早齡期混凝土壓縮、拉伸和彎拉徐變與干燥徐變比較

李庶安，魏 亞，徐飛萍，李大方，韓兆友

(1.山東高速股份有限公司，山東 濟南 250101； 2.清華大學 土木水利學院，北京 100084)

0 引言

徐變為混凝土材料的固有性質，是影響評估混凝土結構物的開裂風險和預應力損失的重要因素。混凝土結構受力較復雜，壓縮、拉伸、彎曲是其常見的受荷形式。但目前相關的試驗研究和模型建立主要集中在壓縮徐變上，對拉伸徐變和彎曲徐變研究相對較少。例如，潘鉆峰等人[1]、孟少平等人[2]對蘇通大橋所采用的高強混凝土進行了壓縮徐變試驗。與壓縮徐變相比，拉伸徐變的測試難度相對較大，主要原因在于混凝土抗拉強度遠低于抗壓強度，由于拉伸徐變施加的應力較小，產生的變形量較小，對位移傳感器的精度要求高[3]。尤其對于早齡期混凝土，收縮變形與徐變變形數量級相當，進一步增加測量的難度。此外，受徐變影響較大的混凝土梁板結構多處于彎曲狀態[4-8]，有關混凝土彎拉徐變的研究并不多見[9-12]，因此需要對彎拉徐變進行研究。

目前混凝土徐變模型主要是基于壓縮徐變數據建立，在結構分析時假設混凝土拉壓徐變相等[13]。但是已有研究表明[14-16]，不同應力狀態下混凝土的徐變發展存在較大的差異。因此近年來，混凝土在壓縮、拉伸、彎拉下的徐變對比引起了國內外研究學者的關注。Ranaivomanana[14-15]對比加載齡期為28天混凝土的壓縮、拉伸與彎拉基本徐變。壓縮徐變采用圓柱試件(直徑110 mm，高220 mm)，拉伸徐變采用棱柱試件(70 mm×70 mm×280 mm)，彎拉徐變采用與拉伸徐變試驗尺寸不同的棱柱試件(100 mm×100 mm×500 mm)。在加載數天后發現三者數值大小出現顯著區分：壓縮徐變最大、拉伸徐變最小，彎拉梁受壓側和受拉側的徐變應變介于中間。此外，Ranaivomanana[14-15]發現拉伸徐變在后期出現了負增長的現象，并認為該現象可能與受荷試件的微損傷和收縮之間存在耦合作用產生附加收縮有關。

目前，由于試驗結果有限，國內外研究學者對壓縮、拉伸、彎拉等應力狀態下混凝土的徐變發展規律仍未形成共識。據作者所知，目前仍未見不同測試環境下早期混凝土壓縮徐變、拉伸徐變和彎拉徐變系統比較的相關報道。為了采取合適的徐變模型來準確分析早齡期混凝土結構物的應力和變形發展，有必要系統研究不同應力狀態下早齡期混凝土的徐變行為。

本研究設計開發了3套設備裝置來測試早齡期混凝土在壓縮、拉伸和彎曲狀態下的徐變行為，分析量化水灰比(0.3，0.4和0.5)、受力狀態(壓縮、拉伸和彎曲)、環境濕度條件(密封和干燥)對混凝土徐變發展規律的影響，并與文獻中的測試結果進行對比分析。

1 試驗

1.1 材料

試驗采用基準水泥，比表面積為350 m2/kg。粗骨料采自普通石灰巖碎石，細骨料選用普通石英砂。粗骨料最大粒徑為12.5 mm，石英砂的細度模數為2.6。本研究設計0.3，0.4，0.5這3種不同水灰比的混凝土，分別標記為3O，4O，5O。在初拌混凝土時摻加適量聚羧酸系高效減水劑以改善其工作性。混凝土配合比設計見表1。3種配合比的骨料體積分數均為50%，砂率均為40%。通常普通混凝土的骨料體積分數為50%～70%，本研究設計較高的漿體體積含量，使徐變變形相對提高，有利于更準確地測試和獲取變形數據，尤其是拉伸徐變結果。對7 d齡期密封條件和非密封(干燥)條件下的不同配合比混凝土進行3種徐變測試。試驗方案如表2所示。

表1 混凝土配合比設計

表2 試驗方案

1.2 拉伸徐變測試

拉伸徐變測試裝置包括門式加載框架、環境箱和應變位移測試系統，見圖1(a)。該加載裝置為典型的閉環電力伺服材料試驗機，帶有一個框架來容納環境箱，以控制恒溫恒濕。環境箱與門式加載框架的工作空間相匹配。設備施加的最大軸向拉力為55 kN，可持續運行數個月。測量期間荷載變化幅度小于拉伸荷載的1% (0.10 kN)。加載框架的施力部分從環境箱頂部和底部的開口伸入。環境箱由冷卻壓縮機、風扇、加熱回路、加濕單元以及溫濕度傳感器單元組成。環境箱的溫度控制范圍為5～60 ℃，誤差為±2 ℃，相對濕度控制范圍為40%～95%，誤差±5%。

對于每一組配合比，制作6個平行試件，尺寸統一為Φ100×400 mm。其中2個試件用于加載前的直拉強度測試，2個試件用于拉伸徐變加載，另2個試件則作為平行試件，用于扣除前者的溫度和收縮變形。試件兩端埋入金屬棒，加載裝置通過對拉金屬棒對試件施加荷載。有限元分析表明，試件應變測量部分沒有明顯的應力集中出現[17]。試件變形采用精度為μm位移傳感器(LVDT)測量。兩個LVDT安裝在試件相對的側面，位移測量標距為150 mm。

圖1 徐變測試裝置

1.3 壓縮徐變測試

壓縮徐變系統(圖1(b))的設計與拉伸徐變試驗相同，但壓縮徐變裝置沒有環境箱。壓縮徐變采用的試件為Φ100×250 mm的圓柱體。與拉伸徐變試驗相似，6個試件用于抗壓強度、壓縮徐變和自由變形測量。在壓縮徐變試驗中，最大荷載變化值測量期間施加荷載的4%(3.41 kN)。在徐變試驗中，在加載試件旁邊放置未經加載的試件，使加載試件和未經加載試件的環境條件保持相同。用同樣的LVDT傳感器測量壓縮徐變和自由收縮，變形測量的標距為130 mm。

1.4 彎拉徐變測試

彎拉徐變測試裝置如圖1所示，混凝土梁試件高50 mm，寬50 mm，長1 220 mm。梁截面(50 mm)的最小尺寸是骨料(12.5 mm)最大尺寸的4倍，以確保混凝土樣品的均勻性和代表性。4根梁同時進行測量，其中兩根處于加載條件下，另外兩根不加載。每根梁的撓度變形由LVDT在3個位置處進行測量，LVDT的精度為1 μm；其中一個測點位于跨中，另外兩個測點對稱設置于距離跨中350 mm處。在彎拉徐變測試中，加載梁承受兩個對稱的10 kg荷載，與跨中的距離均為375 mm。根據式(1)計算可知10 kg的荷載產生約1.4 MPa的最大拉應力。

(1)

式中，σmax為外部荷載P(98 N)和自重G(60 N/m)作用下產生的最大拉應力；a為荷載與支點之間的距離(200 mm)；l為兩支點間距(1 150 mm)；e為懸臂長度(35 mm)；MR為截面抗彎模量(2.08×104mm3)。7 d齡期時，4O和3O試件抗拉強度分別為3.63 MPa和4.61 MPa，而荷載產生的最大應力小于撓曲強度的40%，因此可以認為在10 kg作用下混凝土處于線性徐變發展階段。

1.5 徐變暴露條件測試

3種徐變測試設備都置于室內，環境相對濕度控制在(50±5)%，溫度控制在(23±1)℃。3種徐變測試中的試件分別處于密封和干燥環境。密封試件用來測試混凝土的基本徐變，而干燥試件用來獲得基本徐變和干燥徐變。密封試件用鋁箔膠帶將試件表面纏繞3層。使用殷鋼夾具將LVDT固定到密封試件上。夾具與試件之間用硅膠密封膠密封，以確保所有試件表面都密封。結果證明這樣的密封方式效果良好：在不同的徐變試驗中，1個月的時間內，采用平行密封的方法測量得到失水率小于0.2%。Charpin等[18]認為，在兩年的測試期間，使用4層鋁箔可以將水的損失控制在樣品總質量的0.15%內。

在干燥的情況下，壓縮徐變和拉伸徐變測試試件所有表面暴露于干燥環境。而在彎曲徐變試驗中，梁的頂部和底部表面暴露在環境中，其他表面用3層鋁箔膠帶密封，以形成一維干燥條件。混凝土的拉伸、壓縮、彎拉徐變均在密封養護7 d后開始測試，施加的應力為分別為各應力狀態下混凝土強度的40%。

2 結果與討論

2.1 不同加載方式下徐變的比較

將密封(圖2)和干燥(圖3)測試條件下不同應力狀態(壓縮、拉伸和彎曲)下徐變分別進行比較。由于在密封條件下測得的基本徐變是混凝土的固有性質，與試件尺寸無關，所以即使使用不同的試件尺寸，也可以比較3種類型徐變。對于3種水灰比的混凝土，基本壓縮徐變最大的(圖2)。這種差異隨著徐變加載時間的增長略有增加。水灰比較高的試件基本徐變更大。彎曲徐變的大小介于壓縮徐變和拉伸徐變之間。這是合理的，因為在梁的彎曲過程中會產生壓應力和拉應力，而壓縮徐變和拉伸徐變是互相促進的。實測的彎拉徐變實際上是由壓縮荷載和拉伸荷載共同作用產生的有效徐變。與壓縮和拉伸徐變相似，水灰比越大，彎拉徐變越大。在相同試驗條件下，4O混凝土的彎曲徐變比3O混凝土大65%，說明彎拉徐變對水灰比的值敏感。同時，在高水灰比混凝土中，較大的比表面積可能導致較大的彎拉徐變。

圖2 壓縮、拉伸和彎拉徐變的比較

混凝土在干燥時的徐變與試件尺寸有很大的關系。對于干燥條件下的徐變，由于試件尺寸相似，僅對壓縮徐變和拉伸徐變進行了比較。由于彎拉徐變試件的形狀尺寸與壓縮徐變和拉伸徐變試件差異很大，因此沒有將其與壓縮徐變和拉伸徐變進行比較。

干燥條件下，高水灰比的4O和5O試件拉伸徐變與壓縮徐變接近，如圖3所示。對于3O混凝土，拉伸徐變比壓縮徐變大得多。干燥條件下的徐變包括基本徐變和干燥徐變，如圖2中所示，由于混凝土的基本壓縮徐變比基本拉伸徐變大，干燥對拉伸徐變影響更為顯著。

圖3 非密封(干燥)條件下壓縮徐變與拉伸徐變的比較

2.2 密封與干燥條件下徐變的比較

以非密封條件下的徐變與密封條件下的徐變之比作為指標，量化干燥對混凝土徐變的影響。圖4是不同混凝土在不同荷載類型(壓縮、拉伸和彎曲荷載)下的非密封徐變與密封徐變比值的變化。在經過最初的調整階段后，所有比值在7 d后趨于穩定。穩定之后的比值均大于1，說明無論施加何種荷載，干燥條件下的徐變總是大于密封條件下的徐變。

圖4 3O、4O和5O混凝土在不同荷載作用下的非密封徐變與密封徐變之比

拉伸徐變對干燥條件更為敏感，其非密封徐變與密封徐變的比值比大于壓縮情況下的比值，在低水灰比混凝土中干燥效果更顯著。在拉伸徐變試驗中，對于低水灰比3O混凝土這一比值達到2.5，對于4O和5O混凝土則達到1.75。在壓縮徐變試驗中，對4O和5O混凝土這一比值為1.6，對3O混凝土為1.2。

在彎拉徐變試驗中，混凝土的非密封徐變與密封徐變比更大，穩定值為1.9。然而，彎拉徐變試驗的試件尺寸與壓縮徐變和拉伸徐變試驗的試件尺寸不同。在彎拉徐變試驗中使用的試件更小，可以促進試件與環境的水分交換，從而增加了彎拉徐變試驗干燥條件下的徐變。

2.3 壓縮徐變與拉伸徐變的比較

壓縮徐變和拉伸徐變的比較具有重要意義，因為目前大多數徐變數據是在壓縮荷載作用下測試得到的，徐變模型的建立在壓縮徐變基礎上，并以此預測混凝土結構的應力和變形，而不考慮結構所受的荷載類型。許多研究人員發現了壓縮徐變和拉伸徐變的區別。然而，在何種徐變數值更大以及其中的機理解釋方面，很多研究人員的發現是相互矛盾的。

下面將進一步比較密封和干燥條件下的壓縮和拉伸徐變比。在密封和干燥測試條件下，3O，4O和5O試件壓、拉徐變比值隨齡期的變化如圖5所示。徐變比在徐變加載的前3天內無規律變化，與徐變類型、水灰比和干燥條件無關。在密封條件下，該比值穩定大于1，在1.25～1.5范圍內。在干燥條件下，4O和5O混凝土的該比值略大于1，在1.0-1.18之間，3O混凝土的比值小于1，穩定值為0.75。總體而言，3種水灰比混凝土在密封條件下的壓縮拉伸徐變比總是大于干燥條件下的壓、拉徐變比。如前所述，拉伸徐變對干燥條件敏感。

圖5 密封和非密封(干燥)條件下混凝土壓縮徐變與拉伸徐變比值發展

拉、壓徐變的差異可能在于受力損傷機理不同，其中微裂紋發展與水分遷移之間存在耦合作用是最普遍的機理。水的遷移被認為由持續的徐變荷載引起，在此荷載作用下，水從貫穿裂縫向未反應熟料遷移，進一步水化，從而產生附加自干燥收縮。

干燥條件對低水灰比混凝土(3O)的拉伸徐變影響最大。在密封條件下，壓、拉徐變比達到1.5，在干燥條件下降至0.75。因此，對于低水灰比混凝土，應區分壓縮徐變和拉伸徐變，并正確地用于應力和變形預測。

3 結論

本研究設計了3種設備，測量并比較了早齡期混凝土在壓縮、拉伸和彎曲應力作用下的徐變行為。試件的水灰比分比為0.3，0.4和0.5，測試過程中混凝土處于密封狀態和暴露于濕度為50%的環境。本文的主要結論如下：

(1)對于不同強度、不同尺寸的混凝土試件，在不同荷載類型(壓縮、拉伸、彎拉)時，干燥條件下(50%RH)的早齡期徐變均大于密封條件下的早齡期徐變。非密封條件下與密封條件下的徐變度之比在1.25～2.5之間，具體數值取決于混凝土的水灰比和所施加的荷載類型。

(2)拉伸徐變對干燥條件更敏感。非密封條件下與密封條件下的拉伸徐變度之比在1.75～2.5之間，壓縮徐變度之比在1.25 ～ 1.5之間。因此，建議采用干燥條件下的拉伸徐變而不是基本徐變來計算拉應力，評估暴露于干燥條件下的早齡期混凝土開裂風險。否則，應力和開裂風險可能被高估。

(3)不同水灰比試件的基本壓縮徐變均大于基本拉伸徐變，兩者之比在1.26 ～ 1.5之間。但在干燥條件下，壓縮徐變并不總是大于拉伸徐變，兩者之比在0.75 ～ 1.16之間。低水灰比試件(3O)在密封條件下的壓、拉徐變比最大，在干燥條件下的壓、拉徐變比最小。因此，對于低水灰比混凝土，應區分壓縮徐變和拉伸徐變，并正確地用于混凝土結構的應力和變形預測。

(4)基本徐變對比表明壓縮徐變度最大，彎拉徐變度次之，拉伸徐變度最小。在干燥條件下，彎拉徐變不可以直接與拉伸徐變和壓縮徐變進行比較，因為在彎拉徐變試件的比表面積比壓、拉伸徐變試件的比表面積要大得多。非密封條件下與密封條件下的彎拉徐變度之比在1.75 ～ 2.0之間。