約束條件下混凝土的徐變特性試驗(yàn)研究

約束條件下混凝土的徐變特性試驗(yàn)研究

與普通混凝土相比，高性能混凝土更容易開裂。對高性能混凝土早期的開裂機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,確定高性能混凝土早期開裂的條件,避免早期開裂的產(chǎn)生是國內(nèi)外土木工程界所面臨的重大課題。造成高性能混凝土開裂的最根本的原因是混凝土的收縮,其中有相當(dāng)一部分的收縮是自收縮。在自由狀態(tài)下,混凝土能夠收縮到一定程度而不發(fā)生開裂。但是,混凝土往往要受到來自于粗骨料、鋼筋或外部結(jié)構(gòu)的約束。在內(nèi)部約束或外部約束存在的條件下,將不可避免地在混凝土表面甚至混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。這一拉應(yīng)力被稱為自生拉應(yīng)力。當(dāng)這一拉應(yīng)力達(dá)到或超過某一臨界值時(shí),混凝土將不可避免地產(chǎn)生開裂。在拉應(yīng)力的長期作用下,混凝土的另一個(gè)顯著的變形特征是徐變。徐變可以使被約束混凝土的拉應(yīng)力得以松弛,從而緩解混凝土的開裂趨勢。對受壓狀態(tài)下成熟混凝土的徐變的研究相對成熟,而對受拉狀態(tài)下,尤其是早期混凝土受拉狀態(tài)下混凝土的徐變的研究卻不多見。目前,由于混凝土的早期開裂現(xiàn)象日益嚴(yán)重,對混凝土早期性能的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外同行研究的焦點(diǎn)。而研究混凝土的早期開裂現(xiàn)象,必須對拉應(yīng)力作用下混凝土的力學(xué)行為有一個(gè)完整清晰的認(rèn)識。1混凝土拉徐變試驗(yàn)1.1試件測量和數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)是移動(dòng)夾具、試模的基礎(chǔ)結(jié)所謂“完全約束”是相對部分約束而言的,試驗(yàn)采用一端固定,在另一端施加外力的方法,保持試件的平均長度與初始長度一致,從而實(shí)現(xiàn)對混凝土試件的約束。圖1所示為約束收縮試驗(yàn)設(shè)備的裝配圖。模具一端固定,另一端可沿著既定的軌跡做一維直線運(yùn)動(dòng)?？梢苿?dòng)端所發(fā)生的位移由線性電壓差動(dòng)傳感器(LVDT)監(jiān)控,測量精度不低于1μm。為了保證移動(dòng)端可自由移動(dòng),在側(cè)模與可移動(dòng)夾具之間預(yù)設(shè)1個(gè)2mm的間隙。為了防止應(yīng)力集中,試件的棱柱體與端部轉(zhuǎn)換部位設(shè)計(jì)成了弧形。軸向拉力的測量是通過一個(gè)拉、壓兩用的傳感器測量的,量程45kN,測量精度達(dá)到了荷載總量的0.5%。當(dāng)可移動(dòng)夾具沿收縮的方向發(fā)生移動(dòng)并超過一定的臨界值時(shí),機(jī)械系統(tǒng)啟動(dòng),使可移動(dòng)夾具還原并把試件拉長相應(yīng)的量,以保持試件的平均長度始終與初始長度相等,應(yīng)變的控制精度不低于10-6。為了排除干縮的影響,試驗(yàn)中對試件進(jìn)行了密封,所以測得的變形只是混凝土的自收縮。另外,為了保持試件溫度相對恒定,設(shè)計(jì)中把試模設(shè)計(jì)成由中空的型鋼制成,恒溫的介質(zhì)(水)可以在其中定向流動(dòng),適時(shí)帶走水化熱,以保證混凝土試件的溫度基本保持不變。自由收縮和約束收縮的模具橫斷面如圖2所示。水在所有型鋼中的流動(dòng)方向相同。型鋼與溫度控制裝置形成回路。只要精確控制介質(zhì)的溫度,試件的溫度就能得到有效地控制。在試驗(yàn)的整個(gè)過程中,介質(zhì)溫度始終保持(22±0.1)℃,室溫為(22±1)℃。所用中空型鋼的外形尺寸為76mm×38mm,試模內(nèi)表面襯以Teflon薄板以減小試件與試模間的摩擦力。在Teflon的里面襯一層塑料薄膜,混凝土澆注于薄膜之上。薄膜不僅可以對試件密封,同時(shí)也可以減小試件與襯板之間的磨擦。試件因收縮而發(fā)生的與模具之間的相對移動(dòng)發(fā)生在薄膜與Teflon襯板之間。自由收縮和約束收縮的所有數(shù)據(jù)—試件溫度、試件變形、試件被約束時(shí)的軸向力,都由同一個(gè)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。數(shù)據(jù)采集儀由計(jì)算機(jī)程序驅(qū)動(dòng),數(shù)據(jù)采集儀的功能由計(jì)算機(jī)程序決定。數(shù)據(jù)由程序處理并按程序設(shè)定的頻率記錄在數(shù)據(jù)文件中。1.2混凝土拉徐變、拉應(yīng)力、彈性模量的計(jì)算完全約束狀態(tài)下彈性變形、徐變與自由收縮的關(guān)系如圖3所示。自由收縮變形、彈性變形和徐變之和為0,即ε(t)=εe(t)+εcp(t)+εsh(t)=0(1)ε(t)=εe(t)+εcp(t)+εsh(t)=0(1)式中,ε(t)為試件的總變形;εe(t)為彈性變形;εcp(t)為徐變;εsh(t)為自由收縮變形。εe(t)、εcp(t)的變形方向與受力方向相同,取正值;混凝土的自由收縮εsh(t)取負(fù)值。如果能夠確定自由收縮變形和彈性變形,就可通過計(jì)算得出混凝土在約束狀態(tài)下的拉徐變。彈性變形與徐變的計(jì)算原理參閱了Kovler的研究結(jié)果,并在約束機(jī)制上進(jìn)行了改進(jìn)。在收縮補(bǔ)償?shù)倪^程中,所發(fā)生的受拉變形可以認(rèn)為是純彈性變形。計(jì)算應(yīng)力增量與應(yīng)變增量的比值可以得到混凝土當(dāng)時(shí)的彈性模量,該彈性模量是當(dāng)時(shí)混凝土的切線彈性模量。彈性模量的計(jì)算式見式(2)E(t)=Δσ/Δε(2)E(t)=Δσ/Δε(2)式中,E(t)為混凝土的彈性模量;Δσ為收縮補(bǔ)償?shù)膽?yīng)力增量;Δε為收縮補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變增量?；炷羶?nèi)部的拉應(yīng)力等于拉力傳感器讀數(shù)與試件截面積的比值。由軸向拉應(yīng)力和彈性模量計(jì)算可得混凝土的彈性變形。把彈性變形εe(t),自由收縮εsh(t)代入式(1),便可得到相應(yīng)齡期的混凝土的徐變εcp(t)。2測試2.1水泥astmpo治試驗(yàn)中采用加拿大Lafarge水泥公司生產(chǎn)的普通波特蘭水泥(ASTMType);以普通河砂作為細(xì)骨料,細(xì)度模數(shù)為2.74;碎石,級配良好,最大粒徑為12.5mm。配合比見表1,在配合比設(shè)計(jì)中始終保持水泥漿的體積含量不變。2.2水灰比對試驗(yàn)件應(yīng)力的影響混凝土在約束狀態(tài)下的自生拉應(yīng)力如圖4所示?；炷恋膬?nèi)部拉應(yīng)力均保持持續(xù)上升的趨勢,隨著齡期的延長,拉應(yīng)力曲線的上升漸趨平緩?；炷了冶仍叫?同齡期的試件完全約束時(shí)張拉應(yīng)力越大。而且,水灰比越小,1d左右時(shí)的上升趨勢越明顯。水灰比為0.25時(shí),試件在第7d出現(xiàn)了斷裂,斷裂前的軸向拉應(yīng)力約為3.4MPa,約為同齡期劈裂抗拉強(qiáng)度的65%。其它試件均未出現(xiàn)斷裂,但在第8d時(shí)終止了試驗(yàn)?？紤]到在一般情況下,混凝土的早期開裂多發(fā)生在2～3d,前7d不發(fā)生開裂的混凝土在后期發(fā)生開裂的可能性不大,研究已沒有實(shí)際意義。2.3彈性變形e,自由收縮變形讀取對收縮進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的變形增量和軸向拉力增量,并通過式(2)計(jì)算得到彈性模量。由此時(shí)的彈性模量和當(dāng)時(shí)的拉應(yīng)力求得彈性應(yīng)變εe,再把彈性變形εe和自由收縮變形εsh代入式(1),求得拉徐變。M0.25,M0.30,M0.35和M0.40彈性變形和徐變?nèi)鐖D5和圖6所示。從彈性變形和拉徐變的大小來看,二者均與混凝土的自由收縮有密切關(guān)系,混凝土的自由收縮越大,彈性變形越大,拉徐變也越大。但這并不足以說明收縮量大的低水灰比混凝土有較強(qiáng)的徐變能力,因?yàn)樵诩s束條件下混凝土所處的應(yīng)力狀態(tài)不同。2.4混凝土的徐變系數(shù)混凝土的徐變能力可以用徐變系數(shù)來表征。所謂的徐變系數(shù)是指在外力作用下某一時(shí)刻徐變的量與彈性變形的比值。約束狀態(tài)下混凝土的徐變系數(shù)如圖7所示。隨著齡期的發(fā)展,混凝土的徐變系數(shù)近似呈指數(shù)函數(shù)形式減小。水灰比越小,混凝土在各齡期的徐變系數(shù)都越大。1～2d時(shí)約束混凝土表現(xiàn)出較大的徐變能力,1d以內(nèi)的徐變系數(shù)甚至高達(dá)10以上。在1～2d時(shí)徐變系數(shù)以較快的速度減小,2～3d后減小速度減緩,7d時(shí)混凝土徐變系數(shù)仍在3～6左右。而成熟混凝土的極限徐變系數(shù)在1.30～4.15之間,ACI推薦的平均值為2.35。顯然,混凝土在早期,尤其在1d以內(nèi)的徐變系數(shù)要遠(yuǎn)大于普通混凝土。在約束狀態(tài)下,混凝土早期的收縮變形主要被徐變所補(bǔ)償。徐變在緩解拉應(yīng)力,延緩開裂方面起著重要作用。拉徐變與自由收縮的比較見表2。表2顯示,混凝土的拉徐變隨齡期在增長,但拉徐變與自由收縮的比值卻在減小。在完全約束條件下,3d的拉徐變量相當(dāng)于自由收縮量的67%～86%,也就是拉徐變緩解了67%～86%的收縮應(yīng)力。7d未開裂的試件拉徐變相當(dāng)于自由收縮值的63%～83%。由此看來,拉徐變在早期緩解了60%以上的收縮應(yīng)力。隨著齡期的延長,徐變系數(shù)漸小,徐變對收縮應(yīng)力的緩解作用也隨之減小。當(dāng)收縮持續(xù)發(fā)生,拉徐變不能夠及時(shí)緩解拉應(yīng)力而使拉應(yīng)力水平達(dá)到某一拉應(yīng)力水平時(shí),就會導(dǎo)致混凝土開裂,或存在開裂的可能。4混凝土早期拉徐變試驗(yàn)a.開發(fā)出了一套用于對高性能混凝土在約束條件下早期行為進(jìn)行分析的約束收縮試驗(yàn)裝置,并在測量精度、溫度控制、數(shù)據(jù)采集等方面進(jìn)行了改進(jìn)。系統(tǒng)的應(yīng)變測量精度均達(dá)到10-6,軸向荷載測量精度達(dá)到了荷載總量的0.5%。b.實(shí)現(xiàn)了對約束條件下混凝土的內(nèi)部應(yīng)力、彈性變形