低坍落度混凝土早齡期單軸直接拉伸試驗研究

李思李,田 波

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090;2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

CRCP在溫度收縮和收縮條件下，鋼筋混凝土的抗拉強度通過直接拉伸試驗或間接拉伸試驗來獲得。由于直接拉伸試驗難度較大，許多專家學者試圖通過便于試驗測定的混凝土強度及其和抗拉強度的關系[1-2]，借此間接得出混凝土的拉伸強度。Popovics分析了出混凝土的劈裂強度和直接拉伸強度的比值在0.41～1.28的范圍內，而彎曲強度和直接抗拉強度的比值在0.37～0.77范圍內，以上兩個強度比離散性都很大[3]。Jeong認為混凝土的抗拉強度可依據劈裂強度的85%～90%來確定[4]。 Ahmad和Shah以及ACI研究了混凝土在受拉和受壓狀態下的強度比，得出了不同的經驗公式[5]。 AASHTO 2002設計指南總結出直接與間接拉伸拉伸試驗測定的強度之間的比值應在0.6～0.7的范圍內，依據試驗測定的間接拉伸強度來確定該直接拉伸強度，一般情況以0.67為推薦取值。國內利用統計方法測定出軸向抗拉強度的標準值[6]。為得到可靠的試驗結果，本試驗采用直接拉伸試驗，針對鋼筋混凝土受拉時的受力特點提出一種合理的試驗方法。

1 試驗概述

1.1 試件成型

對鋼筋混凝土試件進行室內軸向直接拉伸試驗對試件的形狀和尺寸有著較高要求，以往的研究中，研究人員將試件成型為類似于抗折試件的矩形立方體，在試件兩端對混凝土施加拉力進行試驗[7-9]。在這種試驗條件下，由于試驗夾具和試件之間缺少適當的過渡，容易出現端部應力集中的情況[10]，導致試件中部與端部受力情況差別很大，試件更容易在端部發生破壞，影響試驗數據的真實性。為了避免由于試件形狀和尺寸的原因對試驗的影響，有的研究人員嘗試將內部埋置的鋼筋兩端伸出，夾具夾緊鋼筋后直接對鋼筋施加軸向拉力，這種方法可以較為有效地避免混凝土端部應力集中的現象，但在此試驗條件下，鋼筋和混凝土之間實際上是由鋼筋將試驗力通過摩阻作用傳遞給混凝土，而混凝土處于被動受力的情況，與實際溫縮及干縮作用下鋼筋混凝土的相對受力關系不符[11]。

為了避免上述誤差，準確模擬混凝土在溫縮以及干縮條件下鋼筋混凝土結構力學行為[12]，為了有效地避免試件在受拉端部應力集中的情況，將試件受拉兩端截面尺寸以軸心為基點逐漸放大，通過兩端逐漸增大的截面尺寸來使加載兩端的應力逐漸過渡到試件中部，此時直接對混凝土試件兩端施加軸向拉力，在加載過程中作為主要觀測的中部區域主動受到軸向均勻的拉伸力，與路面真實受力狀況相符。圖1和圖2為試件成型的模具尺寸實物圖和尺寸示意圖。

圖1 試件模具

圖2 試件模具尺寸(單位：mm)

試件模具由6片鋼板通過18個夾扣連接而成，每片鋼板可自由拆卸，端部鋼板各留有6個圓孔，成型試件時插入膨脹螺栓傳遞軸向試驗拉力。模具左右兩個側模板不同位置開有小孔，為架立鋼筋提供支撐。試驗時根據試驗條件的需要，將不同數量、不同位置的縱向螺紋鋼筋綁扎在架立鋼筋上，鋼筋縱向中部及端部等間距粘貼應變片，然后澆注混凝土，并按照設計齡期進行標準養護。試件模具端部模板實物圖及預埋鋼筋模具效果圖如圖3和圖4所示。

圖3 試件模具端部模板

圖4 預埋鋼筋模具

由于探究一般連續配筋混凝土路面開裂性能，試件選取CRCP常用的C30混凝土配合比，如表1所示。鋼筋混凝土試件設計參數如表2所示。

表1 C30混凝土配合比

1.2 應變片的粘貼

對鋼筋混凝土試件進行軸向直接拉伸試驗時，需要測量預埋鋼筋和混凝土的應變變化情況，因此需要對這兩部分粘貼應變片。

表2 拉伸試驗配筋試件

對于預埋鋼筋而言，粘貼應變片時需要進行防震和防潮處理。首先對鋼筋表面進行打磨，除去表面銹跡以及鋼筋肋部，使鋼筋表面形成光滑的平面。將應變片與接線端子焊接后，用粘結劑粘貼在打磨好的鋼筋表面，同時為了防止在后續操作中因意外拉扯造成應變損壞，需要將導線也粘在鋼筋上。對應變片進行防水處理時，用便攜式燃氣灶將石臘加熱融化，用小毛刷涂于應變片上，石蠟在室溫下會迅速凝固，覆蓋整個應變片，防止混凝土澆注時水泥漿體進入應變片內部，造成元器件短路。對應變片進行防震處理時，使用聚氯乙烯膠帶將應變片牢牢包裹，防止混凝土大粒徑集料對應變片的沖擊破壞。最后，用束線帶將導線綁扎在鋼筋上，起到固定作用，防止應變片脫落。鋼筋應變片粘貼流程示意圖如圖5所示。

圖5 鋼筋應變片粘貼流程示意圖

對于混凝土而言，應變片的長度需要至少大于集料最大粒徑的3倍。將養護好的混凝土表面擦干，用砂紙進行初次打磨，將打底膠均勻涂于被測位置處，盡可能填滿界面處的氣孔。待底膠干燥凝固后，再次進行打磨處理，使得底膠表面盡可能光滑平整。使用粘結劑將應變片粘貼在打磨過的底膠表面，并用夾片擠壓出多余黏結劑和氣泡，保證應變片與混凝土間粘貼緊密。

圖6 混凝土應變片粘貼

1.3 試驗方法

在試驗開始前，用萬用表測量各個位置應變片的電阻，確保應變片正常工作，應變采集工作正常進行。使用MTS對試件施加荷載。利用位移控制模式，以0.5 mm/min的速率通過兩端夾具對鋼筋混凝土試件施加軸向拉力，MTS記錄拉力大小以及混凝土位移量，NI動態應變測試儀記錄試驗過程中鋼筋和混凝土表面所有應變片實時的應變值，從而計算出預埋鋼筋和混凝土各自受到的軸向拉力變化情況。

試驗過程中，通過數碼攝像機進行拍攝，后期利用圖像識別軟件進行裂縫識別，2 048像素×1 536像素圖像檢測精度達到0.080 mm[13]，滿足對每隔固定時間裂縫寬度變化進行測量的需求。鋼筋混凝土試件是脆性材料，進行軸向直接拉伸試驗過程中，試件斷裂迅速而且是全截面斷裂[14-15]。由于測試區各個截面的應變實際并不相同，試驗過程中采用標距內應變片測得的平均應變來表征測試區的變形。試驗設備布置圖如圖7所示。

圖7 試驗設備布置

試驗開始階段首先在試件彈性范圍(應變小于20 με)進行預加載，消除試件與試驗機之間傳力部件的空隙，同時評價試件的安裝是否產生偏心荷載，如果加載曲線得到的彈性模量和混凝土彈性模量有較大差異，或者曲線在低應力水平狀態下明顯呈現非線性，則考慮調整試件位置和球鉸支座，直到加載的結果理想為止，圖8所示為試件破壞效果。

圖8 試件破壞

2 試驗結果分析

2.1 配筋率對早期開裂的影響

配筋率是連續配筋混凝土路面設計的核心，也對連續配筋混凝土路面裂縫寬度、裂縫間距和鋼筋拉應力三大設計指標[16-17]有重要的影響。連續配筋混凝土路面配筋率的計算公式[6]為：

(1)

式中,ρ為鋼筋與混凝土的配筋率；Ac為混凝土橫截面積；As為計算面積內鋼筋橫截面積之和。

本研究在相同配筋方式條件下(只在試件中部配置一根鋼筋)，不同配筋率對連續配筋混凝土路面早期開裂的影響。圖9為7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應變-位移曲線圖。

圖9 7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件的力-位移曲線以及應變-位移曲線

由圖9可知，無論是3 d齡期還是7 d齡期的鋼筋混凝土試件，在試驗初始階段，隨著位移的均勻增加，鋼筋混凝土試件受力呈線性上升趨勢，預埋鋼筋和混凝土的應變變化基本一致，當受到的軸向拉力超過某一范圍時，試件受力突然下降，不同配筋率的試件受力減小程度不同，配筋率較小的試件受力下降更明顯，沒有配置任何鋼筋的素混凝土試件發生全截面斷裂，受到的拉力直接降低為0。在力發生突變的瞬間，預埋鋼筋的應變突然增大，而混凝土的應變則直接降低為0。

通過以上觀察到的現象可知，早齡期的連續配筋混凝土路面的鋼筋和混凝土在溫縮或干縮作用下發生收縮形變，由于面層與基層間的摩阻力等外力限制其收縮變形致在面層板內出現拉應力，應力大小取決于所限制的形變量的大小。則其受到超過混凝土材料極限抗拉強度的內應力時，試件將被瞬時被拉斷，混凝土不再起到抗拉作用。若試件內無鋼筋約束鋼，則由于形變約束產生的內部拉應力與拉應變瞬間減小為0；若試件內部設置了鋼筋約束，則斷裂面處的軸向拉力將轉移到該處鋼筋上，混凝土產生的拉應變迅速降低至0的同時，鋼筋的拉應變迅速增加。

同時可以發現，對于固定齡期、固定配筋方式的鋼筋混凝土試件，配筋率對試件產生首次開裂的抗拉強度幾乎無影響，主要取決于混凝土材料的極限抗拉強度， 3 d齡期的混凝土試件抗拉強度約為1.05 MPa，極限拉應變約為40 με，7 d齡期的混凝土試件抗拉強度約為1.50 MPa，極限拉應變約為55 με，比3 d齡期混凝土抗拉強度增加約43%，極限拉應變增加約38%。當試件發生斷裂后，鋼筋承擔了試件的所有拉力，保持配筋方式一致的條件下，試件的配筋率越大，在斷裂后與混凝土接觸面積也越大，從而承受更大的拉力。

表3所示為7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件裂縫寬度統計表。由該表可知，無論是7 d還是3 d齡期的鋼筋混凝土試件，鋼筋的存在對于試件的早期抗裂性能有一定程度的影響，在提高CRCP首次開裂拉力起到一定作用，但效果并不明顯。隨著配筋率的增加，首次開裂拉力變化不大，但初始裂縫寬度逐漸減小。當試件破壞后，裂縫寬度隨MTS作動頭的運動而線性增加，裂縫寬度隨MTS位移變化圖如圖10所示。

表3 7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件裂縫寬度

注：(1)開裂時位移：鋼筋混凝土試件出現裂縫時MTS所移動的長度；(2)初始裂縫寬度：鋼筋混凝土試件出現裂縫時的鋼筋所在處裂縫寬度；(3)最終裂縫寬度：鋼筋混凝土試件被拉伸10 mm時(試驗結束時)鋼筋所在處的裂縫寬度。(下同)

圖11 相同配筋率不同配筋位置、配筋數量、配筋尺寸鋼筋混凝土試件的力-位移曲線以及應變-位移曲線

圖10 裂縫寬度隨MTS位移變化圖

2.2 配筋方式對早期開裂的影響

連續配筋混凝土路面縱向配置連續鋼筋，用于將開裂的路面拉緊，防止裂縫繼續開展。一般地，縱向鋼筋布置在整個路面厚度中部或距離頂面1/3厚度處[18-19]。本研究在同樣配筋率的條件下，不同配筋方式(鋼筋位置、鋼筋根數、鋼筋尺寸)對連續配筋混凝土路面早期開裂性能的影響。圖11所示為在相同配筋率不同配筋位置、不同配筋數量、不同配筋尺寸條件下鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應變-位移曲線圖。

由圖11可知，在配筋率相同的情況下，不同配筋方式的鋼筋混凝土試件在軸向拉力的作用下，試件的極限抗拉強度幾乎無變化。當試件發生開裂后對其進行繼續拉伸，得到的軸向拉力大小也與配筋方式無關。

表4所示為不同配筋方式鋼筋混凝土試件裂縫寬度統計表。從表中易看出試件采用相同的配筋率、不同配筋方式所產生的裂縫寬度有較大的差異。

表4 不同配筋方式鋼筋混凝土試件裂縫寬度

圖12 不同齡期條件下鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應變-位移曲線

鋼筋的數量和尺寸相同的情況下，鋼筋設置在離頂面1/3處的試件比鋼筋設置在整個試件厚度1/2處所產生的初次開裂的裂縫寬度小，更利于控制后期裂縫的開裂與發展。

鋼筋的數量和尺寸不同的情況下，即使用“直徑細、數量多”和“直徑粗、數量少”的配筋形式時，使用“細而密”的配筋形式比使用“粗而疏”的配筋形式能夠更好地限制試件的初始開裂寬度，說明這種配筋方式能對裂縫的后續發展起到更好的抑制作用。

2.3 混凝土齡期對早期開裂的影響

從澆注完成開始，混凝土材料的抗壓強度、抗拉強度等力學性能指標都隨著齡期的增長而逐漸發生變化[20]，本研究對相同配筋條件下不同齡期的鋼筋混凝土試件進行軸向直接拉伸試驗，研究齡期變化對CRCP早期開裂能力的影響。

圖12所示為不同齡期條件下鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應變-位移曲線圖。由圖可知，混凝土試件的極限拉應力隨著齡期的增長而變大，7 d 齡期的素混凝土試件比3 d齡期素混凝土試件強度增加約43%，拉應變增加約38%。對于中部配置1根φ16鋼筋的混凝土試件而言，7 d齡期的試件比3 d齡期試件強度增加約55%，拉應變增加約50%。

表5所示為不同齡期鋼筋混凝土試件裂縫寬度統計表。早齡期的鋼筋混凝土試件由于強度未完全形成，混凝土塑性性能相對明顯，而隨著齡期的增加，混凝土材料的強度逐漸形成，塑性性能減弱，脆性性能得到加強，在軸向拉力作用下，會出現裂縫邊緣處的破損和脫落等現象，直接造成試件表面裂縫寬度的增加。

表5 不同齡期鋼筋混凝土試件裂縫寬度

3 結論

通過對低坍落度混凝土的直接拉伸試驗數據的統計分析，可以發現如下結論：

(1)固定齡期、固定配筋方式的情況下，配筋率對開裂的影響

①配筋率對試件產生首次開裂的抗拉強度幾乎無影響，主要取決于混凝土材料的極限抗拉強度；

②當試件發生斷裂后，拉力全部作用于鋼筋上，保持配筋方式一致的條件下，試件的配筋率越大，試件斷裂后鋼筋與混凝土接觸面積也越大，從而承受更大的拉力。

(2)在配筋率相同的情況下，配筋位置和配筋形式對開裂的影響

①鋼筋的數量和尺寸相同的情況下，鋼筋設置在離頂面1/3處的試件比鋼筋設置在整個試件厚度1/2處所產生的初次開裂的裂縫寬度小，更利于控制后期裂縫的開裂與發展。

②鋼筋的數量和尺寸不同的情況下，使用“直徑細、數量多”的配筋形式比使用“直徑粗、數量少”的配筋形式能夠更好地限制試件的初始開裂寬度，此類配筋方式能對裂縫的后續發展起到更好的抑制作用。

(3)混凝土試件的極限拉應力隨著齡期的增長而變大，7 d齡期的素混凝土試件比3 d齡期素混凝土試件強度增加約43%，拉應變增加約38%。對于中部配置1根φ16鋼筋的混凝土試件而言，7 d齡期的試件比3 d齡期試件強度增加約55%，拉應變增加約50%。