约束条件下混凝土的徐变特性试验研究

约束条件下混凝土的徐变特性试验研究

与普通混凝土相比，高性能混凝土更容易开裂。对高性能混凝土早期的开裂机理进行深入系统的研究,确定高性能混凝土早期开裂的条件,避免早期开裂的产生是国内外土木工程界所面临的重大课题。造成高性能混凝土开裂的最根本的原因是混凝土的收缩,其中有相当一部分的收缩是自收缩。在自由状态下,混凝土能够收缩到一定程度而不发生开裂。但是,混凝土往往要受到来自于粗骨料、钢筋或外部结构的约束。在内部约束或外部约束存在的条件下,将不可避免地在混凝土表面甚至混凝土内部产生拉应力。这一拉应力被称为自生拉应力。当这一拉应力达到或超过某一临界值时,混凝土将不可避免地产生开裂。在拉应力的长期作用下,混凝土的另一个显著的变形特征是徐变。徐变可以使被约束混凝土的拉应力得以松弛,从而缓解混凝土的开裂趋势。对受压状态下成熟混凝土的徐变的研究相对成熟,而对受拉状态下,尤其是早期混凝土受拉状态下混凝土的徐变的研究却不多见。目前,由于混凝土的早期开裂现象日益严重,对混凝土早期性能的研究已经成为国内外同行研究的焦点。而研究混凝土的早期开裂现象,必须对拉应力作用下混凝土的力学行为有一个完整清晰的认识。1混凝土拉徐变试验1.1试件测量和数据采集仪的设计是移动夹具、试模的基础结所谓“完全约束”是相对部分约束而言的,试验采用一端固定,在另一端施加外力的方法,保持试件的平均长度与初始长度一致,从而实现对混凝土试件的约束。图1所示为约束收缩试验设备的装配图。模具一端固定,另一端可沿着既定的轨迹做一维直线运动。可移动端所发生的位移由线性电压差动传感器(LVDT)监控,测量精度不低于1μm。为了保证移动端可自由移动,在侧模与可移动夹具之间预设1个2mm的间隙。为了防止应力集中,试件的棱柱体与端部转换部位设计成了弧形。轴向拉力的测量是通过一个拉、压两用的传感器测量的,量程45kN,测量精度达到了荷载总量的0.5%。当可移动夹具沿收缩的方向发生移动并超过一定的临界值时,机械系统启动,使可移动夹具还原并把试件拉长相应的量,以保持试件的平均长度始终与初始长度相等,应变的控制精度不低于10-6。为了排除干缩的影响,试验中对试件进行了密封,所以测得的变形只是混凝土的自收缩。另外,为了保持试件温度相对恒定,设计中把试模设计成由中空的型钢制成,恒温的介质(水)可以在其中定向流动,适时带走水化热,以保证混凝土试件的温度基本保持不变。自由收缩和约束收缩的模具横断面如图2所示。水在所有型钢中的流动方向相同。型钢与温度控制装置形成回路。只要精确控制介质的温度,试件的温度就能得到有效地控制。在试验的整个过程中,介质温度始终保持(22±0.1)℃,室温为(22±1)℃。所用中空型钢的外形尺寸为76mm×38mm,试模内表面衬以Teflon薄板以减小试件与试模间的摩擦力。在Teflon的里面衬一层塑料薄膜,混凝土浇注于薄膜之上。薄膜不仅可以对试件密封,同时也可以减小试件与衬板之间的磨擦。试件因收缩而发生的与模具之间的相对移动发生在薄膜与Teflon衬板之间。自由收缩和约束收缩的所有数据—试件温度、试件变形、试件被约束时的轴向力,都由同一个数据采集仪进行数据采集和处理。数据采集仪由计算机程序驱动,数据采集仪的功能由计算机程序决定。数据由程序处理并按程序设定的频率记录在数据文件中。1.2混凝土拉徐变、拉应力、弹性模量的计算完全约束状态下弹性变形、徐变与自由收缩的关系如图3所示。自由收缩变形、弹性变形和徐变之和为0,即ε(t)=εe(t)+εcp(t)+εsh(t)=0(1)ε(t)=εe(t)+εcp(t)+εsh(t)=0(1)式中,ε(t)为试件的总变形;εe(t)为弹性变形;εcp(t)为徐变;εsh(t)为自由收缩变形。εe(t)、εcp(t)的变形方向与受力方向相同,取正值;混凝土的自由收缩εsh(t)取负值。如果能够确定自由收缩变形和弹性变形,就可通过计算得出混凝土在约束状态下的拉徐变。弹性变形与徐变的计算原理参阅了Kovler的研究结果,并在约束机制上进行了改进。在收缩补偿的过程中,所发生的受拉变形可以认为是纯弹性变形。计算应力增量与应变增量的比值可以得到混凝土当时的弹性模量,该弹性模量是当时混凝土的切线弹性模量。弹性模量的计算式见式(2)E(t)=Δσ/Δε(2)E(t)=Δσ/Δε(2)式中,E(t)为混凝土的弹性模量;Δσ为收缩补偿的应力增量;Δε为收缩补偿的应变增量。混凝土内部的拉应力等于拉力传感器读数与试件截面积的比值。由轴向拉应力和弹性模量计算可得混凝土的弹性变形。把弹性变形εe(t),自由收缩εsh(t)代入式(1),便可得到相应龄期的混凝土的徐变εcp(t)。2测试2.1水泥astmpo治试验中采用加拿大Lafarge水泥公司生产的普通波特兰水泥(ASTMType);以普通河砂作为细骨料,细度模数为2.74;碎石,级配良好,最大粒径为12.5mm。配合比见表1,在配合比设计中始终保持水泥浆的体积含量不变。2.2水灰比对试验件应力的影响混凝土在约束状态下的自生拉应力如图4所示。混凝土的内部拉应力均保持持续上升的趋势,随着龄期的延长,拉应力曲线的上升渐趋平缓。混凝土水灰比越小,同龄期的试件完全约束时张拉应力越大。而且,水灰比越小,1d左右时的上升趋势越明显。水灰比为0.25时,试件在第7d出现了断裂,断裂前的轴向拉应力约为3.4MPa,约为同龄期劈裂抗拉强度的65%。其它试件均未出现断裂,但在第8d时终止了试验。考虑到在一般情况下,混凝土的早期开裂多发生在2～3d,前7d不发生开裂的混凝土在后期发生开裂的可能性不大,研究已没有实际意义。2.3弹性变形e,自由收缩变形读取对收缩进行补偿时的变形增量和轴向拉力增量,并通过式(2)计算得到弹性模量。由此时的弹性模量和当时的拉应力求得弹性应变εe,再把弹性变形εe和自由收缩变形εsh代入式(1),求得拉徐变。M0.25,M0.30,M0.35和M0.40弹性变形和徐变如图5和图6所示。从弹性变形和拉徐变的大小来看,二者均与混凝土的自由收缩有密切关系,混凝土的自由收缩越大,弹性变形越大,拉徐变也越大。但这并不足以说明收缩量大的低水灰比混凝土有较强的徐变能力,因为在约束条件下混凝土所处的应力状态不同。2.4混凝土的徐变系数混凝土的徐变能力可以用徐变系数来表征。所谓的徐变系数是指在外力作用下某一时刻徐变的量与弹性变形的比值。约束状态下混凝土的徐变系数如图7所示。随着龄期的发展,混凝土的徐变系数近似呈指数函数形式减小。水灰比越小,混凝土在各龄期的徐变系数都越大。1～2d时约束混凝土表现出较大的徐变能力,1d以内的徐变系数甚至高达10以上。在1～2d时徐变系数以较快的速度减小,2～3d后减小速度减缓,7d时混凝土徐变系数仍在3～6左右。而成熟混凝土的极限徐变系数在1.30～4.15之间,ACI推荐的平均值为2.35。显然,混凝土在早期,尤其在1d以内的徐变系数要远大于普通混凝土。在约束状态下,混凝土早期的收缩变形主要被徐变所补偿。徐变在缓解拉应力,延缓开裂方面起着重要作用。拉徐变与自由收缩的比较见表2。表2显示,混凝土的拉徐变随龄期在增长,但拉徐变与自由收缩的比值却在减小。在完全约束条件下,3d的拉徐变量相当于自由收缩量的67%～86%,也就是拉徐变缓解了67%～86%的收缩应力。7d未开裂的试件拉徐变相当于自由收缩值的63%～83%。由此看来,拉徐变在早期缓解了60%以上的收缩应力。随着龄期的延长,徐变系数渐小,徐变对收缩应力的缓解作用也随之减小。当收缩持续发生,拉徐变不能够及时缓解拉应力而使拉应力水平达到某一拉应力水平时,就会导致混凝土开裂,或存在开裂的可能。4混凝土早期拉徐变试验a.开发出了一套用于对高性能混凝土在约束条件下早期行为进行分析的约束收缩试验装置,并在测量精度、温度控制、数据采集等方面进行了改进。系统的应变测量精度均达到10-6,轴向荷载测量精度达到了荷载总量的0.5%。b.实现了对约束条件下混凝土的内部应力、弹性变形