骤然降温下混凝土板温度自约束应力的实验研究

王仁振，汪泓吉，杨晓翔

(1.中国一冶集团有限公司，武汉 430070；2.新材料力学理论与应用湖北省重点实验室(武汉理工大学)，武汉 430070)

随着我国经济的快速发展，大型现代化技术设施或构筑物不断增多。混凝土由于其价廉物美、施工方便、承载力大、可装饰等优点，逐渐成为上述大型设施或构筑物的重要组成部分，特别是水利水电工程建筑中，如渡槽等。混凝土为脆性材料，且在一些大体积的构筑物中通常不配筋，因此在大体积混凝土结构的设计中应尽量避免出现拉应力或只出现很小的拉应力。而在大体积混凝土结构施工及运行过程中，当外界环境温度变化时，混凝土由于其较差的导热性能，使得结构内部温度分布不均，进而发生变形。当该变形受到限制时会在结构内部产生温度应力：受外界约束而产生的外约束温度应力[1-5]及材料内部各质点间相互约束产生的温度自约束应力[6,7]。研究表明温度变化特别是骤然降温时，混凝土表面产生较大的拉应力，甚至产生裂缝，表面裂缝在周而复始的温度作用下将不断延伸，这将直接影响混凝土结构的安全性能及使用寿命。因此控制温度应力、防止混凝土结构产生裂缝[8,9]是提高混凝土耐久性的可靠途径之一。

目前对于混凝土温度应力的研究以理论和数值模拟为主[10,11]，而骤然降温下混凝土结构内部不可忽视的温度自约束应力的理论与实验测试研究较少。因此，该文以混凝土平板为例，通过改变其单面环境温度，详细分析了骤然降温时混凝土温度自约束应力的产生机理，并设计两步法实验方案，开展混凝土板温度自约束应力实验研究，考察不同降温速率对混凝土温度场及应力场的影响，分析其分布规律，为采用数值模拟方法计算混凝土结构内部温度应力提供验证依据。

1 混凝土温度自约束应力产生机理及测试方法

ε约束=ε总-ε自由

(1)

自由收缩应变不会引起应力，要计算混凝土温度自约束应力，则需知道混凝土内部自约束应变。由于ε自由是混凝土板内外温度下降至一致时的稳态应变，需要较长的稳定时间。因此，ε总与ε自由不太可能在一次实验中同时测得。故文中采用两步法进行测量：先通过两次实验分别测得总应变ε总和自由应变ε自由，再根据式(1)，得到混凝土的内部自约束应变ε约束，再根据胡克定律即可得到不同降温速率下的混凝土温度自约束应力。其技术路线如图1所示。

2 实验材料及测试设备

2.1 原材料配合比

此次实验选用的原材料如下：水泥：华新P·O42.5级水泥，细度为0.67，比表面积为350 m2/kg；细骨料：平均细度模数是2.35，堆积密度为1 400 kg/m3(细砂)；粗骨料：粒径5～20 mm的碎石，堆积密度为1 450 kg/m3；减水剂：课题组自制的高效减水剂；水：武汉自来水。

参照JGJ55—2011《混凝土配合比设计规程》设计C50混凝土，其配合比如表1所示。

表1 C50混凝土配合比

2.2 试件设计及制作

混凝土平板尺寸为0.5 m×0.5 m×0.05 m，将搅拌制好的混凝土装入模具振捣密实，并将其放置在温度为21 ℃的室内静置一昼夜。拆模后放置于温度为23 ℃，相对湿度为95%的养护室养护28 d。

2.3 温度应力测试系统

采用的实验设备有大型环境温度控制箱WSD-01，动态信号测试分析系统，热电阻温度传感器pt 100，应变片BX120-30AAA(XX)(电阻为(120±0.8)Ω，热输出灵敏系数为0.5 με/℃)等。

实验前将混凝土平板进行预处理，在平板上下面分别固定一个热电阻温度传感器，以便测量上下面的温度变化。该测试中混凝土平板较薄，为使混凝土内外表面温差达到最大值，在混凝土四周及下表面分布粘贴三聚氰胺泡沫保温材料。分别选取距离混凝土平板边缘0.07 m及正中心三点作为测试点布置0°、45°、90°的三向应变花，使得0°方向上的应变片沿混凝土横向布置，90°方向上的应变片沿混凝土板纵向布置，如图2所示。

3 试验结果与讨论

3.1 不同降温速率对混凝土板温度场的影响

该实验通过大型环境温控箱对环境温度进行调节，设置5 ℃的初始温度，将C50混凝土静置一定时间，直至混凝土总体温度达到5 ℃左右。设定不同降温速率，利用温度传感器对混凝土外表面温度进行实时测量，从而研究不同降温速率对混凝土上下表面温度的影响。图3分别为初始温度为5 ℃，混凝土平板在1 h内降温5 ℃和10 ℃时上下表面温度随时间变化曲线。

由图3可知当环境温度按照一定降温速率发生变化时，混凝土平板上下表面温度均随时间逐渐降低，由于保温材料的作用，单位时间内平板下表面的降温幅度小于上表面的降温幅度，混凝土平板上下表面温差逐渐增大。不同降温速率下，混凝土平板上下表面温度及温差各不同，降温速率越大，混凝土平板外表面的降温幅度越大，上下表面的温差也越大，其数值结果如表2所示。

表2 不同降温速率下混凝土板上下表面温度

3.2 不同降温速率对混凝土板总应变的影响

为了研究混凝土结构上下表面温差对混凝土自约束应力的影响，实验过程中分别测定了混凝土平板表面不同测点处的应变。

图4、图5分别为测点A、B、C在初始温度为5 ℃，降温速率分别为5 ℃/h和10 ℃/h时，0°、45°、90°方向的应变随时间的变化曲线，降温1 h时刻各测点的应变值如表3所示。

表3 混凝土板总应变

由图4，图5及表3数据分析可知，当环境温度降低时，混凝土表面产生收缩变形，环境温度降温速率越大，这种收缩变形越明显，同一时刻混凝土平板表面的应变绝对值也越大；在相同降温速率下，A、B、C三个测点的应变-时间曲线很相似，同一时刻的应变值也较接近，说明混凝土板的整个上表面是近似均匀的应变场。

3.3 不同降温速率对混凝土板自约束应变及应力的影响

以上测试得到的应变是总应变ε总，按照实验方案第二步，还需测试混凝土自由收缩ε自由。以环境降温速率为10 ℃/h，降温1 h时混凝土上表面温度作为目标值，直至混凝土上表面温度与混凝土下表面分别达到目标值，记录此时测点A，测点B，测点C的自由应变平均值，见图6。

采取同样的方法测试降温速率为5 ℃/h时混凝土由于自由收缩所产生的自由应变，结果如表4所示。

将表3及表4数据代入公式(1)可得混凝土平板在不同降温速率下的自约束应变如表5所示。

表4 混凝土板自由收缩应变

表5 混凝土板自约束应变

在降温过程中测得的表面应变为均为负值，自约束应变值均为正，说明混凝土在降温时表面会产生拉应力。根据三个方向上的自约束应变分量，按下述公式可以计算出温度自约束主应变和主应力，如表6所示。

(2)

(3)

式中，E为混凝土的弹性模量；ν是泊松比。

表6 混凝土板表面的温度自约束第一主应力

可知，环境温度降低时，混凝土板表面由于内部自约束作用产生了拉应力。降温速率相同时，A、B、C三个测点所产生的温度应力大小相近，混凝土板表面的温度自约束应力的大小和测点的空间分布无关，说明混凝土板上表面具有近似均匀的自约束应力场，当降温速率不同时，降温速率越大，混凝土板表面的温度自约束应力越大。

4 结 论

该文研究了骤然降温下混凝土板温度自约束应力测试技术，提出并设计了骤然降温时混凝土板温度自约束应力的“两步法”测试方案。通过大型环境温度控制箱控制降温速率，获得了混凝土板外表面温度自约束应变变化曲线，得到了混凝土板外表面温度主应力随降温速率的变化规律，获得了如下结论：

1)当环境温度降低时，混凝土板上下表面温度随时间逐渐降低，环境温度降温速率越快，混凝土板上下表面温差越大。

2)混凝土板不均匀的温度分布使得混凝土板产生不均匀变形，降温幅度越大，同一时刻的变形也越大。在相同降温速率下，混凝土板上表面A、B、C三点的应变值相差较小，表明混凝土板上表面是近似均匀的应变场。

3)当环境温度降低时，三个测点计算所得的温度应力值为正，即混凝土结构由于内部自约束作用产生了拉应力，且三个测点所得应力值较接近，即混凝土板上表面具有近似均匀的温度自约束应力场，降温速率越大，混凝土板表面的温度自约束应力也越大。

[1] 燕 乔,张胜利.基于ANSYS的冷却水与混凝土对流换热模拟研究[J].人民长江,2015(5)：50-53.

[2] 冯晓波,王长德,管光华.大型渡槽温度场的边界条件计算方法[J].南水北调与水利科技,2008,6(1):170-173.

[3] 张亮亮,赵艳青,杨 磊.基于ANSYS的混凝土箱梁日照温度应力数值分析[J].计算机应用,2011,31(s1):177-180.

[4] 孙红运,方从启,蔡 蔚,等.冻融循环下混凝土热应力影响因素的研究[J].混凝土,2017(5):29-32.

[5] AMIN M N,KIM J S,YUN L,et al.Simulation of the Thermal Stress in Mass Concrete Using a Thermal Stress Measuring Device[J].Cement & Concrete Research,2009,39(3):154-164.

[6] 季日臣,唐 艳.混凝土箱形渡槽日照温度场及纵向温度应力研究[J].兰州交通大学学报,2009,28(4):7-11.

[7] 柏文文,季日臣,徐志强等.冬季停运期倒虹吸横向温度应力简化计算[J].南水北调与水利科技,2015,13(3):601-605.

[8] 刘 锐.聚脲凃层在大坝混凝土面板防渗加固中的应用[J].人民长江,2016,47(4):47-49.

[9] 尚 层.高寒地区碾压混凝土坝上游面保温方案比选[J].人民长江,2016,47(1):79-82.

[10] 周立江，范 进，丁建国.气云爆炸下钢筋混凝土板毁伤的数值分析[J].爆破，2017,34(4)：143-148.

[11] 褚怀保，叶红宇，杨小林，等.高强混凝土试块爆破损伤累积规律试验研究[J].爆破，2016,33(1)：1-5.