連續(xù)變溫下早齡期混凝土應(yīng)變時(shí)變規(guī)律試驗(yàn)研究

摘 要：針對(duì)早齡期混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象，為掌握其應(yīng)變變化規(guī)律，通過(guò)日大氣溫度變化影響下早齡期混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化的模擬試驗(yàn)，采集試件的應(yīng)變及重量數(shù)據(jù)，分析早齡期混凝土在日氣溫變化影響下的應(yīng)變變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：在日氣溫變化的升溫和降溫過(guò)程中，早齡期（3d內(nèi)）混凝土均數(shù)次出現(xiàn)量級(jí)達(dá)100×10-6的劇烈收縮，受到約束時(shí)可產(chǎn)生易使混凝土開(kāi)裂的應(yīng)力；不同水灰比混凝土之間的膨脹應(yīng)變差值、收縮應(yīng)變差值分別可達(dá)100×10-6、200×10-6。

關(guān)鍵詞：混凝土；應(yīng)變；時(shí)變規(guī)律；連續(xù)變溫；早齡期

中圖分類(lèi)號(hào)：U444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2012）02-0058-05

Experimental Analysis of Time-Dependent Law of Early Age Concrete Strain Considering Continuous Temperature Variation

QIN Yua，LIU Lai-juna，ZHI Xi-lanb，ZHANG Liu-yua

(a. School of Highway; b. Key Laboratory for Special Area Highway

Engineering of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， P. R. China)

Abstract:Arexperiment was carried out for the analysis of time-varying regularity of early-age concrete strain under the influence of free air temperature changes. The strain data and the weight of specimens were collected. It is found that the severe shrinkage of early age (≤3d) concrete appears in the course of heating and cooling of daily temperature. And the magnitude of the severe shrinkage is 100×10-6. The expansion strain difference is up to 100×10-6 for different water cement ratio concrete， and the shrinkage strain difference is up to 200×10-6.

Key words:concrete；strain；time-dependent law；consecutive temperature variation；early age



混凝土橋梁構(gòu)件早期開(kāi)裂一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重要問(wèn)題。受到自身或外界約束時(shí)，早齡期混凝土應(yīng)變（由水化反應(yīng)、收縮等內(nèi)因和環(huán)境溫度、濕度等外因產(chǎn)生）會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至安全性。現(xiàn)澆混凝土橋梁構(gòu)件早期開(kāi)裂現(xiàn)象尤為多見(jiàn)。

早齡期混凝土應(yīng)變問(wèn)題已有較多研究成果。Aitcin等提出混凝土自收縮主要發(fā)生在初凝至1 d齡期內(nèi)，之后自收縮增加速率趨于緩慢［1］。Nassif等認(rèn)為對(duì)于非常低的w/c+p，粉煤灰輕集料提高了混凝土自收縮性能［2］。高小建等認(rèn)為其他配合比參數(shù)不變時(shí)混凝土早期自收縮與水灰質(zhì)量比的關(guān)系近似成二次方程［3］。張武滿(mǎn)和孫偉［4］指出高性能混凝土早期自收縮隨測(cè)試時(shí)間、砂率和針片狀骨料含量的增加而增大，隨骨料最大粒徑的增大而減小。已有研究工作主要集中在混凝土早期收縮的影響因素［1，3-6］、收縮試驗(yàn)研究［7-8］、各種混凝土早齡期收縮特性［9-11］等。但早齡期混凝土在大氣溫度下應(yīng)變隨時(shí)間變化的試驗(yàn)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

通過(guò)早齡期混凝土應(yīng)變隨溫度、時(shí)間變化的模擬試驗(yàn)，采集混凝土試件應(yīng)變及重量變化數(shù)據(jù)，分析不同配合比混凝土在溫度影響下的應(yīng)變差異，探討在日氣溫連續(xù)變化影響下早齡期混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)中國(guó)北方（指淮河、秦嶺和昆侖山以北的廣大區(qū)域［12］）7月份日氣溫變化模擬環(huán)境下的應(yīng)變?cè)囼?yàn)，得出早齡期混凝土在日氣溫連續(xù)變化影響下的應(yīng)變時(shí)變規(guī)律。受氣候影響，夏季是中國(guó)北方橋梁施工的主要季節(jié)。故選取7月作為模擬試驗(yàn)的時(shí)間點(diǎn)。

試驗(yàn)流程：

1）制作2組（每組6個(gè)）不同配合比的混凝土試件，規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

2）試件在養(yǎng)生室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)8 h后，即刻移入收縮變形測(cè)試儀環(huán)境箱內(nèi)。

3）環(huán)境箱內(nèi)溫度設(shè)為18.5 ℃，在試件移入之前預(yù)熱1 h。待試件移入后，保持環(huán)境箱內(nèi)恒溫18.5 ℃。恒溫1 h之后，確定位移傳感器初始值，開(kāi)始模擬環(huán)境下的應(yīng)變?cè)囼?yàn)。

4）環(huán)境箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化歷程安排見(jiàn)表1，升溫（降溫）速率恒定為±1.4 ℃/h。一個(gè)完整的溫度變化歷程為T0~ T12，共計(jì)24 h。

 1951—2000年間中國(guó)北方［12-13］7月平均日最高氣溫35 ℃，平均日最低氣溫18.5 ℃；夏季（6-8月）平均最高氣溫28.9 ℃，平均最低氣溫17.4 ℃。中國(guó)北方夏季（6-8月）日最低氣溫與最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間之間相差10~12 h，試驗(yàn)取12 h。

5）環(huán)境箱內(nèi)溫度、試件應(yīng)變數(shù)據(jù)采集周期為2 min。應(yīng)變數(shù)據(jù)采集持續(xù)2個(gè)歷程，共計(jì)48 h。在試驗(yàn)開(kāi)始前、第1個(gè)24 h結(jié)束、第2個(gè)24 h結(jié)束等3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，采集試件重量數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 原材料及配合比

水泥，采用陜西秦嶺水泥廠生產(chǎn)的“秦嶺”牌P.042.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)集料，采用乳山市徐家村砂場(chǎng)的中砂。粗集料，采用煙臺(tái)市利龍石子廠的石灰?guī)r碎石。減水劑，采用徐州市超力建筑材料有限公司生產(chǎn)的CUF-3引氣緩凝高效減水劑。混凝土試件的配合比見(jiàn)表2。

2.減水劑摻量按水泥用量的1.5%取用。

2.2 試驗(yàn)儀器及方法

試驗(yàn)儀器為長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院支喜蘭教授和胡宗文自主研制的“材料收縮變形測(cè)試儀”，如圖1所示。

圖1 材料收縮變形測(cè)試儀

材料收縮變形測(cè)試儀由：（1）環(huán)境箱（1為圖中編號(hào)，下同）、（2）套管、（3）溫度傳感器、（4）傳導(dǎo)桿、（5）膠木墊、（6）位移傳感器支架、（7）套管、（8）位移傳感器、（9）保溫層、（10）冷凝管、（11）玻璃墊板、（12）試件支架、（13）支架、（14）壓縮機(jī)管、（15）打印機(jī)、（16）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、（17）A/D轉(zhuǎn)換器、（18）壓縮機(jī)、（19）減震墊、（20）橫梁、（21）稱(chēng)重傳感器、（22）加熱帶、（23）試件、（24）風(fēng)扇聯(lián)接構(gòu)成。

環(huán)境箱的上頂面安裝有6個(gè)位移傳感器支架，每個(gè)支架上配置一個(gè)通過(guò)導(dǎo)線與A/D轉(zhuǎn)換器相連接的位移傳感器。其型號(hào)為WYD，位移測(cè)試分辨率達(dá)到萬(wàn)分之3，精度為0.1 μm，可確保測(cè)試結(jié)果的精度。位移傳感器將接收到的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，后者將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

環(huán)境箱底面的橫梁固定在支架上。橫梁上用螺紋緊固聯(lián)接件安裝有6個(gè)稱(chēng)重傳感器，型號(hào)為BK-5系列。稱(chēng)重傳感器通過(guò)導(dǎo)線與A/D轉(zhuǎn)換器相連接。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 收縮應(yīng)變分析

圖2為以t1為零點(diǎn)的24 h內(nèi)，A、B 2組試件應(yīng)變隨溫度、時(shí)間的變化。試件放入養(yǎng)生室時(shí)間設(shè)為t0，時(shí)刻t1=t0+9 h（8 h養(yǎng)生+1 h恒溫），t2=t1+24 h。圖中應(yīng)變數(shù)據(jù)為每組6個(gè)試件應(yīng)變的算術(shù)平均值。膨脹應(yīng)變?yōu)檎担湛s應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。圖3為以t2為零點(diǎn)的24 h內(nèi)，A、B 2組試件應(yīng)變隨溫度、時(shí)間的變化。

圖2 時(shí)刻t1為起點(diǎn)的試件應(yīng)變

由圖2—3可見(jiàn)，第1個(gè)24 h內(nèi)的收縮應(yīng)變大于第2個(gè)24 h，但膨脹應(yīng)變小于后者。這是因?yàn)殡S著齡期增長(zhǎng)（水泥水化程度提高），混凝土中孔隙率減小，相同環(huán)境溫度影響下混凝土的收縮應(yīng)變減小、膨脹應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

18.5~35 ℃升溫過(guò)程中（即0~12 h之間），混凝土應(yīng)變整體呈膨脹走勢(shì)，但出現(xiàn)數(shù)次膨脹收縮交替變化，其中有2次劇烈收縮的應(yīng)變差值（即1次劇烈收縮的應(yīng)變變化幅度）可達(dá)600×10-6以上，見(jiàn)圖4。35~18.5 ℃降溫過(guò)程中（即12~24 h之間），混凝土應(yīng)變整體呈收縮走勢(shì)，并伴隨著幅度較小的膨脹收縮交替且頻次較高，但仍會(huì)出現(xiàn)較為劇烈的收縮，其應(yīng)變差值可達(dá)500×10-6以上，見(jiàn)圖5。這主要是因?yàn)椋?）混凝土內(nèi)部溫度對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)過(guò)程為具有一定滯后性的熱傳導(dǎo)過(guò)程。2）混凝土中毛細(xì)孔水、吸附水、層間水散失引起的干燥收縮。而且環(huán)境溫度升高將導(dǎo)致混凝土干燥收縮增大。因?yàn)闇囟仍礁撸嗍型胁獊?lái)石凝膠的層間水失去越多，水泥石收縮越大。3）混凝土中干燥收縮與溫度的擴(kuò)散速度不同。溫度擴(kuò)散速度比干縮擴(kuò)散要快大約1 000倍。

圖2—3顯示，混凝土并非在35 ℃（即溫度最高點(diǎn)）膨脹應(yīng)變達(dá)到最大，而是在最高溫度過(guò)后約1 h。在膨脹應(yīng)變達(dá)到最大值后，將會(huì)出現(xiàn)降溫過(guò)程中的第1次劇烈收縮。混凝土內(nèi)部溫度對(duì)環(huán)境溫度是具有一定滯后性的熱傳導(dǎo)響應(yīng)過(guò)程。響應(yīng)過(guò)程取決于兩個(gè)方面：1)作為驅(qū)動(dòng)力的混凝土內(nèi)外溫差或溫度梯度；2)表征混凝土熱物性的導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)叵禂?shù)的大小。試驗(yàn)環(huán)境箱內(nèi)升降溫速率恒定，所以較低的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度對(duì)環(huán)境溫度的滯后響應(yīng)。

同時(shí)應(yīng)注意到，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土應(yīng)變?cè)黾踊驕p小的變化速率大致相同。這是受到試驗(yàn)環(huán)境箱內(nèi)恒定升降溫速率的影響。出現(xiàn)應(yīng)變變化速率不相同的原因可能是環(huán)境箱內(nèi)溫度變化速率與混凝土中溫度擴(kuò)散速度的差值發(fā)生變化（水分散失等引起），從而混凝土內(nèi)外溫度梯度產(chǎn)生變化，導(dǎo)致應(yīng)變變化速率改變。

3.2 混凝土重量變化

表3為各階段試件的平均重量。w0為試驗(yàn)開(kāi)始前各組試件重量的平均值。w1為t1+24 h時(shí)刻各組試件重量的平均值。w2為t2+24 h時(shí)刻各組試件重量的平均值。由Δ1、Δ2可知，混凝土試件重量減小。這是由于混凝土中的水和環(huán)境空氣處于某一平衡狀態(tài)，如果周?chē)橘|(zhì)空氣的濕度降低或溫度升高，混凝土就會(huì)發(fā)生水分散失。存在于硬化水泥漿體中的水包括毛細(xì)孔水、吸附水、層間水和化學(xué)結(jié)合水。除化學(xué)結(jié)合水存在于水化反應(yīng)的水化物晶體中不可散失外，其余3種水在環(huán)境濕度低于一定值時(shí)都可散失。

表4為2組混凝土試件的重量變化率。可見(jiàn)，隨著齡期增長(zhǎng)，重量變化率減小。第1個(gè)24 h的混凝土重量變化率大約是第2個(gè)24 h的2倍。在相對(duì)濕度較大或濕混凝土開(kāi)始干燥時(shí)，混凝土重量變化由毛細(xì)管水散失引起；在相對(duì)濕度較小時(shí)，重量變化是由于先后散失了吸附水和層間水。毛細(xì)管水與固相的聯(lián)系力很小，吸附水、層間水與水泥石固相之間是物理吸附作用。所以隨著混凝土不斷干燥及水分散失難度增大，混凝土重量變化率會(huì)逐漸減小。

同時(shí)可看到， A組試件重量變化率小于水灰比相對(duì)較大的B組試件。這是因?yàn)樗冶刃〉幕炷廖⒂^結(jié)構(gòu)密實(shí)、毛細(xì)孔平均孔徑小，不易與環(huán)境進(jìn)行水分交換，水分散失難度較大。

3.3 配合比的影響

由圖2—3可見(jiàn)，相同水用量、砂率、減水劑摻量，不同水灰比的混凝土，應(yīng)變隨溫度、時(shí)間變化規(guī)律基本相同。表5為2組試件應(yīng)變的算術(shù)平均值。可見(jiàn)，水灰比越小，收縮應(yīng)變?cè)酱蟆⑴蛎洃?yīng)變?cè)叫　＿@是因?yàn)樗冶容^小的混凝土微觀結(jié)構(gòu)致密，平均孔徑小；毛細(xì)孔徑越小，內(nèi)部相對(duì)濕度迅速降低，從而產(chǎn)生越大的應(yīng)力和收縮。

表6為2組試件之間最大應(yīng)變差值。εA、εB分別為A組、B組試件的應(yīng)變。在溫度最高點(diǎn)附近，不同水灰比混凝土之間的膨脹應(yīng)變差值達(dá)到最大。在之后出現(xiàn)的降溫過(guò)程中第1次劇烈收縮時(shí)，收縮應(yīng)變差值達(dá)到最大。因?yàn)樗冶仁怯绊懺琮g期混凝土應(yīng)變的重要因素。用水量對(duì)混凝土收縮的影響比水泥用量更大。在用水量一定的條件下，混凝土干縮隨水泥用量的增加而增大，但增大幅度較小。

4 結(jié) 論

1）在3 d齡期內(nèi)，日氣溫變化影響下，混凝土多次出現(xiàn)量級(jí)達(dá)100×10-6的劇烈收縮。以中國(guó)北方7月典型日氣溫（18.5 ℃~35 ℃）變化影響為例，劇烈收縮至少出現(xiàn)4次，應(yīng)變差值可達(dá)600×10-6以上。

2）隨齡期增長(zhǎng)，混凝土重量變化率明顯減小。僅水灰比不同的2種混凝土，其應(yīng)變隨溫度、時(shí)間變化的規(guī)律基本相同。但不同水灰比混凝土之間的膨脹應(yīng)變差值達(dá)100×10-6以上，收縮應(yīng)變差值達(dá)200×10-6以上。

3）在受到自身或外界約束時(shí)，劇烈收縮應(yīng)變將會(huì)產(chǎn)生極易使混凝土開(kāi)裂的應(yīng)力。為減少混凝土橋梁構(gòu)件早期開(kāi)裂，應(yīng)高度重視日氣溫變化對(duì)早齡期混凝土應(yīng)變的巨大影響。

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（編輯 胡 玲）