高性能混凝土早期拉伸徐变的实验研究

浙江工业大学学报

JOURNALOFZHEJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

Vol.36No.3Jun.2008

高性能混凝土早期拉伸徐变的实验研究

叶德艳1,杨　杨1,洪　钟1,江晨晖2

(1.浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310032;2.浙江建设职业技术学院,浙江杭州311231)

摘要:对早龄期高性能混凝土的拉伸徐变特性把握,能够为高精度的应力解析及开裂预测提供重要参数.以水灰比为0.3的高性能混凝土为研究对象,利用自行设计的早龄期拉伸基本徐变实验装置,探讨了不同加载龄期(0.5,0.75,1,3和7d)及不同加载初始应力强度比(0.2、0.3和0.4)下的拉伸徐变特性.实验结果表明:龄期0.5,0.75和1d加载的混凝土表现出较高的徐变能力,并且徐变速度在持荷一段时间后随龄期的推迟而急剧下降.龄期0.5,0.75d加载的混凝土徐变表现出较大的非线性,并且对同一个加载龄期,加载初始应力强度比越大,比徐变越大,并且加载初期的徐变速度越快;但加载龄期在1,3,7d的混凝土徐变仍表现出线性特征.

关键词:拉伸徐变;高性能混凝土;加载龄期;应力强度比;早龄期中图分类号:TU528　　　　　文献标识码:A文章编号:100624303(2008)0320285205

Anexperimentalstudyontensilecreepofhighperformance

concreteatearlyages

YEDe2yan1,YANGYang1,HONGZhong1,JIANGChen2hui2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China;2.DepartmentofConstructionEngineering,ZhejiangVocationalCollegeofConstruction,Hangzhou311231,China)

Abstract:Theunderstandingoftensilecreepbehaviorcontributesconsiderablytothehighlyaccu2ratestressanalysisandcrackpredictioninhighperformanceconcrete.Thispaperdealswiththeexperimentalinvestigationontensilecreepofhighperformanceconcretewithwatercementratioof0.3atearlyages.Asetofearly2agetensilebasiccreeptestingapparatuswasconstructed,andthebehavioroftensilecreepunderdifferentloadingages(0.5,0.75,1,3and7days)andstress/strengthratio(0.2,0.3and0.4)werediscussed.Theresultsoftheexperimentindicatedthat:firstly,aparticularlyhighmagnitudeoftensilecreepstainwasobservedwhenconcretewasload2edat0.5,0.75and1days,andthecreepratedecreaseddramaticallyafterashortinitialtimeun2derload.Secondly,Tensilecreepwasnotproportionaltoappliedstresswhentheloadingageis0.5,0.75days,andthehigherinitialstress/strengthratio,thelargerspecificcreepstrainandcreeprate.However,itappearedcharacteristicoflinearitywhenconcretewasloadedat1,3and7days.

Keywords:tensilecreep;highperformanceconcrete;ageatloading;stress/strengthratio;earlyages

收稿日期:2007211213

基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y106856)

)男,浙江温州人,硕士研究生,主要从事结构工程方面研究.作者简介:叶德艳(1982—

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0　引　言

伴随着混凝土技术的发展,高性能混凝土得到了越来越多的应用.但是,由于其水胶比较小且含有大量的粉体,致使高性能混凝土的水化硬化特点和内部结构与普通混凝土相比有较大的差异,即除水分逸散引起的干燥收缩、水泥水化热产生的温度变形外,伴随着水泥水化的自干燥所造成的自收缩是引起早期开裂的重要原因[1,2].混凝土早期开裂通常是由体积变化受到约束产生的内拉应力超过混凝土抗拉强度所致.在约束条件下,早龄期高性能混凝土的应力发展及其是否开裂不仅取决于其体积变化的发展以及结构中的约束形式,还取决于混凝土早期的弹性模量、强度、极限拉伸能力、拉伸徐变等力学性能的发展变化.研究发现,对于构件中受约束的混凝土,尤其是对早龄期混凝土,徐变能够松弛其60%以上体积变化造成的拉应力,即徐变在缓解拉应力,延缓开裂方面起着重要作用[3,4];而且,对早龄期混凝土拉伸徐变特性的把握,对于早期体积变化引起的应力解析和结构分析精度的提高以及裂缝宽度的预测是必不可少的前提.

由上述可见,早龄期的拉伸徐变是高性能混凝土的一项非常重要的性能,然而以往文献中有关混凝土徐变方面的研究内容绝大多数集中于硬化后混凝土的压缩徐变特性,近年来注意力开始转向早龄期的徐变[5],但对早龄期的拉伸徐变仍甚少关注,国外的研究还处于起步阶段[6,7],国内的相关研究更是凤毛麟角.即使有关于早龄期拉伸徐变的研究,但研究缺乏系统性,实验参数少、覆盖面狭窄,因此大多局限于拉伸徐变特性的定性分析,定量评价工作尚未开展;并且,很少有关于加载龄期在1天之前的混凝土拉伸徐变研究,因此所获的结果并不适用于在更早龄期快速发展的温度应力和自收缩应力的评

价.由于缺乏对早龄期拉伸徐变的把握,常常以压缩徐变替代,甚至以成熟混凝土的压缩徐变替代,从而造成应力解析的精度低,解析结果只能用于定性而不能用于定量分析的状况.

以水灰比为0.3的高性能混凝土为研究对象,利用自行设计的早龄期拉伸基本徐变实验装置,探讨了不同加载龄期(0.5,0.75,1,3,和7d)及不同加载应力强度比(0.2,0.3和0.4)下的拉伸徐变特性,为拉伸徐变模型的建立和应力解析精度的提高提供重要参数.1　实验概要1.1　原材料及混凝土配合比

本研究中配制混凝土所选用原材料的基本物理性质如表1所示.所采用的混凝土的水灰比为0.3,为提高其工作性,混凝土搅拌时掺入聚羧酸系高效减水剂,拌合物的坍落扩展度达到(540±20)mm.混凝土的配合比、所配制混凝土的拌合物的特性及强度等级如表2所示.由于是针对早期拉伸徐变的基础性研究,为减少影响因素,使结果分析更简明,所用混凝土的胶凝材料仅为硅酸盐水泥,未掺任何矿物质掺合料,且所用骨料的含水状态为饱和面干.

表1　原材料的基本物理性质

Table1　Physicalpropertyofmaterialsformixingconcrete

原材料水泥水细骨料粗骨料高效减水剂

基本物理性质

P.O.42.5级普通硅酸盐水泥,表观密度3100kg/m3

饮用水

河砂,细度模数3.00,表观密度2654kg/m3,饱和面干状态

碎石,表观密度2686kg/m3,最大粒径20mm,饱和面干状态

聚羧酸盐系高效减水剂,减水率≥25%

表2　混凝土配合比1)

Table2　Mixproportionofconcrete

代号

OP230

水灰比/%

30

砂率/%

41

单位用量/(kg・m-3)

水泥水砂子石子

533

160

656

944

减水剂占水泥用量

的质量分数/%

2.60

坍落度/mm

540±20

强度等级

C60

　　注:1)A=S+G,该表中所有百分数均为质量百分数

1.2　实验方法

1.2.1　拉伸徐变的测定装置

早期拉伸徐变测定装置,由加载装置和测量控

制装置两部分组成.为了控制荷载恒定,本实验采用

弹簧加载方式.加载装置如图1所示,左端的油泵、千斤顶控制加载速度和荷载大小,右端的压缩弹簧用以维持荷载恒定.荷载传感器、位移传感器、数据采集仪、计算机构成测量系统并予以监控和数据采

第3期叶德艳,等:高性能混凝土早期拉伸徐变的实验研究

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集.考虑到混凝土试件及连接件如螺杆等的徐变会导致应力松弛,持荷过程中要经常注意调整弹簧右端螺母以保证荷载恒定.试件采用2个尺寸为100mm×100mm×400mm的混凝土试件进行平行实验,其两端通过万向轴承连接以保证轴心受拉.试件端部采用带螺杆的钢板进行锚固,以保证荷载均匀传递(详见图2);图中内外螺纹螺杆的设计可以方便试件的制作及安装.由于1d之前加载的混凝土尚未硬化完全,表面潮湿,不能粘贴应变片,因此采用PI型变位计通过预埋螺丝固定以测定混凝土试件两个侧面的轴向变形,1d及3d之后加载的试件应变采用电阻应变片测定.实验数据如轴向变形及荷载大小由TDS2303型数据采集仪自动记录.两个试件所测得的轴向变形最大差值小于平均值的10%,因此可以保证实验数据的可靠性和精度.

土内部温度进行测定,然后由热膨胀系数(10×

)求出温度应变.10-6/℃

1.2.3　抗拉强度和拉伸弹性模量的测定

为了保证混凝土试件在一定的初始应力强度比条件下加载,必须获得各加载龄期时的抗拉强度,本

实验采用劈裂抗拉强度试验方法,按国家标准GB/T50081—2002进行.为了求得拉伸徐变系数还必须掌握拉伸弹性模量(Et),它是由拉伸实验中徐变之前的弹性应变阶段获得.1.2.4　养护条件及实验步骤试件浇捣抹平后,立即用塑料薄膜加湿布覆盖严密,以防水分散失.成型后所有试件静置于温度为(20±1)℃,相对湿度(RH)为(60±5)%的养护室中养护.养护10h后拆模,并立即用胶带纸包裹所有的收缩和徐变试件使之处于密封状态.至预设龄期时,先进行混凝土的劈裂抗拉强度试验测出抗拉强度,然后根据预设的应力强度比得出实际的加载应力,最后在恒温室进行拉伸徐变试验测定,每个徐变试件持荷时间14d,收缩试验同时进行.

2　实验结果与讨论

2.1　早期抗拉强度,弹性模量

混凝土的早期拉伸徐变特性与经时发展的抗拉强度直接相关,并且拉伸徐变实验所施加的实际荷载必须由加载时的抗拉强度获得,所以抗拉性能十分重要.根据拉徐变的加载龄期0.5,0.75,1,7d,其同龄期的劈裂抗拉强度(fst)经时变化便可获得,实验结果如图3所示.可以看出,劈裂抗拉强度在1d之前发展迅速,1d之后趋于缓慢,这与高性能混

凝土抗压强度的发展极其相似.其次,拉伸弹性模量(Et)是由拉伸实验中徐变之前的弹性应变阶段获得,其经时变化曲线同样表示在图3中.由图可见,

1.2.2　自由收缩应变的测定

由于加载过程中伴随混凝土的自收缩和温度变形,为了获得密封状态下的拉伸徐变变形(基本徐变),必须扣除相应非荷载作用下自由收缩应变(自收缩和温度应变).收缩试件采用2个,尺寸与徐变试件尺寸一致,采用在混凝土两端设置数显千分表的方法测定.测试龄期起点为0.5d,持续时间为30d,数据由计算机自动采集,每隔15min记录一次.

图3　早期力学性能经时变化

Fig.3　Developmentofmechanicalpropertiesof

earlyageconcrete

为获得早龄期混凝土的自收缩应变,必须扣除相应的温度应变.因此,在收缩试件中埋入热电偶对混凝

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拉伸弹性模量在1d之前发展迅速,且发展速度较劈裂抗拉强度的发展还要快些,龄期1d尤其是3d之后的发展逐渐缓慢.2.2　自由收缩

密封状态下的自由收缩(全收缩)应变实际上包括了自收缩和温度应变.图4显示了自由收缩和自收缩从0.5d到30d时的经时变化曲线.可以看出,混凝土成型后3d以内自收缩发展得很快,特别是在1d以内自收缩发展得十分迅猛,0.5d至1d的自收缩应变已经达到85×10-6,占30d自收缩应变的26%.当到3d龄期后自收缩速率开始逐渐减缓.

差异很大,即加载龄期对拉伸徐变的影响相当敏感.而3,7d的徐变差异并不是很明显.

图4　收缩应变经时变化

Fig.4　Timedependentchangesofshrinkagestrain

2.3　拉伸徐变特性

2.3.1　不同加载龄期对拉伸徐变的影响

对早龄期的混凝土,加载龄期对拉伸徐变的影

响很大.为掌握早龄期的拉徐变特性,本实验设置加载龄期为0.5,0.75,1,3和7d.需要说明的是:水灰比0.3的混凝土至龄期0.5d时,由于实测的抗拉强度不会太低以保证施加的拉伸荷载在一定的精度范围,因此设定拉伸徐变实验的最早加载龄期为015天是可行的.

如图5所示,0.5,0.75,1d加载的混凝土显示出较大徐变能力,尤其是0.5d加载的混凝土,在同一应力强度比条件下,以0.4为例,(如图5(a)),持续14d时徐变系数(徐变与加载时初始弹性应变之比)高达1.8左右,比徐变(图6)高达120×10∃6/MPa,而7d加载的混凝土徐变系数和比徐变(单位应力作用下的徐变)分别才0.35和12×10∃6/MPa左右.从徐变曲线形状可以看出,龄期0.5,0.75,1d加载的混凝土徐变速度在持荷一段时间后随龄期的推迟而急剧下降,即此时徐变基本上很快收敛;而3,7d加载的混凝土徐变收敛速度较为缓慢.在015,0.75,1d加载的混凝土,它们之间的徐变系数

以上现象可以解释为:0.5,0.75,1d加载的混凝土,其内部结构尚未密实,未填满的毛细孔较多,弹性模量和抗拉强度较低,凝胶体的迁移较为容易,所以徐变在加载初期增长很快,显示较大的徐变能力;而随着龄期的进展,混凝土加载当时的拉应力与经时发展的抗拉强度比值下降很快,所以徐变很快收敛.而加载龄期在3,7d时,混凝土内部结逐渐渐密实,内部凝胶体移动变得困难,所以徐变系数和比徐变很小,并且它们之间的徐变差异也不大;但是此时的混凝土加载时的应力与之后经时发展的抗拉强度比值差别不是很大,因此徐变并没有很快收敛.

第3期叶德艳,等:高性能混凝土早期拉伸徐变的实验研究

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2.3.2　加载初始应力强度比对拉伸徐变的影响

Davis2Granville法则认为:当加载压缩应力在

3　结　论

(1)采用自行设计的拉伸徐变实验装置和方

混凝土强度的40%以内时(对高强混凝土这个比例系数可能要大些),徐变与作用应力成线性关系[8];当加载应力超过40%时,徐变变形急剧增加不再收敛,呈现非稳态现象,此时徐变与应力呈非线性关系.有关加载初始应力强度比对拉伸徐变的影响,长期以来认为与压缩徐变相同,Davis2Granville法则同样适用于拉伸徐变,并且压缩徐变和拉伸徐变的比例系数相同,因此通常以压缩徐变替代拉伸徐变.

为验证上述法则的适用性,本实验设置加载初始应力强度比为0.2,0.3,0.4.图6表示了不同加载龄期,不同加载初始应力强度比下的比徐变.如果徐变与应力成正比,那么比徐变曲线重合,结果表明:在对同一个加载龄期,0.5,0.75d加载的混凝土比徐变曲线差异明显,即拉伸徐变显示较大的非线性.并且,对应同一个加载龄期,应力强度比越大,比徐变越大,并且加载初期徐变速度越快.0.5,0175,1d加载的混凝土,它们的比徐变曲线基本重合,所以可知徐变与应力基本上成线性关系.这个结果与Atrushi的早期拉伸徐变实验结论一致,并且他的结论认为对3d龄期加载的混凝土,其极限线性比例可达到60%[9].这种非线性的原因可能是1d之前加载的高性能混凝土骨架尚未健全,此时的徐变特性较1d及1d之后加载的混凝土有很大的不同,那么即使应力强度比在0.4的范围内,拉伸徐变也可能会呈现较大的非线性.

法,能够较有效地把握了早龄期高性能混凝土的拉伸徐变特性.

(2)龄期0.5,0.75,1d加载的混凝土表现出较高的徐变能力,并且徐变速度在持荷一段时间后随龄期的推迟而急剧下降;0.5,0.75,1d加载的混凝土,它们之间的徐变系数差异很大,即加载龄期对拉伸徐变的影响相当敏感.

(3)龄期0.5,0.75d加载的混凝土徐变表现出较大的非线性,并且对同一个加载龄期,加载应力强度比越大,比徐变越大,并且加载初期徐变速度越快;但加载龄期在1,3,7d的混凝土徐变仍表现出线性特征.参考文献:

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图6　不同应力强度比对拉伸徐变的影响

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tensilecreepbehavior

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(责任编辑:刘　岩)