北方地區低溫條件下水工混凝土自生體積變形試驗

陸占杰

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124010)

水工混凝土在絕濕和無外荷載的模擬環境溫度中，由于膠凝水化作用影響產生的體積變形稱為水工混凝土在變溫條件下的自生體積變形。水工混凝土在無外力荷載以及交換濕度的條件下其物理變化特征參數只受到其內部溫度的影響。近些年來對于水工混凝土在變溫條件下的變形量試驗取得一定的研究成果，但這些成果試驗區域大都位于南方地區，而對于北方地區尤其是低溫區水工混凝土的自生體積變形試驗研究成果還較少。為提高北方地區尤其是低溫期水工混凝土的壽命，亟需對其變溫條件下的自生體積變形進行試驗，從而指導工程實際，提高北方地區水工混凝土的穩定性和施工質量。為此本文結合變溫試驗，通過自生體積變形試驗對水工混凝土的溫度應力分布以及主要特征值進行探討，研究成果對于北方寒區水工混凝土質量提升具有重要的參考意義。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器和設備

為了對水工混凝土在實際溫度下的自生體積變形進行模擬試驗分析，采用可以進行變溫試驗的控制箱。在無外力荷載和濕度交換的試驗環境中，水工混凝土的自生體積變形可采用應變計進行其表形的測量，試驗儀器和設備還包括率定儀器、變溫控制箱、試件放置箱。防凍液為變溫控制箱內的介質溶液，水也可在溫度高于0℃時作為介質溶液。變溫控制箱的最低和最高溫度要滿足試驗溫度要求，溫度按照試驗程序進行設定，速率以5±1℃/min來調節。熱電偶作為主要的溫度率定儀器，測定的分辨率精確到0.1℃。試驗溫度調節、監測數據組成的系統如圖1所示。

1.2 試件制備

各類水工混凝土骨料間距低于應變計量儀器的1/5，從而保證數據采集的精度。兩端之間骨料在應變計標距100mm的差阻間值要低于20mm；在應變計標距250mm的差阻間值要低于50mm。將攪拌的至少3層混凝土放入密封好的試驗桶內，人工或自動攪拌均勻后的骨料層高200mm左右，需要制備不少于2個試驗組件。

1.3 試驗步驟

(1)對電阻及其比值進行初始設置并對其應變計編號進行記錄，在24h的工作條件后對應變計的電阻及其比值進行初始值的測定。

(2)對變溫試驗裝置的密封程度進行測試，在試驗箱內將變溫試驗裝置放在液體中進行完全浸泡，一般以24h作為測試周期，變溫試驗裝置內沒有液體流入且不冒出氣泡，表明試驗裝置的密封程度較高。

(3)按照區域氣溫年調查值對變溫試驗進行詳細設置，在變溫控制器內錄入溫度設計值。按照不同年份的月氣溫均值變化趨勢對試驗周期內的溫度進行設置，初始溫度按照澆筑混凝土時的溫度進行設定，一般按照年氣溫均值作為其試驗溫度的調查值。

圖1 變溫條件下水工混凝土自生體積變形試驗系統示意圖

(4)試驗溫度設定后，在變溫試驗箱內放入制備完成的試件，不要對變溫試驗箱進行移動和振動。

(5)應變計的基準值按照水工混凝土的初凝時間或者現場攪拌溫度進行設置。

(6)從水工混凝土初凝時間起每隔4h進行應變計電阻及電阻比的測定，在試驗周期內每天按照試驗間隔進行應變計電阻及電阻比的測定，且每周至少測定1次溫度。

(7)采用自動監測數據采集裝置對試驗測定的數據進行采集，也可采用可保證穩定的自動化數據采集系統進行試驗數據的自動采集。

2 試驗結果

2.1 水工混凝土溫度測定試驗結果

溫度測定試驗中混凝土測定溫度按以下公式計算。

當溫度高于0℃低于60℃時其測定溫度計算公式為：

T=a′(R-R0)

(1)

當溫度低于0℃高于-25℃時其測定溫度計算公式為：

T=a″(R-R0)

(2)

式中，T—測點混凝土溫度，℃；R—電阻測值，Ω；a′—應變計零上溫度靈敏系數，℃/Ω；a″—應變計零下溫度靈敏系數，℃/Ω；R0—應變計計算0℃下的電阻值，Ω。

按照前面所述的試驗方法，分別進行了15組溫度低于0℃高于-25℃時變溫試驗，測定結果見表1。

表1 變溫條件下水工混凝土溫度測定值

從表1結果可看出，測點水工混凝土的溫度主要和其電阻測值相關，電阻測值越高其測點混凝土溫度也相對較高。其次測點混凝土的溫度和應變計的溫度靈敏系數相關程度較小，二者總體呈現反曲線分布。在變化溫度條件下測點水工混凝土溫度受環境溫度影響較大，因此在具體試驗時新制作的試件按照20℃±2℃范圍進行試驗溫度的控制，環境濕度高于95%時，試驗組件在恒溫試驗裝置內進行靜置7d的養護。變溫試驗中的試驗組件頂部高度要至少高出水面50mm。按照10～20℃的溫度變化范圍對溫度初始值進行試驗控制。

2.2 變溫條件下水工混凝土線膨脹系數試驗結果

在對變溫條件下對水工混凝土的線膨脹系數進行試驗測定，試件的中心溫度及應變值分別按公式(3)—(4)計算，結果見表2。

θ=a′(Rt-R0)

(3)

εm=f′ΔZ+ba′(Rt-R0)

(4)

式中，θ—試驗組件溫度均值，℃；εm—測定混凝土應力變化值，10-6；Rt、R0—試驗周期結束和開始時候的測定的儀器電阻，Ω；a′—儀器溫度靈敏度系數，℃/Ω；b—儀器溫度補償系數，10-6/℃；f′—應變計靈敏度，10-6/0.01%；ΔZ—電阻比變化量，即試驗終止溫度的電阻比與初始溫度的電阻比的差值。

混凝土的線膨脹系數按公式(5)計算(準確至0.1×10-6/℃)，取兩個試件測值的平均值作為試驗結果。

(5)

式中，a—混凝土線膨脹系數，10-6/℃；Δθ—試驗終止溫度與初始溫度之差，℃。

按照前面所述的試驗方法，對15組水工混凝土的線膨脹系數進行試驗測定，結果見表3。

變溫條件下水工混凝土試件中心溫度對水工混凝土線膨脹系數影響較高，也是其線膨脹系數重要影響指標，水工混凝土試件中心溫度主要和試驗開始、終止時儀器的電阻以及溫度靈敏系數有關，尤其是受溫度靈敏系數影響較大。變溫條件下水工混凝土的線膨脹系數主要和電阻變化量、應變計靈敏度、溫度補償系數有關，是其影響重要指標，測定時一定要控制水溫使其恒定，量測應變計的電阻和電阻比，并用溫度計測讀水溫。

表2 變溫條件下水工混凝土試件中心溫度試驗值

2.3 自生體積變形量試驗結果

單個混凝土試件自生體積變形量按以下方程進行試驗分析：

表3 變溫條件下水工混凝土試件線膨脹系數試驗值

Gt=f(z-z0)+(b-a)(T-T0)

(6)

式中，Gt—測點混凝土自生體積變形量，10-6；f—應變計應變靈敏度，即應變計最小讀數，10-6/0.01%；z—電阻比測值，0.01%；z0—電阻比基準值，0.01%；b—應變計溫度修正系數，10-6/℃；a—混凝土線膨脹系數，10-6/℃；T—測點混凝土溫度，℃；T0—溫度基準值，℃。

按照上述的試驗方法，對15組水工混凝土自生體積變形量進行試驗測定，結果見表4。

從表4中結果可看出，混凝土線膨脹系數越大其自生體積變形量越大，自生體積變形量大于0，表示其為外擴變形，當其值低于0，則表示為壓縮變形。混凝土線膨脹系數是變溫條件下水工混凝土自生體積變形量主導因子，其次，測點混凝土溫度以及其溫度基準值也是重要影響因子，主要測點混凝土溫度對其線膨脹系數產生直接影響，從而對其自生體積變形量產生顯著影響。從試驗結果也可看出，混凝土處于模擬環境溫度中，在絕濕和無外荷載的條件下，僅由于膠凝材料的水化作用引起體積變形。在北方低溫環境下，水工混凝土施工宜采用防凍液等作為介質溶液，當設計試驗溫度均大于0℃時，也可采用水作為介質溶液。試驗箱最低標稱溫度和最高標稱溫度范圍應滿足-30℃～+50℃的試驗要求。

表4 變溫條件下水工混凝土自生體積變形量試驗值

3 結語

(1)新制作的試件按照20℃±2℃進行試驗溫度的控制，試驗組件在環境濕度高于95%時在恒溫的試驗裝置內進行靜置7d的養護，變溫試驗內的試驗組件頂部高度要至少高于水面50mm以上，建議按照10～20℃的溫度變化范圍對溫度初始值進行試驗控制。

(2)在變溫試驗時將與試件中心溫度相同時的水溫作為試驗溫度的初始值，并需要保持水溫的恒定，水溫變化建議不超過0.1℃，可通過加大攪拌頻率保持水體的恒溫。

(3)本文對水工混凝土自生體積變形量影響因子還未進行研究，在后續研究中還要重點對如混凝土骨料種類、外加劑類型、水泥品種等影響因子進行深入探討。