度地出現裂縫，使得混凝土強度下降，呈現出較大的脆性［11］.因此，研究養護溫度對蒸養混凝土斷裂性能的影響，對于充分掌握蒸養混凝土的性能及其實際工程應用具有重要意義.目前，國內外學者對常溫養護條件下混凝土斷裂性能的研究已取得很多成果［12-15］，主要探討了級配、自重、外水壓力、尺寸效應等影響因素下混凝土斷裂參數的數值變化規律，而涉及蒸養混凝土斷裂性能的研究還不多見.鑒于此，本文對15根切口梁進行了三點彎曲（TPB）斷裂試驗，研究了不同養護溫度（20、45、60、80、95℃）對蒸養混凝土斷裂性能的影響，分析了養護溫度對其斷裂能、特征長度以及雙K斷裂參數的影響規律，并進一步分析了強度損傷因子與混凝土斷裂韌度的相關關系，以期為蒸養混凝土養護溫度的優化及其服役性能研究提供理論支持.

1 試驗概況

1.1 試件制備

采用三點彎曲梁來研究混凝土斷裂性能.設計了5組（分別與養護溫度20、45、60、80、95℃對應）、每組3根，共15根三點彎曲梁，尺寸均為長（L）×厚（t）×高（h）＝500 mm×100 mm×100 mm，初始縫高比為0.3，預制縫長a0為30 mm.采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊來測定混凝土的抗壓強度fc和抗拉強度ft.

試驗原材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、連續顆粒級配碎石（最大直徑10 mm）、天然河砂、水、奈系減水劑；配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝0.40∶1.00∶1.47∶2.69；減水劑摻量（質量分數）為0.5%.混凝土28 d標準立方體抗壓強度為52.3 MPa.澆筑彎曲梁試件時，用厚度3 mm的鋼板預制裂縫，3 h后拔出，然后將試件移至蒸汽養護箱中進行蒸汽養護.

1.2 養護制度

參照TB/T 3043—2005《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支梁T梁技術條件》，采用的蒸汽養護制度為：混凝土澆筑成型后在20℃下靜停3 h，然后以20℃/h的升溫速率分別升至45、60、80、95℃，并在各溫度下保持恒溫12 h；恒溫階段結束之后，將試件從蒸汽養護箱中取出并自然冷卻至室溫.蒸養結束后移至標準養護室繼續養護至28 d，然后測試試件的力學性能和斷裂性能.

1.3 試驗裝置

采用電子萬能試驗機對三點彎曲梁進行加載，加載速率為0.05 mm/min.在試件的底部和裂尖處分別布置2個標距12 mm、最大位移2 mm的夾式引伸計，以測量裂縫張口位移CMOD和裂縫尖端張口位移CTOD.用于固定下部引伸計的薄鋼片厚度為3 mm，用于固定正面引伸計的菱形楔塊厚度為10 mm.測試裝置如圖1所示.

圖1 加載裝置Fig.1 Test device

1.4 斷裂參數計算方法

斷裂能是裂縫擴展單位面積所需要的能量［16］.混凝土材料斷裂能GF的計算式為：

式中：W0為外荷載沿跨中加載方向所做的功，N/m；mg為三點彎曲梁的有效跨度范圍內自重，N；δmax為跨中最大撓度值，m.

用特征長度Lch來評判混凝土的脆性，其值越小表示混凝土越脆［17］.Lch可由下式確定：

式中：E為混凝土的彈性模量；Ci＝CMODi/Pi，即P-CMOD曲線的初始斜率的倒數；v（a0/h）的計算見文獻［17］.

斷裂韌度表征材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料韌度好壞的定量指標.基于雙K斷裂模型［18］，混凝土的斷裂韌度由下式確定：

式中：KiniIC為試件起裂韌度，KunIC為試件失穩斷裂韌度，KcIC為試件黏聚斷裂韌度，MPa·m1/2；Pini為試件起裂荷載，Pun為試件峰值荷載，N；S為試件有效跨度，m；ac為試件有效裂縫長度，可將峰值荷載Pun和臨界裂縫張口位移CMODc代入到式（3）中解出；f（a/h）、F1（x/ac，ac/h）的計算見文獻［18］；σ（x）是混凝土軟化本構曲線，本文選用Petersson雙線性軟化曲線來確定試件黏聚力分布情況.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

圖2給出了各組試件的力學性能.由圖2可見：45℃養護試件與20℃養護試件的力學性能基本相同；養護溫度從45℃升至95℃時，試件的抗壓強度fc、抗拉強度ft及彈性模量E均呈下降趨勢.

圖2 試件的力學性能Fig.2 Mechanical properties of specimens

圖3是各組試件的實測P-CMOD曲線.起裂荷載采用曲線法確定，即P-CMOD曲線中線性段與非線性段的拐點.各組試件（每組3根試件）的起裂荷載Pini和峰值荷載Pun如圖4所示.由圖4可見，與20℃養護試件相比，45℃養護試件的起裂荷載和峰值荷載均保持不變；60～95℃養護試件的起裂荷載平均值從2.02 k N下降至1.43 k N，分別降低了10.2%、28.5%和36.7%，峰值荷載平均值從3.86 k N下降至3.04 k N，分別降低了6.5%、19.5%和26.1%.由此可見，合理的養護溫度不僅可以使構件在早期具有較高的承載力，還能夠保證其后期的力學性能.

圖3 不同養護溫度下試件的P-CMOD曲線Fig.3 P-CMOD curves of specimens under different curing temperatures

圖4 各組試件的起裂荷載和峰值荷載Fig.4 Initiation load and maximum load of specimens

2.2 斷裂能和特征長度計算結果

圖5給出了各組試件的斷裂能和特征長度.由圖5可見：20℃養護試件與45℃養護試件的斷裂能和特征長度基本相同；養護溫度超過45℃后，隨著養護溫度的增加，斷裂能從129.77 N/m下降到93.96 N/m，特征長度從302.0 mm減小到225.4 mm，均呈下降趨勢；與45℃養護試件相比，60、80、95℃養護試件的斷裂能分別降低11.0%、19.8%和27.6%，特征長度分別降低14.0%、20.6%和25.7%，說明隨著養護溫度的增加，混凝土脆性逐漸增大.

圖5 各組試件的斷裂能及特征長度Fig.5 Fracture energy and characteristic length of specimens

2.3 雙K斷裂參數計算結果

根據式（4）～（6）計算得到各組試件的起裂韌度KiniIC、失穩斷裂韌度KunIC和黏聚斷裂韌度KcIC等斷裂參數，如表1所示.為了驗證曲線法測定的起裂韌度KiniIC的準確性，首先通過黏聚斷裂韌度KcIC計算起裂韌度Kini*IC，即Kini*IC＝KunIC-KcIC，通過對比Kini*IC和KiniIC發現，兩者之間的最大相對誤差為9.7%，表明Kini*IC與KiniIC值吻合良好.分析斷裂參數可知，養護溫度從20℃升至95℃時，試件的起裂韌度從0.529 MPa·m1/2降至0.370 MPa·m1/2，Pini/Pun的平均值從0.55降至0.47，說明隨著養護溫度的增加，混凝土更容易開裂，脆性增大.

表1 斷裂試驗結果Table 1 Test results of TPB specimens

圖6給出了不同養護溫度下蒸養混凝土的斷裂韌度變化趨勢.由圖6可知，各組試件的起裂韌度和失穩斷裂韌度變化趨勢大致相同.養護溫度從20℃到45℃時，試件的起裂韌度和失穩斷裂韌度基本保持不變；養護溫度由45℃升至95℃時，試件的起裂韌度減小0.165 MPa·m1/2，失穩斷裂韌度減小0.360 MPa·m1/2.與20℃養護試件相比，經過45～95℃蒸汽養護后，試件的起裂韌度分別達到其值的101.1%、91.6%、76.5%、69.8%，失穩斷裂韌度分別達到其值的100.4%、88.4%、80.2%、75.0%.由此可見，45℃養護條件可以保證混凝土后期的斷裂性能，60℃養護條件下，混凝土斷裂韌度的損失程度約為10%.因此，考慮混凝土力學性能以及實際應用的經濟性，就本文所研究的混凝土而言，其養護溫度不宜超過60℃.

圖6 不同養護溫度下試件的斷裂韌度Fig.6 Fracture toughness of specimens

2.4 初始損傷與斷裂韌度損失率的關系

圖7中的黑色線條代表試件表面及內部由于熱損傷效應引起的微裂紋.可以看出：45℃養護試件的表層完好，斷裂面比較密實；95℃養護試件的損傷劣化嚴重，其表面及斷裂面出現了許多微裂縫.說明隨著養護溫度的升高，混凝土表面和內部損傷逐漸嚴重，與文獻［2］結論一致.因此上述斷裂試驗結果可以解釋為：在蒸汽養護早期，漿體與骨料的結合面強度不足，隨著養護溫度的增加，混凝土內部由于熱損傷造成的初始缺陷明顯增多，降低了混凝土的斷裂性能，導致其更容易開裂且脆性增大.

圖7 試件表面及斷裂面損傷示意圖Fig.7 Degradation of surface layer and fracture surface of specimens

為了反映混凝土材料內部的劣化程度，研究者［19-21］通常采用彈性模量和抗壓強度來描述混凝土的損傷劣化規律.因此，在上述試驗結果分析的基礎上，定義高溫養護后試件的強度損傷因子和斷裂韌度損失率為：

式中：D（T）是養護溫度T下試件的強度損傷因子或斷裂韌度損失率；f（T）是養護溫度T下試件的力學性能參數（E、fc）或雙K斷裂韌度；f0是20℃養護試件的力學性能參數（E、fc）或雙K斷裂韌度.

通過式（7）計算了各組試件的強度損傷因子和斷裂韌度損失率，結果見圖8.由圖8可見：養護溫度從45℃升到95℃時，采用彈性模量定義的試件強度損傷因子DE值分別為-0.7%、10.0%、21.6%、27.5%；采用抗壓強度定義的試件強度損傷因子Dfc值分別為-1.7%、7.3%、14.7%、26.1%；斷裂韌度損失率與強度損傷因子DE、Dfc值隨著養護溫度變化的趨勢一致，呈正相關關系；其與DE和Dfc值的相關系數分別為0.99和0.97，最大相對誤差分別為4.2%和8.7%.由此可見，斷裂韌度損失率與強度損傷因子具有良好的相關關系，可以采用DE和Dfc值來近似預測混凝土斷裂韌度的損失程度.

圖8 強度損傷因子與斷裂韌度損失率的關系Fig.8 Relationship between strength damage factors and loss ratio of fracture toughness

3 結論

（1）45℃養護條件與20℃養護條件下的混凝土力學性能和斷裂性能基本相同，養護溫度大于45℃后，隨著養護溫度的增加，混凝土的力學性能和斷裂性能逐漸降低.

（2）養護溫度在45～95℃范圍時，隨著養護溫度的增加，混凝土的起裂荷載、峰值荷載、雙K斷裂參數、斷裂能和特征長度均呈逐漸下降的趨勢.

（3）過高的養護溫度會在一定程度上降低混凝土的斷裂性能.綜合考慮蒸養過程中的熱損傷及其對混凝土力學性能的影響，養護溫度不宜高于60℃.

（4）采用彈性模量和抗壓強度定義的強度損傷因子與混凝土斷裂韌度損失率近似相等，可以采用強度損傷因子為不同養護溫度條件下蒸養混凝土的斷裂參數提供依據.