早齡期預制疊合剪力墻收縮變形研究和開裂風險預測

吳 曦，汪夢甫

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

混凝土收縮是工程結構中的普遍現(xiàn)象，早齡期(通常指混凝土基材拌和開始至28 d時間段)混凝土在未形成足夠強度之前，因環(huán)境溫度、濕度條件和內(nèi)部自干燥引起的收縮是工程結構產(chǎn)生非荷載裂縫的主要原因，也是影響混凝土結構可靠性和耐久性不可忽視的因素[1-3].已有的研究表明：混凝土中的水分會因水泥的水化作用和蒸發(fā)而降低，水化作用引起的自干燥在混凝土內(nèi)部相對穩(wěn)定均勻，水分蒸發(fā)則與混凝土所處位置相關，靠近大氣環(huán)境的混凝土水分更容易蒸發(fā).混凝土內(nèi)部會形成復雜的濕度場，濕度的不均勻會引起結構收縮變形不平衡[4-6]，當收縮變形產(chǎn)生的應力大于混凝土的抗拉強度時，會引起墻體的開裂(如圖1所示).

圖1 混凝土由于收縮變形不平衡引起內(nèi)應力示意圖Fig.1 Illustration of intrinsic strain generated by inconsistent shrinkage in concrete

預制疊合剪力墻作為我國近些年來重點推廣的裝配建筑結構形式，已在我國眾多省份進行工程應用，但由于施工過程中養(yǎng)護不當或者施工工藝缺陷，部分已建成的裝配建筑中出現(xiàn)了因墻體、樓板及后澆筑部分非結構裂縫引起的滲水問題[7].預制疊合剪力墻是由工廠預制和現(xiàn)場澆筑混凝土部分組成的半預制結構體系，各組成部分混凝土齡期、環(huán)境條件和養(yǎng)護條件不同，混凝土內(nèi)部濕度存在差異，收縮變形情況也不一致.

目前，關于預制疊合剪力墻結構的研究多集中在宏觀力學性能上，針對微觀層次收縮變形方面尚無研究，為了解預制疊合剪力墻的收縮變形特性，本文進行了一系列試驗和理論研究.

1 收縮變形試驗

1.1 試件設計及制作

本試驗設計了一片小尺寸疊合剪力墻，墻片尺寸為1 000 mm×1 450 mm×160 mm，各疊合層厚度比為1∶2∶1，即兩面預制層厚度為40 mm，夾心層厚度為80 mm，因試件為小尺寸剪力墻構件，各疊合層厚度較小，不便振搗，各疊合層均采用C30級自密實混凝土(SCC)分批次進行澆筑.水泥采用南方水泥有限公司坪塘水泥廠生產(chǎn)的PO 42.5級基準硅酸鹽水泥，細骨料為細度模數(shù)2.65的河砂，粗骨料為最大粒徑不超過12.5 mm的碎石.經(jīng)過試配，試驗采用自密實混凝土配合比及工作性能[8]如表1所示.分別留置150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊和150 mm×150 mm×300 mm棱柱體試塊用于測量混凝土3 d、7 d、14 d和28 d抗壓強度和彈性模量，各齡期混凝土的強度和彈性模量如表2所示.

表1 自密實混凝土配合比及工作性能Tab.1 Mix proportion and workability of SCC

表2 自密實混凝土材料參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of SCC

試件制作按照預制疊合剪力墻的施工順序進行：先制作鋼筋籠，分兩次澆筑預制墻身.第一面預制墻身養(yǎng)護7 d達到拆模強度后翻轉進行第二面預制墻身制作，待第二面預制墻身養(yǎng)護達到75%設計強度后，將其直立并固定于混凝土基礎梁上，澆筑夾心層混凝土.

1.2 試驗觀測方案

因混凝土收縮是一個緩慢變化過程，要求試驗測試儀器具備良好的穩(wěn)定性，本次試驗采用振弦式應變計測試剪力墻的應變變化情況.為比較預制疊合剪力墻不同結構層的收縮徐變差異，分別在預制層安裝表粘式振弦應變計，在夾心層安裝埋置式振弦應變計.預制層表粘式應變計在第二面預制墻身拆除木模板后通過嵌入支座固定于混凝土表面，埋置式應變計在制作剪力墻鋼筋籠時固定于鋼筋上，待夾心層混凝土澆筑后與剪力墻形成整體.表粘應變計和埋置應變計對應測點位置分別為距離墻外面10 mm和70 mm處，應變計的安裝平面及剖面定位如圖2所示.

圖2 應變計安裝示意圖Fig.2 Arragngement of strain gauges

早齡期混凝土收縮變形觀測周期從夾心層混凝土澆筑開始，測量頻率為每天觀測一次，同步記錄實驗室溫度和濕度，持續(xù)觀測28 d.為避免擾動，保持相對穩(wěn)定環(huán)境條件，試件放置于湖南大學工程樓地下實驗室進行長期觀測.

1.3 試驗結果

28 d觀測周期內(nèi)實驗室溫度和濕度如圖3所示，溫度在25.0～27.8℃之間波動，相對濕度變化范圍為80%～92%，環(huán)境條件相對比較穩(wěn)定，觀測周期內(nèi)平均濕度和溫度約為86%和26.3℃.如圖4(a)～(d)所示，受環(huán)境條件影響，預制層各測點收縮應變曲線存在一定程度波動，但收縮應變發(fā)展趨勢相近，隨著齡期的增長收縮應變逐步增大.預制層225 mm高度豎直方向測點(A1、A6、A7)收縮應變范圍為66～75微應變，預制層725 mm高度豎直方向測點(A4、A8、A9)收縮應變范圍為79～84微應變，預制層1 225 mm高度豎直方向測點(A5、A10、A11)收縮應變范圍為82～86微應變，水平方向測點(A2、A3)應變變化為78微應變.由圖5可知，由于疊合墻板內(nèi)腔封閉，夾心層前10 d時間高濕度自密實混凝土表現(xiàn)為微膨脹狀態(tài)，最大膨脹應變約為30微應變.隨后混凝土凝固收縮，應變隨著齡期的增長不斷增大，在第28天水平方向測點(B2、B3)收縮應變值分別為50和54微應變，豎直方向測點(B1、B4、B5)應變變化分別為55、58、62微應變.

圖3 溫度和濕度變化Fig.3 Ambient temperature and relative humidity changes

圖4 預制層測點收縮應變變化Fig.4 Time development of shrinkage at the prefabricate layer

圖5 夾心層測點收縮應變變化Fig.5 Time development of shrinkage at the interal layer

試件預制層和夾心層因澆筑時間不同，收縮應變呈現(xiàn)一定差異，預制墻身收縮應變大于夾心層應變，這種應變不平衡可能會導致墻體非結構裂縫.預制層和夾心層在水平方向應變變化相當，豎直方向上部測點由于沒有頂部約束，應變變化比下部靠近基礎梁處測點稍大.總體而言，沿墻面方向各個測點收縮變形較為均勻，呈現(xiàn)各向同性變化.沿墻厚方向，與大氣環(huán)境接觸的預制層收縮變形更明顯.

2 基于濕度場的收縮變形計算

早齡期混凝土的收縮與其水化作用產(chǎn)物—水化硅酸鈣(CSH)有關.混凝土由水泥基材拌和時的流動狀態(tài)逐步凝固硬化直至趨于穩(wěn)定過程中，混凝土內(nèi)CSH膠凝體逐漸形成.同時，隨著水化作用進行，形成網(wǎng)狀結構的CSH膠凝體體積逐漸減小，并形成孔隙結構.當環(huán)境濕度低于混凝土內(nèi)部濕度時，孔隙中的毛細水會蒸發(fā).因此，早齡期混凝土形成結構強度過程中，一方面會因水化作用出現(xiàn)體積自收縮現(xiàn)象，另一方面，CSH膠凝體材料孔隙毛細孔水蒸發(fā)作用引起混凝土的干收縮[9-10].

2.1 考慮自干燥與水分擴散的濕度場變化

預制疊合剪力墻墻身單元為工廠制作，運至施工現(xiàn)場安裝定位好后，進行二次澆注混凝土，通過往疊合剪力墻內(nèi)腔澆注混凝土使之形成結構整體.夾心層混凝土為現(xiàn)場澆筑，初期自密實混凝土處于濕度飽和狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后混凝土內(nèi)部開始水化作用，夾心層混凝土濕度逐漸下降，并產(chǎn)生收縮反應.疊合剪力墻預制墻身暴露于外部環(huán)境中，當環(huán)境相對濕度低于墻內(nèi)部濕度時，夾心層水分會向外部散失，并隨混凝土齡期的增長逐步與外部環(huán)境濕度趨于平衡.

(1)自干燥效應

根據(jù)文獻[11]，早齡期混凝土隨齡期發(fā)展，混凝土內(nèi)部水分會不斷減少，主要為水泥水化作用引起的自干燥水分損失(Δhs)和濕度梯度差導致的濕度擴散(Δhd)(如式(1)和圖6所示).其中內(nèi)部水化作用下混凝土的濕度變化可分為兩個主要階段：(1)濕度飽和階段，混凝土處于塑性狀態(tài)，混凝土內(nèi)部水分充足；(2)濕度下降階段，隨著水泥水化作用進行，混凝土流動性下降，水泥逐步硬化，水泥石之間形成毛細孔隙，孔隙間液態(tài)水逐漸減少.文獻[12]通過試驗測定了完全密閉條件下，這兩個階段濕度變化同混凝土水化程度α的關系如式(2)所示：

Δh=Δhs+Δhd

(1)

(2)

α=αuexp[-(A/te)B]

(3)

(4)

圖6 早齡期混凝土內(nèi)部濕度變化Fig.6 Variation of relative humidity in concrete at early ages

(2)濕度擴散效應

將疊合剪力墻看做各向同性的多孔介質，其內(nèi)部濕度擴散類似于熱力學中熱能傳遞，服從Fick第二定律，按照板厚方向的一維擴散考慮(如圖7所示)，其濕度擴散可按公式(5)表示，其中，D(h)為水分擴散系數(shù)，可根據(jù)CEB-FIP 2010[14]推薦取值.

(5)

(6)

對于表面暴露于環(huán)境條件下的疊合剪力墻，墻體內(nèi)部濕度的傳遞速度跟混凝土內(nèi)部濕度與邊界處濕度差成比例，其關系如式(7)所示.

(7)

上式中，fh為界面濕度交換系數(shù)，hen為界面處相對濕度.

圖7 疊合剪力墻濕度場模擬示意圖Fig.7 Illustration of moisture transformation in SRCSW

2.2 濕度場計算結果

結合式(1)～(7)可建立偏微分方程組(8).選取試件混凝土澆筑時相對濕度作為初始條件，即相對濕度為hi=100%.將與剪力墻外邊緣接觸的環(huán)境濕度作為邊界濕度，根據(jù)實驗室測得平均濕度hen=86%，d為疊合剪力墻的厚度.將疊合剪力墻厚度和時間離散化，沿墻厚方向劃分為16個位移單元，將時間按照28 d進行分割，利用無條件計算穩(wěn)定的向后差分法，可以求解疊合剪力墻內(nèi)部濕度變化情況.綜合文獻[6,12,13,14]，采用如表3所示的濕度計算模型參數(shù)，計算得到的濕度場情況如圖8所示：

(8)

從圖8(a)可以看出，28 d計算周期內(nèi)，應變計測點深度位置相對濕度隨齡期增長不斷降低，預制層與大氣接觸，在平均環(huán)境濕度為86%的實驗室條件下，濕度擴散速度比靠近墻中心的現(xiàn)澆層快，隨著齡期的增長，預制層分析點濕度由初始時刻100%的相對濕度逐漸降低，并與環(huán)境濕度趨近.由圖8(b)可以知道，墻厚方向，濕度梯度呈現(xiàn)拋物線狀，靠近擴散表面的位置濕度變化速率更快.

2.3 預制疊合剪力墻收縮應變計算

對于混凝土收縮變形的基本特性，已經(jīng)形成多種計算理論，比較經(jīng)典的有CEB-FIP 2010、ACI-209、B3、GL2000[14-17]等，大多數(shù)研究認為混凝土收縮產(chǎn)生的應變變化與其內(nèi)部相對濕度和齡期有關，本文采用計算結果更為精確的GL2000模型來計算疊合剪力墻收縮應變[18].

εsh=εshuβ(h)β(t)

(9)

(10)

β(h)=1-1.18h4

(11)

(12)

表3 濕度場計算模型參數(shù)Tab.3 Input parameters for moisture calculation

圖8 預制疊合剪力墻濕度場模擬結果Fig.8 Simulation results of moisture diffusion in SRCSW

式中，tc為養(yǎng)護時間；K是與水泥砂漿相關的參數(shù)，文中為普通硅酸鹽水泥，按照1.0取值；v/s為體表面積比；fcm28為混凝土28 d齡期的抗壓強度.

根據(jù)濕度場變化可以求得剪力墻的收縮應變隨齡期的增長情況，計算結果如圖9所示.疊合剪力墻預制層外側暴露于大氣環(huán)境，混凝土濕度相較于夾心層變化更大，產(chǎn)生的收縮應變相較于夾心層變化大，因此預制疊合剪力墻與大氣接觸的表面是更容易因收縮反應產(chǎn)生裂縫的部位.同時，夾心層混凝土在初期相對濕度較大，會產(chǎn)生正向膨脹應變，隨齡期的增長逐漸轉變?yōu)槭湛s應變.由圖9可以看出，計算得到的測點收縮應變情況與試驗結果(圖4和圖5所示試驗結果平均值)曲線吻合較好.

圖9 試驗結果與計算結果的比較Fig.9 Comparison of test results with calculated results

3 收縮變形參數(shù)分析與開裂風險預測

3.1 構件尺寸對收縮變形的影響

為了研究墻厚變化對濕度及收縮應變的影響，比較了160 mm、240 mm、300 mm三種厚度疊合剪力墻在環(huán)境濕度為85%時，28 d齡期內(nèi)的易產(chǎn)生收縮裂縫的墻身外表面濕度變化和收縮應變的發(fā)展情況，結果如圖10所示：三種不同厚度剪力墻在相同的環(huán)境濕度條件下，墻身外表面濕度變化和收縮應變變化趨勢相同，在較早的幾天，濕度變化劇烈，隨齡期的增長趨于平緩，并逐步與外部環(huán)境濕度趨近.較小的墻厚剪力墻，水分更容易蒸發(fā)，產(chǎn)生的收縮應變也更加明顯.

圖10 墻厚參數(shù)對濕度和收縮應變的影響Fig.10 Effect of the thickness of shear wall on the moisture diffusion and shrinkage strain

3.2 環(huán)境濕度對收縮變形的影響

為了研究外部環(huán)境濕度對混凝土水分散失和收縮應變的影響，分別計算了相同墻厚條件下，外部環(huán)境濕度分別為85%、65%和45%時，墻身外表面混凝土濕度和收縮應變情況.由圖11可知，較低的外部環(huán)境濕度會產(chǎn)生較大的濕度場差值，墻體內(nèi)部過大的濕度損失會引起明顯的收縮應變變化.因此，混凝土收縮對外部濕度環(huán)境較為敏感，控制剪力墻表面濕度是減少收縮變形有效手段.

圖11 環(huán)境濕度參數(shù)對濕度和收縮應變的影響Fig.11 Effect of the environmental humidity on the moisture diffusion and shrinkage strain

3.3 開裂風險預測

早齡期混凝土強度(抗壓和抗拉強度)處在不斷增長階段.研究表明，當混凝土的收縮應力大于70%受拉強度時，混凝土會出現(xiàn)較大的開裂風險[19].因此,本文根據(jù)式(13)來定義混凝土的開裂風險，其中，σs(t)為疊合剪力墻外表面因收縮作用而產(chǎn)生的應力，Ecm(t)為混凝土的彈性模量，ft(t)為混凝土受拉強度，通常認為抗拉強度大約等于抗壓強度的0.1倍左右.利用GL2000理論中的混凝土彈性模量和強度計算公式，可以得到不同強度等級混凝土材料力學性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律，通過式(13)即可計算得到各種工況下疊合剪力墻的開裂風險.

(13)

由上文的參數(shù)分析可知，因收縮應力導致的裂縫更容易出現(xiàn)在厚度較小的疊合剪力墻表面.為預測不同強度等級混凝土和外部環(huán)境濕度條件下，疊合剪力墻的開裂風險，本文以160 mm厚剪力墻為例，比較了采用強度等級C30～C45混凝土強度材料和55%～85%環(huán)境濕度條件下剪力墻的開裂風險.由圖12可以看出85%環(huán)境濕度條件下，28 d齡期內(nèi)，收縮應力始終低于混凝土抗拉強度，疊合剪力墻不存在開裂風險；當環(huán)境濕度降至75%時，采用C30級混凝土的疊合剪力墻在第12天齡期開始出現(xiàn)墻體開裂風險，因剪力墻內(nèi)部濕度散失，墻體表面收縮應力逐漸增大并大于混凝土抗拉強度增長.提高混凝土強度等級至C45級，早齡期剪力墻開裂風險低于臨界值0.7；當環(huán)境濕度繼續(xù)降低，混凝土開裂臨界點逐步提前.在55%環(huán)境濕度條件下，采用C30～C45強度等級混凝土的剪力墻因墻體與環(huán)境濕度場差值較大，墻體內(nèi)部水分散失明顯，由此引起的收縮應力快速增長，在第4～12天齡期便開始出現(xiàn)開裂風險.同時，采用更高強度等級的混凝土可以延緩開裂風險臨界點出現(xiàn)時間.

綜合圖12(a)～(d)分析結果可知，隨著環(huán)境濕度降低，墻體開裂風險迅速增長.當環(huán)境濕度降至85%以下，在較早齡期開始對混凝土進行養(yǎng)護可以有效降低墻體開裂風險.

圖12 開裂風險預測Fig.12 Prediction of cracking risk

4 結論

(1)預制疊合剪力墻因混凝土澆筑時間不同，各疊合層收縮變形情況不一致，預制層收縮應變大于夾心層.夾心層混凝土現(xiàn)場澆筑后，初期高濕度混凝土呈現(xiàn)膨脹狀態(tài)，之后隨著混凝土硬化轉為收縮變形狀態(tài).沿墻面方向各個測點收縮應變變化較為接近，呈現(xiàn)各向同性變化.沿墻厚方向，與大氣環(huán)境接觸的預制層收縮變形更明顯；

(2)早齡期預制疊合剪力墻因自干燥和濕度傳遞會產(chǎn)生內(nèi)部濕度場，并隨齡期的增長，內(nèi)部混凝土濕度逐漸降至與環(huán)境濕度一致.剪力墻內(nèi)部濕度場呈現(xiàn)拋物線形態(tài)，墻體外側混凝土濕度散失速度較墻體內(nèi)部大；

(3)通過對混凝土內(nèi)部濕度場分析，結合GL2000自收縮預測模型，本文計算得到了預制疊合剪力墻內(nèi)部收縮變形情況，與收縮試驗結果吻合良好；

(4)通過對墻厚、環(huán)境濕度等參數(shù)進行分析，比較了不同條件下早齡期預制疊合剪力墻的濕度變化情況.墻厚較薄的剪力墻容易出現(xiàn)水分散失，環(huán)境濕度是影響疊合剪力墻濕度變化的敏感因素，過大的剪力墻內(nèi)外濕度差會引起較大的濕度場變化；

(5)結合GL2000混凝土彈性模量及強度發(fā)展理論，通過對收縮應力與抗拉強度的比較，對不同環(huán)境濕度條件和不同強度等級混凝土材料的剪力墻開裂風險進行預測.提高混凝土強度等級可以降低剪力墻開裂風險.當環(huán)境濕度低于85%時，隨環(huán)境濕度降低，墻體開裂風險迅速增長，開裂臨界點齡期提前，需要及時對混凝土進行施工養(yǎng)護.