混凝土溫度收縮開裂試驗(yàn)方法研發(fā)與應(yīng)用

李兆宇,張錦濤

(中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710016)

1 研究背景

混凝土抗裂性問題是土木工程界長(zhǎng)期關(guān)注的熱點(diǎn)問題,是影響混凝土構(gòu)筑物安全性和耐久性的關(guān)鍵因素。在實(shí)際工程中,原材料性能及配比、施工質(zhì)量、溫控措施、環(huán)境條件等均影響混凝土的抗裂性能。而利用試驗(yàn)方法客觀的評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能,是有效降低開裂風(fēng)險(xiǎn)的前提[1]。

常見的混凝土抗裂性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法為圓環(huán)法、平板法和溫度-應(yīng)力試驗(yàn)架法。ASTM C1581—2018a[2]中均采用圓環(huán)法,以開裂齡期、裂縫寬度等參數(shù)作為指標(biāo),評(píng)價(jià)均勻約束條件下混凝土干燥收縮對(duì)開裂的影響。圓環(huán)法約束程度普遍不高,試樣開裂敏感性較低,ASTM C1581—2018a試驗(yàn)中約束程度最高約為75%。CECS 01—2004，GB 50082—2009[3]中采用平板法,通過測(cè)量裂縫長(zhǎng)度和寬度,以每條裂縫的開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)量和單位面積的總開裂面積作為指標(biāo),評(píng)價(jià)平板薄壁結(jié)構(gòu)混凝土塑性收縮和干燥收縮對(duì)混凝土開裂的影響。由于裂縫位置隨機(jī)、裂縫數(shù)量及寬度測(cè)量準(zhǔn)確性差,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差。溫度-應(yīng)力試驗(yàn)法適用于評(píng)價(jià)大體積混凝土溫度場(chǎng)變化及強(qiáng)約束條件下的抗裂性,可綜合反映各因素的相互作用,但試驗(yàn)設(shè)備昂貴、過程復(fù)雜,應(yīng)用極少[4-7]。

為提高圓環(huán)約束程度,增加開裂的敏感性,學(xué)者開展了不同方式的圓環(huán)約束裝置改進(jìn)試驗(yàn)[8-12]。我國部分學(xué)者采用外方內(nèi)圓的偏心約束裝置,通過增加可預(yù)知位置的開裂,有效提高了混凝土開裂的敏感性[13-16]。Barrett[17]通過引入溫度應(yīng)力,采用雙環(huán)約束結(jié)合圓環(huán)外部循環(huán)控溫系統(tǒng)的試驗(yàn)方法,研究了溫度收縮和自收縮條件下粉煤灰預(yù)濕骨料砂漿的抗裂性。Briffaut et al[18]采用流體循環(huán)系統(tǒng)控制銅環(huán)的溫升,研究混凝土環(huán)溫升條件下的早期開裂敏感性(銅環(huán)的熱膨脹系數(shù)是混凝土環(huán)的3倍)。

綜上所述,圓環(huán)法雖然應(yīng)用普遍,但其約束程度較低,試驗(yàn)結(jié)果不理想。本文開展了基于彈性力學(xué)理論、綜合考慮溫度收縮條件下的圓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置理論分析,計(jì)算不同參數(shù)對(duì)圓環(huán)約束度的影響;根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了新型混凝土抗裂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng),并驗(yàn)證了其有效性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置理論分析和數(shù)值計(jì)算

2.1 理論分析

約束圓環(huán)裝置(如圖1所示)以彈性力學(xué)[19]為理論基礎(chǔ),遵循彈性力學(xué)五大基本假定(連續(xù)性、線彈性、均勻性、各向同性、小變形),在此基礎(chǔ)上,采用極坐標(biāo)處理方式,可得到直角坐標(biāo)系下的平衡方程、幾何方程以及物理方程，見式(1)～式(3)。

平衡方程:

(1)

幾何方程:

(2)

物理方程:

(3)

其中，E為材料的彈性模量,MPa;fr為體力,N;ur為徑向位移,mm;εr為徑向應(yīng)變,mm;εθ為環(huán)向應(yīng)變,mm;ν為材料的泊松比；σr為徑向應(yīng)力,MPa;σθ為環(huán)向應(yīng)力,MPa。

溫降條件下,平衡方程和幾何方程同等溫情況一致。彈性體的應(yīng)變將由彈性體內(nèi)部之間相互約束所引起的應(yīng)變和溫度作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)變兩者疊加構(gòu)成,因此溫度應(yīng)力條件下,試驗(yàn)裝置的物理方程式可表示為:

(4)

其中，T為溫度變化值;α為材料的線膨脹系數(shù)。

(5)

對(duì)式(5)微分方程求解、代入幾何方程可得到徑向應(yīng)力σr和環(huán)向應(yīng)力σθ的表達(dá)式:

(6)

因此分別建立約束鋼環(huán)和混凝土環(huán)的表達(dá)式如下:

約束鋼環(huán):

(7)

混凝土環(huán):

(8)

其中，c1c,c2c均為混凝土環(huán)參數(shù);c1s,c2s均為鋼環(huán)參數(shù)。

取鋼環(huán)內(nèi)半徑為a,鋼環(huán)外半徑為b,混凝土環(huán)內(nèi)半徑為b,混凝土環(huán)外半徑為c。混凝土環(huán)邊界條件r=b時(shí),σrs=σrc;r=c時(shí),σrc=0。鋼環(huán)邊界條件r=a時(shí),σra=0。聯(lián)立求解得:

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 解析與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

通過參數(shù)c1c,c2c,c1s,c2s建立鋼環(huán)和混凝土環(huán)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移的解析表達(dá)式,分別分析鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、約束鋼環(huán)厚度、溫降大小等因素對(duì)混凝土抗裂性的影響。

2.2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

分析不同參數(shù)對(duì)混凝土環(huán)的約束程度時(shí),除研究參數(shù)外,混凝土環(huán)外半徑c=212.5 mm,內(nèi)半徑b=152.5 mm,彈性模量Ec=3×104MPa,泊松比νc=0.2,線膨脹系數(shù)αc=10×10-6/℃;鋼環(huán)厚度6 mm,其內(nèi)半徑a=146.5 mm,彈性模量Es=1.42×105MPa,泊松比νs=0.3,線膨脹系數(shù)αs=1×10-6/℃;溫降為40 ℃。

2.2.2 不同因素對(duì)混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應(yīng)力的影響

由于混凝土所承受的抗拉強(qiáng)度大于其極限抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土產(chǎn)生開裂。因此本文研究了不同參數(shù)對(duì)混凝土環(huán)環(huán)向拉應(yīng)力的影響。

1)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)對(duì)混凝土和鋼環(huán)應(yīng)力的影響。

鋼環(huán)線膨脹系數(shù)分別采用αs=0，αs=2×10-6/℃,αs=4×10-6/℃,αs=6×10-6/℃,αs=8×10-6/℃,αs=10×10-6/℃。用解析法和ABAQUS有限元數(shù)值分析法分別計(jì)算不同鋼環(huán)線性膨脹系數(shù)條件下混凝土環(huán)與鋼環(huán)環(huán)向應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果見圖2。

由圖2可知,鋼環(huán)、混凝土環(huán)環(huán)向應(yīng)力解析解與數(shù)值計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致,驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。

溫降條件下,當(dāng)鋼環(huán)和混凝土環(huán)線膨脹系數(shù)均為10×10-6/℃時(shí),兩者隨溫度的下降共同收縮,不產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力;當(dāng)鋼環(huán)與混凝土環(huán)線膨脹系數(shù)不同時(shí),鋼環(huán)產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力,混凝土環(huán)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。隨鋼環(huán)線膨脹系數(shù)的不斷降低,兩者產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)降低至0×10-6/℃時(shí),混凝土環(huán)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)4.4 MPa。因此溫降條件下,鋼環(huán)的線膨脹系數(shù)越低,混凝土環(huán)所受約束度越高。混凝土環(huán)環(huán)向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在混凝土環(huán)內(nèi)側(cè),隨半徑的增加略有下降。

2)鋼環(huán)厚度對(duì)混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應(yīng)力的影響。

采用不同鋼環(huán)厚度(6 mm,8 mm,10 mm,12 mm),分別計(jì)算混凝土和鋼環(huán)的環(huán)向應(yīng)力,見圖3。

由圖3可知,溫降條件下,混凝土環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力隨鋼環(huán)厚度的增加有增加趨勢(shì),鋼環(huán)厚度為12 mm時(shí)混凝土環(huán)產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力為6 mm的1.46倍;混凝土環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力隨鋼環(huán)厚度的增加有降低趨勢(shì),鋼環(huán)厚度為12 mm時(shí)鋼環(huán)產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力為6 mm的0.72倍。隨鋼環(huán)厚度的增加,混凝土環(huán)所受約束度越高,鋼環(huán)自身產(chǎn)生應(yīng)變的敏感性越低。

3)溫降幅度對(duì)混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應(yīng)力的影響。

采用不同溫降幅度(20 ℃,30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃)計(jì)算混凝土和鋼環(huán)的環(huán)向應(yīng)力,見圖4。

由圖4可知,混凝土環(huán)、鋼環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力與溫降幅度成正相關(guān),溫降幅度越大,鋼環(huán)、混凝土環(huán)的環(huán)向應(yīng)力越大,混凝土環(huán)拉應(yīng)力隨溫降幅度的增加迅速增加,溫降60 ℃混凝土最大環(huán)向拉應(yīng)力是溫降20 ℃的3倍。

4)混凝土早期彈性模量對(duì)混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應(yīng)力的影響。

采用不同的混凝土環(huán)彈性模量Ec(1×104MPa,2×104MPa,3×104MPa,4×104MPa)分別計(jì)算混凝土和鋼環(huán)的環(huán)向應(yīng)力,見圖5。

由圖5可知,溫降條件下,混凝土環(huán)環(huán)向應(yīng)力隨混凝土早期彈性模量的增加呈逐漸增加趨勢(shì),混凝土早期彈性模量4×104MPa時(shí)混凝土環(huán)最大環(huán)向拉應(yīng)力是1×104MPa的約1.97倍。

根據(jù)不同影響因素對(duì)混凝土環(huán)的約束程度的數(shù)值計(jì)算可以看到,鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、溫降幅度對(duì)混凝土約束度影響顯著;鋼環(huán)厚度、混凝土早期彈性模量對(duì)混凝土約束程度有一定程度的影響;鋼環(huán)厚度的增加對(duì)鋼環(huán)的應(yīng)變靈敏度有不良影響。

3 約束圓環(huán)裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 裝置設(shè)計(jì)

1)根據(jù)理論與數(shù)值計(jì)算結(jié)果,選用低線膨脹系數(shù)銦鋼鋼環(huán)(0.254×10-6/℃,0 ℃～80 ℃),彈性模量142 GPa、鋼環(huán)尺寸φ305 mm×δ6 mm×100 mm、厚度6 mm,提高其對(duì)混凝土環(huán)約束程度的同時(shí),保證鋼環(huán)應(yīng)變檢測(cè)的靈敏度。

2)設(shè)計(jì)可編程控制養(yǎng)護(hù)箱,引入溫度應(yīng)力,增加混凝土環(huán)的開裂敏感性、縮短試驗(yàn)周期、提高試驗(yàn)成功率。

3)采用DH3816N型靜態(tài)應(yīng)變儀器,BE120-40A型應(yīng)變片(電阻120 Ω,-30 ℃～80 ℃)。

3.1.2 方法設(shè)計(jì)

1)應(yīng)變片校準(zhǔn):在鋼環(huán)內(nèi)側(cè)粘貼應(yīng)變片,采用不同溫度分別進(jìn)行應(yīng)變校準(zhǔn)。2)試件成型:將混凝土拌和物裝入試模,振搗抹平,預(yù)埋熱電偶溫度計(jì),一組三塊,同時(shí)成型標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件,用以同條件樣品強(qiáng)度的測(cè)定。3)試件養(yǎng)護(hù):養(yǎng)護(hù)箱初始溫度60 ℃,濕度為95%,帶模養(yǎng)護(hù)至拆模強(qiáng)度(5 MPa),繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)所需強(qiáng)度。4)溫降試驗(yàn):保持濕度不變,以15 ℃/h的速率降溫,記錄鋼環(huán)應(yīng)變及混凝土內(nèi)部溫度(5 min/次),至鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)停止。5)數(shù)據(jù)處理:取出試件,觀察裂縫情況,記錄開裂溫差及最大應(yīng)變。

3.1.3 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1)原材料。

水泥:P.Ⅱ52.5;硅灰:SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)94.6%,比表面積19 m2/g;外加劑:聚羧酸減水劑,固含量25%。

2)配合比設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)采用的配合比見表1。

表1 混凝土配合比 kg

3)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

按表1配合比拌和混凝土,采用3.1.2試驗(yàn)方法,分別養(yǎng)護(hù)至5 MPa，15 MPa，25 MPa,評(píng)價(jià)不同抗壓強(qiáng)度時(shí)混凝土抗裂性。

3.2 結(jié)果分析

混凝土試件開裂破壞形態(tài)見圖6,混凝土開裂試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 混凝土開裂試驗(yàn)結(jié)果匯總表

由圖6可知,混凝土環(huán)在溫降條件下均出現(xiàn)貫穿性裂縫,裂紋細(xì)小,增加了開裂的敏感性。由表2可知,混凝土環(huán)的開裂溫差隨抗壓強(qiáng)度的提高有降低趨勢(shì),鋼環(huán)峰值應(yīng)變有增高趨勢(shì),5.8 MPa的混凝土開裂溫差較15.7 MPa和25.3 MPa分別提高了15.7%，24.0%。由于混凝土早期強(qiáng)度和彈性模量較低,塑性變形能力強(qiáng),混凝土抗裂性較后期好。

4 結(jié)論

1)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)對(duì)鋼環(huán)、混凝土環(huán)環(huán)向應(yīng)力的影響的解析解與數(shù)值分析結(jié)果相近、趨勢(shì)一致,驗(yàn)證了溫度應(yīng)力條件下理論分析的準(zhǔn)確性。

2)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、溫降幅度對(duì)混凝土約束度影響顯著;鋼環(huán)厚度、混凝土早期彈性模量對(duì)混凝土約束程度有一定程度的影響。

3)綜合利用銦鋼鋼環(huán)、可編程溫控養(yǎng)護(hù)箱及應(yīng)變采集裝置,提供了一種混凝土抗裂的新型試驗(yàn)裝置,可有效提高混凝土環(huán)的約束程度,增加其開裂敏感性。

4)利用新型試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同強(qiáng)度下混凝土的抗裂性評(píng)價(jià)試驗(yàn),混凝土環(huán)均出現(xiàn)貫穿性裂縫,混凝土環(huán)的開裂溫差隨抗壓強(qiáng)度的提高有降低趨勢(shì),5.8 MPa的混凝土開裂溫差較15.7 MPa和25.3 MPa分別提高了15.7%，24.0%,驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置的有效性,為混凝土溫降條件下抗裂性評(píng)價(jià)提供了一種有效方法。