驟然降溫下混凝土板溫度自約束應力的實驗研究

王仁振，汪泓吉，楊曉翔

(1.中國一冶集團有限公司，武漢 430070；2.新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室(武漢理工大學)，武漢 430070)

隨著我國經濟的快速發展，大型現代化技術設施或構筑物不斷增多。混凝土由于其價廉物美、施工方便、承載力大、可裝飾等優點，逐漸成為上述大型設施或構筑物的重要組成部分，特別是水利水電工程建筑中，如渡槽等。混凝土為脆性材料，且在一些大體積的構筑物中通常不配筋，因此在大體積混凝土結構的設計中應盡量避免出現拉應力或只出現很小的拉應力。而在大體積混凝土結構施工及運行過程中，當外界環境溫度變化時，混凝土由于其較差的導熱性能，使得結構內部溫度分布不均，進而發生變形。當該變形受到限制時會在結構內部產生溫度應力：受外界約束而產生的外約束溫度應力[1-5]及材料內部各質點間相互約束產生的溫度自約束應力[6,7]。研究表明溫度變化特別是驟然降溫時，混凝土表面產生較大的拉應力，甚至產生裂縫，表面裂縫在周而復始的溫度作用下將不斷延伸，這將直接影響混凝土結構的安全性能及使用壽命。因此控制溫度應力、防止混凝土結構產生裂縫[8,9]是提高混凝土耐久性的可靠途徑之一。

目前對于混凝土溫度應力的研究以理論和數值模擬為主[10,11]，而驟然降溫下混凝土結構內部不可忽視的溫度自約束應力的理論與實驗測試研究較少。因此，該文以混凝土平板為例，通過改變其單面環境溫度，詳細分析了驟然降溫時混凝土溫度自約束應力的產生機理，并設計兩步法實驗方案，開展混凝土板溫度自約束應力實驗研究，考察不同降溫速率對混凝土溫度場及應力場的影響，分析其分布規律，為采用數值模擬方法計算混凝土結構內部溫度應力提供驗證依據。

1 混凝土溫度自約束應力產生機理及測試方法

ε約束=ε總-ε自由

(1)

自由收縮應變不會引起應力，要計算混凝土溫度自約束應力，則需知道混凝土內部自約束應變。由于ε自由是混凝土板內外溫度下降至一致時的穩態應變，需要較長的穩定時間。因此，ε總與ε自由不太可能在一次實驗中同時測得。故文中采用兩步法進行測量：先通過兩次實驗分別測得總應變ε總和自由應變ε自由，再根據式(1)，得到混凝土的內部自約束應變ε約束，再根據胡克定律即可得到不同降溫速率下的混凝土溫度自約束應力。其技術路線如圖1所示。

2 實驗材料及測試設備

2.1 原材料配合比

此次實驗選用的原材料如下：水泥：華新P·O42.5級水泥，細度為0.67，比表面積為350 m2/kg；細骨料：平均細度模數是2.35，堆積密度為1 400 kg/m3(細砂)；粗骨料：粒徑5～20 mm的碎石，堆積密度為1 450 kg/m3；減水劑：課題組自制的高效減水劑；水：武漢自來水。

參照JGJ55—2011《混凝土配合比設計規程》設計C50混凝土，其配合比如表1所示。

表1 C50混凝土配合比

2.2 試件設計及制作

混凝土平板尺寸為0.5 m×0.5 m×0.05 m，將攪拌制好的混凝土裝入模具振搗密實，并將其放置在溫度為21 ℃的室內靜置一晝夜。拆模后放置于溫度為23 ℃，相對濕度為95%的養護室養護28 d。

2.3 溫度應力測試系統

采用的實驗設備有大型環境溫度控制箱WSD-01，動態信號測試分析系統，熱電阻溫度傳感器pt 100，應變片BX120-30AAA(XX)(電阻為(120±0.8)Ω，熱輸出靈敏系數為0.5 με/℃)等。

實驗前將混凝土平板進行預處理，在平板上下面分別固定一個熱電阻溫度傳感器，以便測量上下面的溫度變化。該測試中混凝土平板較薄，為使混凝土內外表面溫差達到最大值，在混凝土四周及下表面分布粘貼三聚氰胺泡沫保溫材料。分別選取距離混凝土平板邊緣0.07 m及正中心三點作為測試點布置0°、45°、90°的三向應變花，使得0°方向上的應變片沿混凝土橫向布置，90°方向上的應變片沿混凝土板縱向布置，如圖2所示。

3 試驗結果與討論

3.1 不同降溫速率對混凝土板溫度場的影響

該實驗通過大型環境溫控箱對環境溫度進行調節，設置5 ℃的初始溫度，將C50混凝土靜置一定時間，直至混凝土總體溫度達到5 ℃左右。設定不同降溫速率，利用溫度傳感器對混凝土外表面溫度進行實時測量，從而研究不同降溫速率對混凝土上下表面溫度的影響。圖3分別為初始溫度為5 ℃，混凝土平板在1 h內降溫5 ℃和10 ℃時上下表面溫度隨時間變化曲線。

由圖3可知當環境溫度按照一定降溫速率發生變化時，混凝土平板上下表面溫度均隨時間逐漸降低，由于保溫材料的作用，單位時間內平板下表面的降溫幅度小于上表面的降溫幅度，混凝土平板上下表面溫差逐漸增大。不同降溫速率下，混凝土平板上下表面溫度及溫差各不同，降溫速率越大，混凝土平板外表面的降溫幅度越大，上下表面的溫差也越大，其數值結果如表2所示。

表2 不同降溫速率下混凝土板上下表面溫度

3.2 不同降溫速率對混凝土板總應變的影響

為了研究混凝土結構上下表面溫差對混凝土自約束應力的影響，實驗過程中分別測定了混凝土平板表面不同測點處的應變。

圖4、圖5分別為測點A、B、C在初始溫度為5 ℃，降溫速率分別為5 ℃/h和10 ℃/h時，0°、45°、90°方向的應變隨時間的變化曲線，降溫1 h時刻各測點的應變值如表3所示。

表3 混凝土板總應變

由圖4，圖5及表3數據分析可知，當環境溫度降低時，混凝土表面產生收縮變形，環境溫度降溫速率越大，這種收縮變形越明顯，同一時刻混凝土平板表面的應變絕對值也越大；在相同降溫速率下，A、B、C三個測點的應變-時間曲線很相似，同一時刻的應變值也較接近，說明混凝土板的整個上表面是近似均勻的應變場。

3.3 不同降溫速率對混凝土板自約束應變及應力的影響

以上測試得到的應變是總應變ε總，按照實驗方案第二步，還需測試混凝土自由收縮ε自由。以環境降溫速率為10 ℃/h，降溫1 h時混凝土上表面溫度作為目標值，直至混凝土上表面溫度與混凝土下表面分別達到目標值，記錄此時測點A，測點B，測點C的自由應變平均值，見圖6。

采取同樣的方法測試降溫速率為5 ℃/h時混凝土由于自由收縮所產生的自由應變，結果如表4所示。

將表3及表4數據代入公式(1)可得混凝土平板在不同降溫速率下的自約束應變如表5所示。

表4 混凝土板自由收縮應變

表5 混凝土板自約束應變

在降溫過程中測得的表面應變為均為負值，自約束應變值均為正，說明混凝土在降溫時表面會產生拉應力。根據三個方向上的自約束應變分量，按下述公式可以計算出溫度自約束主應變和主應力，如表6所示。

(2)

(3)

式中，E為混凝土的彈性模量；ν是泊松比。

表6 混凝土板表面的溫度自約束第一主應力

可知，環境溫度降低時，混凝土板表面由于內部自約束作用產生了拉應力。降溫速率相同時，A、B、C三個測點所產生的溫度應力大小相近，混凝土板表面的溫度自約束應力的大小和測點的空間分布無關，說明混凝土板上表面具有近似均勻的自約束應力場，當降溫速率不同時，降溫速率越大，混凝土板表面的溫度自約束應力越大。

4 結 論

該文研究了驟然降溫下混凝土板溫度自約束應力測試技術，提出并設計了驟然降溫時混凝土板溫度自約束應力的“兩步法”測試方案。通過大型環境溫度控制箱控制降溫速率，獲得了混凝土板外表面溫度自約束應變變化曲線，得到了混凝土板外表面溫度主應力隨降溫速率的變化規律，獲得了如下結論：

1)當環境溫度降低時，混凝土板上下表面溫度隨時間逐漸降低，環境溫度降溫速率越快，混凝土板上下表面溫差越大。

2)混凝土板不均勻的溫度分布使得混凝土板產生不均勻變形，降溫幅度越大，同一時刻的變形也越大。在相同降溫速率下，混凝土板上表面A、B、C三點的應變值相差較小，表明混凝土板上表面是近似均勻的應變場。

3)當環境溫度降低時，三個測點計算所得的溫度應力值為正，即混凝土結構由于內部自約束作用產生了拉應力，且三個測點所得應力值較接近，即混凝土板上表面具有近似均勻的溫度自約束應力場，降溫速率越大，混凝土板表面的溫度自約束應力也越大。

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