基于溫度應力試驗的大摻量粉煤灰混凝土應力松弛的研究

趙志方,蔡金濤

(浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

1 研究背景

為了研制綠色高性能的混凝土,使混凝土工業能走可持續發展的道路,探究摻量超過50%的粉煤灰混凝土就有了重要的現實意義[1-2]。研究高性能的粉煤灰混凝土,提高粉煤灰利用水平,不僅可以大大減少粉煤灰對生態環境帶來的不利影響,還可能提高其在不同環境不同條件使用下的性能表現,改善其抗裂性,延長混凝土使用壽命,從而使其全壽命周期的綜合成本降低,產生巨大的環境、技術、經濟和社會效益[3]。相對于普通混凝土,高摻量粉煤灰混凝土能大量減少混凝土中水泥的用量,使混凝土的溫升降低,同時使內部水化反應的速率降低,這有利于混凝土內部的溫度控制,能夠很好地防止大體積混凝土早期的開裂。但是要想準確科學地評價混凝土的開裂敏感性,必須要考慮混凝土應力松弛的作用。混凝土在持續荷載作用下,除了初始瞬時的彈性應變,徐變也會隨著時間而逐步發展,為保持應變為常數,就須減小施加的荷載,減小的這部分荷載就是松弛掉的應力,這個現象就是應力松弛。

相關研究表明,一般情況下,應力松弛能松弛掉構件60%以上的應力,說明應力松弛能在很大程度上減小約束拉應力,大大提高了混凝土構件的抗開裂能力[4-5]。實驗室里面常規測定應力松弛的方法是通過對混凝土施加恒定變形,接著用儀器測得隨試驗齡期變化的應力,然后與初始應力的比值來反映其應力松弛；但是，對于約束混凝土傳統的方法測定應力松弛是不科學、不準確的,它不能很好地反映約束構件的受力狀態。首先,一般受約束的混凝土的初始應力為零,直到混凝土構件收縮變形受到約束才產生約束拉應力,并且隨著齡期的增大發生應力松弛,約束應力被削弱；其次,約束混凝土早期變形和力學性能變化很快,用傳統的試驗方法來測混凝土的應力松弛誤差很大。因此,本次試驗采用溫度應力試驗機( Temperature-Stress Testing Machine,簡稱TSTM)對應力松弛展開研究,因為TSTM能夠直接準確地測定混凝土受約束而產生的實際應力[6]。

2 早期應力松弛的計算方法

本文采用的溫度應力試驗可以直接準確地測出受松弛作用后的應力,測得的約束應力就是松弛作用的應力σr(t)。如若不考慮松弛作用,那么t時刻(t>t0)的計算彈性應力為σe(t)=E(t)·εr(t),其中εr(t)是約束收縮,即自由試件的變形,由溫度應力試驗機直接測出,E(t)是彈性模量,見圖1。

圖1 早期應力松弛示意圖

基于圖1定義應力松弛度ζ(t)來反映混凝土應力松弛的能力,將計算所得彈性應力與實測約束應力的差值與彈性應力做比值計算即可以得到應力松弛度。

(1)

式(1)中：ζ(t)為應力松弛度；

σe(t)為計算彈性應力;

σr(t)為實測約束應力。

為了估算混凝土的彈性模量,本文引入Kanstad[7]改良彈性模量發展模型,此模型不僅適用于普通混凝土,也適用于粉煤灰混凝土。Kanstad改良彈性模量發展模型如下。

(2)

式(2)中：t0為初凝時間；

te為等效齡期；

Ect,28為28 d的拉伸彈性模量；

nE為表征拉伸彈性模量發展的系數；

S為常數,對于快硬高強水泥取0.20,普通水泥取0.25。

nE的值在CEB-FIP 1990模型匯編中一般取0.5,可經過Kanstad分析發現實際情況中取值應在0.3～0.4之間,基于本次試驗對試驗數據進行擬合,近似取nE為0.4。對于公式中常數S,普通摻量粉煤灰混凝土取0.28,大摻量粉煤灰混凝土取0.38。普通摻量粉煤灰混凝土和大摻量粉煤灰混凝土的初凝時間根據實驗實測得出,分別為8.3 h和28.6 h。兩者28 d的彈性模量經過力學試驗測得,分別為23.0 GPa和27.8 GPa。

3 溫度應力試驗測定早期應力松弛

根據已用于某雙曲拱壩施工的35%摻量粉煤灰的混凝土作為參照混凝土(以下簡稱“基準混凝土”,混凝土組號HF1),對照組采用其設計配制方法和原材料,根據等漿體理論[8],配制出強度發展與基準混凝土相當的80%摻量粉煤灰的大摻量粉煤灰混凝土(以下簡稱“大摻量混凝土”,混凝土組號HF2),兩種混凝土的配合比見表1。

表1 兩種粉煤灰混凝土的配合比

試驗采用兩種模式，即匹配模式和絕熱模式來對兩種粉煤灰混凝土的應力松弛進行研究。對TSTM試驗機的絕熱模式和匹配模式介紹如下[9]：

3.1 絕熱模式

絕熱模式下的溫度自補償試件一旦與外界進行熱交換,試驗機就會通過溫控措施對進行熱交換的試件進行補償。試驗采用絕熱模式進行試驗,主要是研究基準混凝土和大摻量混凝土兩者因為水化放熱不同而產生的應力差異,通過對比來評價兩種混凝土的應力松弛能力。試驗時混凝土入模溫度與實驗室溫度相同,控制在(20±1) ℃,當混凝土內部溫度達到溫峰后維持24 h,然后以1 ℃/ h的速率降溫至試件開裂或達到試驗機低溫臨界值。

3.2 溫度匹配模式(TMC)

溫度匹配模式以現有大壩內部實測與計算溫度場模擬的溫度歷程曲線為引導,通過試驗機的溫控系統對混凝土試件的內部溫度進行實時的控制監測,使混凝土內部的溫度與溫度歷程曲線的溫度保持一致。通過溫度匹配模式可以模擬實際工程中混凝土的各項物理力學性能,具有實際意義地評價混凝土的開裂敏感性。本試驗采用該雙曲拱壩的35%摻量粉煤灰混凝土的實測溫升數據和經有限元計算確定的80%摻量粉煤灰的大摻量粉煤灰混凝土的溫度歷程曲線見圖2。使用溫度應力試驗機用所得溫度歷程曲線做溫度匹配(TMC)模式和絕熱模式下的大摻量粉煤灰混凝土的早期抗裂性研究。分析基準粉煤灰混凝土和大摻量粉煤灰混凝土的早期應力松弛的發展,比較兩種混凝土早期抗裂性能的優劣[10]。

圖2 兩種混凝土TMC模式下的實測約束應力

普通摻量混凝土和大摻量混凝土的約束試件在匹配模式和絕熱模式下的在本次溫度應力試驗中實際溫度歷程見圖3。

圖3 兩種混凝土在TMC和絕熱模式下的實際溫度歷程

1)溫度匹配(TMC)模式下的早期應力松弛。

兩種混凝土實測約束應力結果見圖3。由圖3a)看出兩種混凝土約束拉應力于降溫階段(HF1和HF2分別于168 h和222 h開始)才開始出現并持續增長直到試驗結束停止增長。溫度變形造成的約束拉應力的不斷增大是導致大體積混凝土開裂的最主要原因[7],因此本節應力松弛研究的重點是從降溫階段開始至試驗結束。兩種混凝土從降溫階段至試驗結束的實測約束應力與計算彈性應力見圖4。由此可得兩種混凝土的應力松弛度,見圖5。

圖4 兩種混凝土TMC模式下的實測約束應力與計算彈性應力

圖5 兩種混凝土TMC模式下的應力松弛度

由圖5可見：降溫階段早期,應力松弛度隨齡期增加而增加,之后逐漸趨于穩定。HF1于降溫點后32 h即200 h拉斷,HF1拉斷時的應力松弛度為0.52,HF2同樣取降溫點后的32 h即254 h作為比較,HF2的應力松弛度為0.49。這意味在該階段普通摻量混凝土HF1最大能松弛掉約52%的約束拉應力,超高摻量混凝土HF2此時松弛49%的約束拉應力。這可能由于超高摻量混凝土拉應力發展較遲在HF1降溫點之后經歷相同時間以后,雖HF2混凝土的應力松弛能力低于HF1混凝土,但已逐漸接近HF1混凝土的應力松弛能力。又因TSTM降溫最低只能降到-15 ℃,但HF2并未拉斷,不過此時其約束拉應力已十分接近該時刻的抗拉強度,可認為試件已近開裂。由圖5b)可見HF2在臨近開裂時的應力松弛度為0.54,這表明HF2最大能松弛掉超過54%的約束拉應力。說明隨粉煤灰摻量增大,混凝土的應力松弛度提高,受拉階段拉應力松弛能力略有提高。大摻量混凝土HF2松弛的拉應力略高于普通摻量混凝土HF1,對混凝土早期抗裂有利。

2)絕熱模式下的早期應力松弛

兩種混凝土實測約束應力結果見圖6。由圖6看出兩種混凝土約束拉應力與TMC模式一樣于降溫階段(HF1和HF2分別于71 h和99 h開始)才開始出現并持續增長直到試驗結束停止增長。兩種混凝土從降溫階段至試驗結束的實測約束應力與計算彈性應力見圖7。由圖7可知,在降溫階段,計算彈性應力并沒有直接開始變為約束拉應力,而是略大于0的約束壓應力。這是由于自由試件在絕熱模式下溫峰較高,產生的膨脹變形量大,壓應力儲備較多,而降溫產生的收縮變形在降溫初始階段并沒有使混凝土從膨脹狀態轉化為收縮狀態。因此,取圖7計算彈性應力轉化為拉應力的時間點開始,計算兩種混凝土的應力松弛度,結果見圖8。

圖6 兩種混凝土絕熱模式下的約束應力

圖7 兩種混凝土絕熱模式下的實測約束應力與計算彈性應力

圖8 兩種混凝土絕熱模式下的應力松弛度

由圖8可見：在降溫階段,當計算彈性應力也進入拉應力狀態后,應力松弛度隨齡期增加而快速增加,之后增長速度減慢,逐漸趨于穩定。HF1于80 h應力松弛度開始增長,在52 h即132 h拉斷,HF1拉斷時的應力松弛度為0.59,HF2在106 h進入計算拉應力狀態,經歷41 h后試件拉斷,此時HF2的應力松弛度為0.65。這意味著在該階段基準摻量混凝土HF1最大能松弛掉約59%的約束拉應力,大摻量混凝土HF2此時松弛65%的約束拉應力。說明隨粉煤灰摻量增大,混凝土的應力松弛度增加,受拉階段拉應力松弛能力有所提高。大摻量混凝土HF2松弛的拉應力高于普通摻量混凝土HF1,說明大摻量混凝土比普通摻量混凝土在降溫拉伸階段能松弛掉更多的約束拉應力,從而降低混凝土試件的開裂風險。

對比兩種模式下的應力松弛：1)在TMC模式下,先同樣取降溫開始后32 h,即HF1拉斷時作對比,HF1此時能最大松弛52%約束拉應力要略大于HF2的49%,但是在HF2臨近拉斷時,即HF2在291 h已經能夠最大松弛掉超過54%的約束拉應力。2)在絕熱模式下,HF1和HF2拉斷時分別能最大松弛59%和65%的約束拉應力。但是絕熱模式下,HF1溫升快溫峰高(溫峰遠大于TMC模式),導致拉應力儲備大,雖然能松弛更多的約束應力,但是其拉應力基數大,造成其最終的約束應力要大于TMC模式。但是從這兩種模式下的應力松弛表現看,HF2的抗裂性能比HF1要好。結果表明：隨粉煤灰摻量的增大,大摻量粉煤灰混凝土比普通摻量混凝土能松弛更多的約束應力,能降低混凝土早期的開裂敏感性,對抗裂有利。

4 結 語

本文基于溫度-應力試驗的特點,研究了匹配模式和絕熱模式下基準粉煤灰混凝土和大摻量粉煤灰混凝土降溫階段應力松弛的發展規律,分別對比了兩種不同摻量粉煤灰混凝土在兩種不同模式下的開裂敏感性,結果表明：

TMC模式下,大摻量混凝土應力松弛度為0.54，要大于普通摻量混凝土0.52,表明多松弛了2%的約束拉應力。絕熱模式下,大摻量混凝土的應力松弛度為0.65,比普通摻量混凝土0.59高,表明多松弛6%的約束拉應力,兩種模式下大摻量混凝土比普通摻量混凝土在同等約束條件下能夠松弛更多的約束拉應力,降低了混凝土的開裂風險。因此,相對于已經投入實際工程使用的35%基準混凝土,80%大摻量粉煤灰混凝土隨粉煤灰摻量的提高,混凝土的抗裂性能得到改善,能降低開裂的風險,為今后在大體積混凝土工程中的運用打下基礎。