自密实混凝土受拉徐变比试验研究

自密实混凝土受拉徐变比试验研究

自致密混凝土具有高流动性，仅依靠自身的重量，可交替、流平且充满模型的新型混凝土。近年来，该项目已在许多应用[1.4]。徐变是混凝土在长期荷载作用下变形逐渐增加的力学行为,对混凝土结构的工作状态和长期使用具有重要影响,由于自密实混凝土材料配合比方面的特性,其徐变性能引起工程界的广泛关注,但目前国内外大部分徐变研究主要针对混凝土压缩状态下的徐变变形,混凝土在拉伸状态下的徐变,特别是自密实混凝土的拉伸徐变性能研究鲜见报道。笔者在对自密实混凝土的压缩徐变进行了大量的试验工作的基础上,开展梁式徐变试验,在同一试件上同时测量拉伸与压缩徐变并进行比较,对自密实混凝土拉伸与压缩徐变的区别进行初步分析。1普及普及困难由于混凝土拉伸强度低,脆性较大,其拉伸徐变试验除需要提供稳定的拉伸荷载外还必须保证变形测量仪器的高精度,因此拉伸徐变试验的普及存在一定困难。根据国内外提出的混凝土受拉徐变试验研究方法以及现有的试验条件和试验环境,本文设计了梁式徐变试验,对自密实混凝土梁进行持续加载,进行三分点弯曲试验,在控制环境条件的前提下,对受压区和受拉区进行持续性应变测量,通过对比分析研究拉伸徐变与压缩徐变之间的数量关系及其规律,该方法能够直接在单一试件上实现拉压徐变同时同条件发生,避免不同试件差异造成的影响。1.1配合比及配合比参数试验混凝土制备采用42.5R普通硅酸盐水泥、细度模数2.7的天然中砂、粒径5mm~20mm的连续级配花岗岩碎石、Ⅰ级粉煤灰以及萘系高效减水剂,各试件成型后,用湿布覆盖静置24h后移至标准养护室养护,骨料级配如图1所示。试验共选用5种自密实混凝土配合比,各组配合比在拌制现场进行工作性能测试,所得数据均能满足相关规程中自密实混凝土工作性能要求,其具体配合比数据及工作性见表1。配合比SC1按照不同养护龄期7d、14d和28d配制3组试件用于对比不同养护龄期对拉伸和压缩徐变的影响,其他4种配合比每种各配制一组试件。5个配合比中SC1、SC2和SC3的水胶比分别为0.33、0.28和0.30;而SC3、SC4和SC5的粉煤灰掺量各不相同,分别为胶凝材料总量的20%、40%和50%。每组试件包括2个开放加载试件和2个密封加载试件,同时每组制作相关试件进行力学性能试验,各组试件力学性能见表2。1.2混凝土加载试验试验采用尺寸为100mm×100mm×700mm的棱柱型试件,混凝土梁加载跨度为600mm。试件在标准养护室养护至规定龄期,在正式加载前,对密封加载试件表面采用环氧树脂和铝箔进行双层密封处理,并采用100mm×100mm×700mm的棱柱型试件在伺服试验机上进行破坏试验以获得混凝土的极限承载力数据。将徐变试验试件移至加载试验室,在规定位置进行应变计粘贴后准备施加荷载,加载采用两套设备同时进行,每批两个试件同时加载,施加荷载为混凝土梁在加载时刻所能承受的极限荷载的30%。加载试验装置见图2。采用经过称重的钢制模具和混凝土块体作为堆载放置在钢制垫板上,荷载在3min内施加完毕,荷载施加后待应变数据稳定后开始读数,因此采集的数据同样不包括瞬时弹性变形。在徐变测量的同时对混凝土的同期收缩进行量测,每组试件配制对比收缩试件按照标准试验程序进行收缩试验,将受荷总变形扣除收缩和弹性变形后即可得到混凝土梁的弯曲徐变变形和受拉区和受压区的徐变应变值。2试验结果及分析2.1试验数据处理采用梁式徐变试验直接获得的试验数据为混凝土梁顶和梁底的应变,虽然可以直接对受压区和受拉区的徐变应变进行对比,但是由于梁顶和梁底的受力为弯矩引起的非直接受力,因此换算成徐变度时首先需要作适当的假定。混凝土梁计算示意图如图3所示,混凝土梁处于弹性状态,根据以下合理假定对试验数据进行处理。1)平截面假定:假定在荷载作用下,截面上的弹性应变保持为直线分布,同时根据线性徐变假定,徐变变形与应力成正比,因此荷载引起的徐变应变同样按照截面高度成线性分布,弹性应变和徐变应变叠加后截面应变分布仍符合平截面假定;2)中和轴假定:假定梁截面中和轴始终处于梁截面高度的中点位置,受压区和受拉区高度相等;3)假定混凝土受拉弹性模量和受压弹性模量相等,梁受拉区与受压区最大应力相等;4)假定素混凝土梁在受弯曲荷载作用下梁体内各处干燥或自生收缩值均匀发生,即梁顶和梁底混凝土等量收缩。基于以上假定,可以计算自密实混凝土梁跨中截面的最大拉应力和最大压应力:式中:σc和σt分别为梁试件中最大拉应力和最大压应力;M为梁跨中弯矩;W为梁截面抵抗矩。2.2拉伸徐变参数对拉压徐变的影响试验过程中每间隔一段时间采集一次梁应变数据,剔除因混凝土内部初始缺陷和应变计粘贴面凹凸不平等现象造成的数据漂移,将应变累加为徐变变形,考虑收缩变形,将所测得应变减去收缩应变分别除以梁顶和梁底拉伸和受压应力得到徐变度数据,如式(2)、式(3)所示。式中:Cc(t)、Ct(t)分别为压、拉徐变度;uf065u(t)、uf065d(t)分别为梁顶和梁底测得受荷应变;uf065s(t)为对比试件测得相应收缩;以正值表示受压徐变度,负值表示受拉徐变度,试验所得自密实混凝土拉压徐变度-时间的发展曲线如图4所示,无论开放或密封状态,拉伸和压缩徐变度发展趋势基本相同,在加载后早期发展较快,后期趋于缓慢,从数值上看,在持荷的大部分时间内试件自密实混凝土拉伸徐变略小于压缩徐变。从影响因素变化对徐变影响的趋势上看,养护龄期、水胶比和粉煤灰掺量对非密封和密封状态的压缩和拉伸徐变的影响规律大致相同。对比单轴压缩徐变试验结果,在梁式长期试验结果中,水胶比和粉煤灰掺量对徐变的影响程度并没有单轴压缩徐变试验结果那么明显,本文认为这体现了梁式间接徐变数据受到的不可测因素影响。将自密实混凝土各个龄期的拉伸徐变度及与其对应的压缩徐变度绘制成坐标系的形式,如图5所示。图5中以压缩徐变度为横坐标,对应的拉伸徐变度为纵坐标,对于一组试件试验结果各点可拟合得到一条直线,直线斜率即为拉伸徐变度与压缩徐变度的比值平均值。将拟合所得的各条直线斜率列于表3,如表3所示,养护龄期从7d增加到28d,开放和密封拉压徐变比分别从0.848和0.88减小到0.817和0.825,说明延长养护时间拉压徐变度比值略有降低;而水胶比减小,拉压徐变度比值有所增加,水胶比从0.33减小到0.28,开放状态的拉压徐变比从0.817增加到0.931,密封状态下拉压徐变比从0.825增加到0.969;粉煤灰掺量从20%增加到50%,开放状态拉压徐变比有所减低,从0.89减小到0.723,而密封状态下则略微升高,从0.923升高至1.02。从试验结果来看,大部分情况下拉伸徐变略小于压缩徐变。本文认为由于随着水泥凝胶体的不断发展,混凝土内部存在不断变化的大小孔隙和颗粒,内部不同相之间界面接触面积可达500m2/cm3,自密实混凝土自成型开始,其内部的大小孔隙内被液态或气态水分所填充,随着干燥作用和水化的进行,内部水分减少,导致毛细孔压力变化,从而使吸附作用成为混凝土微结构主要状态,毛细孔中的水产生微预应力而处于受拉状态。在受压作用下,混凝土内部受外加压应力的作用下,对混凝土的挤压作用与微预应力叠加使部分体积收缩的趋势更加明显。在受拉应力作用下,则由于部分微预拉力得到部分抵消。因此混凝土受拉徐变要稍小于受压徐变。3拉压徐变比的计算根据试验结果,试件拉压徐变比随自密实混凝土养护龄期、水胶比和粉煤灰掺量变化的规律如图6所示。针对不同配合比参数,通过对试验结果的拟合,参考混凝土受压徐变预测模型连乘的公式形式,将自密实混凝土平均拉压比值k写成养护龄期、水胶比和粉煤灰掺量的修正函数:式中,b为常系数,根据本文试验结果,本文取养护28d、水胶比0.33和粉煤灰掺量0.2为标准状态,取标准状态总徐变和基本徐变拉压比为b值;k1为表征加载时养护龄期的修正系数,k1=a1exp(-t′/b1),t′为加载时自密实混凝土养护龄期,a1和b1分别为由试验拟合而得的参数。k2为水胶比影响的修正系数,k2(28)a2×(W/B)-b2,W/B为水胶比,a2和b2为拟合系数。k3为与粉煤灰掺量有关的修正系数,k2(28)a3(10)b3F(10)c3F2,式中F为粉煤灰掺量,以小数表示,如20%写成0.2,a3、b3和c3分别为由试验获得的待定参数。各系数根据试验结果拟合而得,结果见表4,通过式(4)即可得到拉压徐变比的估算值,在工程应用中可为自密实混凝土拉伸徐变的估算提供一定的参考。将试验配合比参数代入式(4),计算结果及计算精度见表5,从计算结果可以看到,计算残差百分比大部分低于1%,且最大值都不超过5%,计算精度满足要求。4混凝土内部微预应力作用(1)采用梁式构件同时对受拉区和受压区进行应变测量,可以在同一试件上获得拉伸和压缩徐变数据,进行有效的拉伸和压缩徐变发展对比。研究表明,除早期测量结果不太稳定外,在持荷过程中拉伸徐变都略小于压缩徐变,本文认为这是由于混凝土内部水分损失导致的微预应力作用引起的。(2)拉压徐变比随着养护龄期增加而略微减小,养护龄期从7d增加到28d,开放和密封拉压徐变比略分别从0.848和0.88减小到0.814和0.825;拉压徐变度比值随水胶比降低有所增加,水