钢筋混凝土早龄期约束收缩试验研究

侯景鹏，史　巍，袁　勇

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林　132012；2.同济大学土木工程学院，上海　200092)



钢筋混凝土早龄期约束收缩试验研究

侯景鹏1，史巍1，袁勇2

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林132012；2.同济大学土木工程学院，上海200092)

针对现浇混凝土结构早期变形开裂问题，设计了适用于轴向配筋试件的刚性框架端部约束收缩试验装置，进行不同配筋率和不同钢筋布置方式下C30混凝土干燥约束收缩试验，并以素混凝土试件和配筋试件端部自由收缩试验作为对比。测试配筋试件和素混凝土试件收缩变形、约束荷载、内部相对湿度随龄期的发展变化。结果表明：端部自由情况下，配筋试件干燥收缩小于素混凝土试件，约束率随配筋率增加而增大；端部约束情况下，配筋试件约束荷载远小于素混凝土试件，仅为素混凝土试件的1/8～1/17；干燥收缩过程中混凝土内部相对湿度呈“3阶段”规律变化。研究结果为混凝土早期变形开裂及防裂措施的研究提供参考。

钢筋混凝土； 早龄期； 干燥收缩； 约束； 相对湿度

1　引　言

现浇混凝土结构早龄期开裂是工程中存在的普遍现象。裂缝导致结构渗漏、钢筋锈蚀、加速老化，对建筑物正常使用、承载能力和耐久性都产生不利影响。

由于混凝土早龄期温度变化、收缩等体积改变引起的变形裂缝占全部裂缝80%以上[1,2]。变形裂缝机理复杂、影响因素多，加之早龄期水泥水化作用未充分进行，强度、刚度未充分发展，结构处于相对“柔弱”阶段，危害性较大。

国内外的研究侧重于素混凝土材料自由收缩，实际工程中混凝土通常是配筋的，混凝土收缩总会受到钢筋、模板、相邻构件、地基基础的约束限制[3-5]。进行配筋混凝土早期约束收缩试验研究，对于认识混凝土变形开裂机理，并在一定程度上预测并控制早期开裂，具有重要意义。

2　试　验

2.1试验原理

借鉴国外TSTM(Thermalstresstestmachine)试验机[6]，针对轴向配筋试件，设计专门的刚性框架端部约束收缩试验装置，借助框架刚度约束混凝土收缩。测试不同配筋率下试件的收缩变形、约束荷载、混凝土内部相对湿度等随龄期的发展变化。

为对比分析，在约束收缩试验同时，进行素混凝土和配筋试件在无端部约束情况下的自由收缩试验，两个对比的自由收缩试件与约束收缩试件的有效尺寸相同，均为100mm×100mm×1000mm。每个自由收缩试件两端安设高精度LVDT(Linearvoltagedisplacementtransducer)测量收缩变形。钢筋上贴应变片测量钢筋应力。混凝土内部埋设温湿度一体数字传感器测量干燥过程混凝土相对湿度的变化。刚性框架上连接荷载传感器测量约束荷载。每组试验3个试件：1个端部约束收缩试件，另2个是配筋和素混凝土的自由收缩试件，见示意图1。

图1　约束收缩试验示意图Fig.1　Schematic diagram of the restrained shrinkage test

2.2约束框架刚度设计

框架刚度是约束收缩试验中考虑的首要问题。若截面太小，框架自身变形大，达不到约束目的；若截面过大，会产生一系列制作、运输、安装、摩擦等难题。

约束框架的纵杆和横梁采用Q235工字钢25b型钢，8.8级精致A级高强螺栓连接，局部焊接加强肋板，以增大刚度。

框架变形包括纵杆轴向变形、横梁弯曲变形和螺栓连接变形，组成串连系统，系统总刚度ks为：

(1)

其中ks1、ks2、ks3分别为纵杆轴向变形刚度、横梁弯曲变形刚度、螺栓连接变形刚度。

对于C30混凝土，经计算框架对收缩的约束程度达95%以上，可近似认为完全约束[7]。

2.3试验材料

C30混凝土配合比见表1，强度等级42.5的小野田普通硅酸盐水泥(C)，河砂(S)，碎石(G)，粒径范围为5～30mm，自来水(W)。设计水灰比0.58，强制式搅拌机搅拌，塌落度135mm，150mm×150mm×150mm立方体试件28d抗压强度37.33MPa。

表1　C30混凝土配合比

2.4试验方案

考虑4种不同的配筋率分别为：0(不配筋)、1.1%、2.0%、4.5%；2种钢筋布置方式：4根钢筋分布和1跟钢筋集中布置。试验方案见表2。

表2　混凝土约束收缩试验方案表

*C30混凝土等级；0、1、2、3代表配筋率为0、1.1%、2.0%、4.5%；d分布配筋，c集中配筋。

2.5试验过程

干燥条件为温度(20±3) ℃、环境相对湿度RH40%±5%，试验在密封的恒温恒湿实验室中进行，温度和环境湿度分别由空调和抽湿机控制。

图2　混凝土约束收缩试验图片Fig.2　Photo of concrete restrained shrinkage test

约束收缩试件直接在刚性框架的模板上浇注，两个自由收缩试件在自制钢模内浇注，浇注后不再挪动，避免早期强度较差情况下对试件造成干扰和破坏。实验如图2所示。

混凝土收缩试验中，如何减小试件底面和支撑底板的摩擦非常重要，摩擦过大限制自由收缩并使约束荷载测量不准确。在试件和底板之间放置0.5mm厚的聚四氟乙烯板并涂抹油膏做为减摩层；在连接荷载传感器和试件的金属夹具与底板之间铺一层碳粉，靠碳粉的润滑作用减小金属之间摩擦，效果良好。

预先在模板内安放绑扎好的钢筋网以及应变片引线，混凝土手工振捣，避免钢筋变位及损坏应变片和引线。试件浇注后20h拆模并开始连续自动测量，每组试验进行至龄期30～60d左右，视收缩发展情况而定，收缩稳定时停止。

3　结果与讨论

3.1收缩应变

试件两端LVDT测得的变形总和除以试件长度，即为干燥收缩应变。

C30素混凝土28d龄期干燥收缩应变在436～554μ之间，平均值511μ；1、3、7、14d龄期收缩分别为28d收缩的15.7%、24.4%、48.0%、72.5%。

混凝土收缩机制复杂，目前达成共识的是认为混凝土收缩源于内部水分迁移和物理化学变化。通常认为，混凝土收缩很难用单一机制解释清楚，而是多种原因重叠交错造成的，不同情况下不同机制起主导作用，有如下几种观点：毛细管张力理论、拆开压力理论、表面自由能理论、层间水散失理论等。钢筋的约束使配筋试件收缩比素混凝土低，约束效应用“约束率”衡量：

(2)

图3，4为收缩应变随龄期的变化，经计算知，约束率在混凝土浇注后1～7d逐渐增加，这是由于钢筋和混凝土粘结增强的结果，7d后趋于稳定，4φ8配筋试件约束率约为18%。

图3　试件C30-2d (4φ8)干燥收缩Fig.3　Drying shrinkage of C30-2d (4φ8)

图4　试件C30-3c (1φ24)干燥收缩Fig.4　Drying shrinkage of C30-3c (1φ24)

由于试验组数限制以及混凝土试验固有的离散性，未能得到约束率和配筋率之间的定量关系。但总的趋势是：配筋率越高约束越强，相同配筋率下分布配筋比集中配筋约束效果好，这是由于分布配筋增加了钢筋和混凝土接触面积，相互咬合和握裹作用增强。

3.2约束荷载

图5　 素混凝土试件C30-0约束荷载Fig.5　Restrained load of plain concrete C30-0

图6　 配筋试件C30-2d (4φ8)约束荷载Fig.6　Restrained load of C30-2d (4φ8)

图7　 约束荷载和干燥收缩应变C30-0Fig.7　Restrained load versus drying shrinkage C30-0

图5，6为约束荷载随龄期的变化：约束荷载随龄期逐渐增大；素混凝土试件约束荷载最大，龄期35d时达最大值0.6t(ton)，相应混凝土拉应力为0.6N/mm2；此后约束荷载略有降低，可能由于混凝土内部产生微裂纹或徐变发展导致约束释放所致，试件表面未现可见裂缝；配筋构件约束荷载远小于素混凝土试件，不同配筋率下为0.04～0.07t之间，仅为素混凝土试件的1/8～1/17，且随配筋率增加而降低。

图7为素混凝土试件约束荷载随干燥收缩应变的变化，约束荷载随收缩应变线性增加。

3.3混凝土内部相对湿度

图8，9为干燥收缩过程中混凝土内部相对湿度随龄期变化，经历3个阶段：第1阶段，从浇注开始至2～3d龄期内，相对湿度几乎不随龄期变化，湿度值在RH95%以上，曲线呈平台，这是由于早期湿度测孔内含有较多游离水导致的；第2阶段，2～3d至35d龄期，相对湿度随龄期线性下降，该阶段是湿度变化和收缩发展的主要时段，且相对湿度变化和干燥收缩应变之间具有明显的线性相关性；第3阶段，35d龄期后，相对湿度变化趋于平缓并达到稳定，中心点相对湿度为RH80%。距试件表面15mm处，由于受外界干燥环境影响大，相对湿度值较中心点低RH3%～5%。

图8　 混凝土内部相对湿度C30-0Fig.8　Relative humidity of concrete C30-0

图9　 混凝土内部相对湿度C30-3cFig.9　Relative humidity of concrete C30-3c

4　结　论

(1)针对现浇混凝土结构早期变形开裂问题，设计了适用于轴向配筋试件的刚性框架端部约束收缩试验装置，利用该装置进行了不同配筋率和不同钢筋布置方式下C30混凝土干燥约束收缩试验;

(2)在温度(20±3) ℃、环境相对湿度RH40%±5%的干燥条件下，C30混凝土28d龄期平均干燥收缩应变为511μ，40d龄期收缩应变600μ，1、3、7、14d收缩分别为28d收缩值的15.7%、24.4%、48.0%、72.5%;

(3)钢筋限制混凝土的干燥收缩，配筋试件收缩小于素混凝土试件，约束率随配筋率增加而增大；4φ8配筋试件，稳定后约束率约为18%;

(4)约束荷载随龄期和收缩发展而增大，素混凝土试件约束荷载最大， 35d龄期达0.6t；配筋试件约束荷载远小于素混凝土试件，仅为素混凝土试件的1/8～1/17;

(5)干燥收缩过程中混凝土内部相对湿度呈“3阶段”规律变化。2～35d龄期混凝土内部相对湿度和干燥收缩之间具有线性相关性。

[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:1-8.

[2] 陆斌.工程施工中混凝土裂缝的成因与控制[J].硅酸盐通报,2013,32(1):85-88．

[3] 安明哲,朱金铨.高性能混凝土的自收缩问题[J].建筑材料学报,2001,4(2):159-166．

[4]NewlandsMD,PaineKA.Alineartestmethodfordeterminingearly-ageshrinkageofconcrete[J].Magazine of Concrete Research,2008,60(10):747-757．

[5]GarasVY,KahnLF.Short-termtensilecreepandshrinkageofultra-highperformanceconcrete[J].Cement and Concrete Composites,2009,31(3):147-152．

[6]SuleM,BreugelKV.Crackingbehaviorofreinforcedconcretesubjectedtoearlyageshrinkage[J].Materials and Structures,2005,34(7):284-292．

[7] 侯景鹏.钢筋混凝土早龄期约束收缩性能研究[D].上海:同济大学博士学位论文,2006.

RestrainedShrinkageExperimentsofReinforcedConcreteatEarlyAge

HOU Jing-peng1,SHI Wei1,YUAN Yong2

(1.SchoolofArchitecturalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.SchoolofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Aspecialrigidframedevicewasdevelopedthatcanbeusedfortestinguniaxialrestraineddryingshrinkageofreinforcedconcrete.RestrainedshrinkagetestseriesofC30concretewasperformedatdifferentreinforcementratioandconfigurations,inparallelwiththefreeshrinkagetestforcomparison.Themeasuredvaluesarethefreeshrinkage,therestraintloads,andtherelativehumidityinsideofconcrete.Theresultsshowthatfortheend-freecondition,theshrinkageofreinforcedconcreteissmallerthanplainconcrete,therestraintrateincreasingalongwiththereinforcementratio;andthatfortheend-restrainedcondition,therestrainedloadinreinforcedconcreteismuchsmallerthaninplainconcreteduetotheeffectofreinforcement,andisonly1/8-1/17ofplainconcrete，andthattheinternalrelativehumiditypresents"3-stage"curve.Theseresultsaregoodreferencesforanalyzingthedeformation-causedcrackingandforanti-crackingmeasuresinconcretestructures.

reinforcedconcrete;earlyage;dryingshrinkage;restrained;relativehumidity

吉林省自然科学基金(20130101049JC)；吉林市杰出青年基金(201262506)

侯景鹏(1973-)，男，工学博士.主要从事混凝土结构与材料性能方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0292-05