连续变温下早龄期混凝土应变时变规律试验研究

秦 煜，刘来君，支喜兰，张柳煜

（长安大学a.公路学院；b.特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064）

混凝土桥梁构件早期开裂一直是业内关注的重要问题。受到自身或外界约束时，早龄期混凝土应变（由水化反应、收缩等内因和环境温度、湿度等外因产生）会产生应力，从而导致混凝土开裂，进而影响桥梁结构的耐久性，甚至安全性。现浇混凝土桥梁构件早期开裂现象尤为多见。

早龄期混凝土应变问题已有较多研究成果。Aitcin等提出混凝土自收缩主要发生在初凝至1d龄期内，之后自收缩增加速率趋于缓慢[1]。Nassif等认为对于非常低的w／c＋p，粉煤灰轻集料提高了混凝土自收缩性能[2]。高小建等认为其他配合比参数不变时混凝土早期自收缩与水灰质量比的关系近似成二次方程[3]。张武满和孙伟[4]指出高性能混凝土早期自收缩随测试时间、砂率和针片状骨料含量的增加而增大，随骨料最大粒径的增大而减小。已有研究工作主要集中在混凝土早期收缩的影响因素[1，3－6]、收缩试验 研 究[7－8]、各种混凝土早龄期收缩特性[9－11]等。但早龄期混凝土在大气温度下应变随时间变化的试验研究尚未见报道。

通过早龄期混凝土应变随温度、时间变化的模拟试验，采集混凝土试件应变及重量变化数据，分析不同配合比混凝土在温度影响下的应变差异，探讨在日气温连续变化影响下早龄期混凝土应变随时间变化的规律。

1 试验方案设计

试验目的：通过中国北方（指淮河、秦岭和昆仑山以北的广大区域[12]）7月份日气温变化模拟环境下的应变试验，得出早龄期混凝土在日气温连续变化影响下的应变时变规律。受气候影响，夏季是中国北方桥梁施工的主要季节。故选取7月作为模拟试验的时间点。

试验流程：

1）制作2组（每组6个）不同配合比的混凝土试件，规格尺寸为100mm×100mm×400mm。

3）环境箱内温度设为18.5℃，在试件移入之前预热1h。待试件移入后，保持环境箱内恒温18.5℃。恒温1h之后，确定位移传感器初始值，开始模拟环境下的应变试验。

4）环境箱内温度随时间变化历程安排见表1，升温（降温）速率恒定为±1.4℃／h。一个完整的温度变化历程为T0～T12，共计24h。

表1 温度随时间变化历程

1951—2000年间中国北方[12－13]7月平均日最高气温35℃，平均日最低气温18.5℃；夏季（6－8月）平均最高气温28.9℃，平均最低气温17.4℃。中国北方夏季（6－8月）日最低气温与最高气温出现时间之间相差10～12h，试验取12h。

5）环境箱内温度、试件应变数据采集周期为2min。应变数据采集持续2个历程，共计48h。在试验开始前、第1个24h结束、第2个24h结束等3个时间点，采集试件重量数据。

2 试验材料及方法

2.1 原材料及配合比

水泥，采用陕西秦岭水泥厂生产的“秦岭”牌P.042.5普通硅酸盐水泥。细集料，采用乳山市徐家村砂场的中砂。粗集料，采用烟台市利龙石子厂的石灰岩碎石。减水剂，采用徐州市超力建筑材料有限公司生产的CUF-3引气缓凝高效减水剂。混凝土试件的配合比见表2。

表2 混凝土试件配合比

2.2 试验仪器及方法

试验仪器为长安大学公路学院支喜兰教授和胡宗文自主研制的“材料收缩变形测试仪”，如图1所示。

图1 材料收缩变形测试仪

材料收缩变形测试仪由：（1）环境箱（1为图中编号，下同）、（2）套管、（3）温度传感器、（4）传导杆、（5）胶木垫、（6）位移传感器支架、（7）套管、（8）位移传感器、（9）保温层、（10）冷凝管、（11）玻璃垫板、（12）试件支架、（13）支架、（14）压缩机管、（15）打印机、（16）工业控制计算机、（17）A／D转换器、（18）压缩机、（19）减震垫、（20）横梁、（21）称重传感器、（22）加热带、（23）试件、（24）风扇联接构成。

回望来路，不改初心；牢记使命，不负重托。改革开放40年来，云南举全省之力，守护“山水林田湖草”生命共同体，呵护青山绿水，蓝天白云，努力争当全国生态文明建设排头兵。

环境箱的上顶面安装有6个位移传感器支架，每个支架上配置一个通过导线与A／D转换器相连接的位移传感器。其型号为WYD，位移测试分辨率达到万分之3，精度为0.1μm，可确保测试结果的精度。位移传感器将接收到的位移信号转换成电信号输出到A／D转换器，后者将输入的电信号转换成数字信号输出到工业控制计算机。

环境箱底面的横梁固定在支架上。横梁上用螺纹紧固联接件安装有6个称重传感器，型号为BK－5系列。称重传感器通过导线与A／D转换器相连接。

3 试验结果分析

3.1 收缩应变分析

图2为以t1为零点的24h内，A、B 2组试件应变随温度、时间的变化。试件放入养生室时间设为t0，时刻t1＝t0＋9h（8h养生＋1h恒温），t2＝t1＋24h。图中应变数据为每组6个试件应变的算术平均值。膨胀应变为正值，收缩应变为负值。图3为以t2为零点的24h内，A、B 2组试件应变随温度、时间的变化。

图2 时刻t1为起点的试件应变

由图2—3可见，第1个24h内的收缩应变大于第2个24h，但膨胀应变小于后者。这是因为随着龄期增长（水泥水化程度提高），混凝土中孔隙率减小，相同环境温度影响下混凝土的收缩应变减小、膨胀应变增大。

18.5 ～35℃升温过程中（即0～12h之间），混凝土应变整体呈膨胀走势，但出现数次膨胀收缩交替变化，其中有2次剧烈收缩的应变差值（即1次剧烈收缩的应变变化幅度）可达600×10－6以上，见图4。35～18.5℃降温过程中（即12～24h之间），混凝土应变整体呈收缩走势，并伴随着幅度较小的膨胀收缩交替且频次较高，但仍会出现较为剧烈的收缩，其应变差值可达500×10－6以上，见图5。这主要是因为：1）混凝土内部温度对环境温度的响应过程为具有一定滞后性的热传导过程。2）混凝土中毛细孔水、吸附水、层间水散失引起的干燥收缩。而且环境温度升高将导致混凝土干燥收缩增大。因为温度越高，水泥石中托勃莫来石凝胶的层间水失去越多，水泥石收缩越大。3）混凝土中干燥收缩与温度的扩散速度不同。温度扩散速度比干缩扩散要快大约1000倍。

图3 时刻t2为起点的试件应变

图4 升温过程中剧烈收缩应变

图5 降温过程中剧烈收缩应变

图2—3显示，混凝土并非在35℃（即温度最高点）膨胀应变达到最大，而是在最高温度过后约1h。在膨胀应变达到最大值后，将会出现降温过程中的第1次剧烈收缩。混凝土内部温度对环境温度是具有一定滞后性的热传导响应过程。响应过程取决于两个方面：1）作为驱动力的混凝土内外温差或温度梯度；2）表征混凝土热物性的导热系数或导温系数的大小。试验环境箱内升降温速率恒定，所以较低的导热系数导致混凝土内部温度对环境温度的滞后响应。

同时应注意到，在整个试验过程中，混凝土应变增加或减小的变化速率大致相同。这是受到试验环境箱内恒定升降温速率的影响。出现应变变化速率不相同的原因可能是环境箱内温度变化速率与混凝土中温度扩散速度的差值发生变化（水分散失等引起），从而混凝土内外温度梯度产生变化，导致应变变化速率改变。

3.2 混凝土重量变化

表3为各阶段试件的平均重量。w0为试验开始前各组试件重量的平均值。w1为t1＋24h时刻各组试件重量的平均值。w2为t2＋24h时刻各组试件重量的平均值。由Δ1、Δ2可知，混凝土试件重量减小。这是由于混凝土中的水和环境空气处于某一平衡状态，如果周围介质空气的湿度降低或温度升高，混凝土就会发生水分散失。存在于硬化水泥浆体中的水包括毛细孔水、吸附水、层间水和化学结合水。除化学结合水存在于水化反应的水化物晶体中不可散失外，其余3种水在环境湿度低于一定值时都可散失。

表3 试件混凝土重量 kg

表4为2组混凝土试件的重量变化率。可见，随着龄期增长，重量变化率减小。第1个24h的混凝土重量变化率大约是第2个24h的2倍。在相对湿度较大或湿混凝土开始干燥时，混凝土重量变化由毛细管水散失引起；在相对湿度较小时，重量变化是由于先后散失了吸附水和层间水。毛细管水与固相的联系力很小，吸附水、层间水与水泥石固相之间是物理吸附作用。所以随着混凝土不断干燥及水分散失难度增大，混凝土重量变化率会逐渐减小。

同时可看到，A组试件重量变化率小于水灰比相对较大的B组试件。这是因为水灰比小的混凝土微观结构密实、毛细孔平均孔径小，不易与环境进行水分交换，水分散失难度较大。

表4 混凝土重量变化率

3.3 配合比的影响

由图2—3可见，相同水用量、砂率、减水剂掺量，不同水灰比的混凝土，应变随温度、时间变化规律基本相同。表5为2组试件应变的算术平均值。可见，水灰比越小，收缩应变越大、膨胀应变越小。这是因为水灰比较小的混凝土微观结构致密，平均孔径小；毛细孔径越小，内部相对湿度迅速降低，从而产生越大的应力和收缩。

表5 应变的算术平均值

表6为2组试件之间最大应变差值。εA、εB分别为A组、B组试件的应变。在温度最高点附近，不同水灰比混凝土之间的膨胀应变差值达到最大。在之后出现的降温过程中第1次剧烈收缩时，收缩应变差值达到最大。因为水灰比是影响早龄期混凝土应变的重要因素。用水量对混凝土收缩的影响比水泥用量更大。在用水量一定的条件下，混凝土干缩随水泥用量的增加而增大，但增大幅度较小。

表6 最大应变差值

4 结 论

1）在3d龄期内，日气温变化影响下，混凝土多次出现量级达100×10－6的剧烈收缩。以中国北方7月典型日气温（18.5℃～35℃）变化影响为例，剧烈收缩至少出现4次，应变差值可达600×10－6以上。

2）随龄期增长，混凝土重量变化率明显减小。仅水灰比不同的2种混凝土，其应变随温度、时间变化的规律基本相同。但不同水灰比混凝土之间的膨胀应变差值达100×10－6以上，收缩应变差值达200×10－6以上。

3）在受到自身或外界约束时，剧烈收缩应变将会产生极易使混凝土开裂的应力。为减少混凝土桥梁构件早期开裂，应高度重视日气温变化对早龄期混凝土应变的巨大影响。

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