高强混凝土早期收缩及抗裂性能研究综述

2018-09-20段小芳夏正兵吴旭

江苏建材 2018年3期

段小芳，夏正兵，吴旭

（1.南通开放大学建筑工程学院，江苏南通 226006；2.南通理工学院建筑工程学院，江苏南通 226002）

0 引言

混凝土作为当今用量最大、使用范围最广的建筑材料，其良好的力学性能、经济性以及对环境的适应性在结构工程中得到广泛应用，成为构成建筑物的主要建筑材料。进入21世纪以来，人们对建筑物的功能提出更高的要求，特别是现阶段超高层、大跨度、节能减排等高技术水平建筑物的快速发展，对混凝土的要求已经超出了传统性能范畴。高强混凝土具有超高强度、高韧性、高流动性和高耐久性等特性。混凝土中水泥和水混合时，发生了放热反应，在这个反应中热量释放引起材料的膨胀。当水化放热结束后，温度下降，材料收缩，如果这种体积变化受到约束，将在混凝土中产生应力。因为在硬化过程中混凝土的弹性模量发生了变化，在初始温度再次达到之前压应力变成了拉应力。如果拉应力达到混凝土的抗拉强度，混凝土就会开裂。

高强混凝土，水和胶凝材料比值不大于0.4，因为水泥没有足够的水参加反应，材料内部干燥，称为“自干燥”，自干燥引起早期收缩，和普通混凝土相比，高强混凝土早期收缩较大，当早期收缩受到抑制，高强混凝土易于早期开裂。

混凝土开裂会影响整体结构的美观，也增加了结构的渗透性，进而加剧钢筋锈蚀，这对建筑架构的安全性与耐久性都有巨大的潜在危险。因此，减小高强混凝土早期自收缩具有重大的工程实际意义。

1 高强混凝土早期收缩研究现状

国际上设立了不少专业科研机构从事混凝土早期特性方面的研究，例如国际材料与结构研究实验联合会（RILEM）、美国混凝土协会（ACI）、日本混凝土协会（JCI）等。自收缩是研究混凝土早期特性的一个重要内容，日本混凝土协会（JCI）对自收缩的定义为：“混凝土初凝后水泥水化引起胶凝材料宏观体积的减小，自收缩不包括因物质的损失或侵入，温度的变化或外部力量或限制物的应用引起的体积变形”。

二十世纪三、四十年代Lyman和Davis等人已提出混凝土自身能够收缩，由于当时的混凝土水灰比普遍较大，测试得出的自收缩值很小，往往被忽略。

国标CBJ82-85规定了混凝土收缩的标准方法:100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，端部预埋测头，试件成型l d后拆模，标准养护3 d后置于20℃、RH60%的干燥环境中，并以其作为测量的起点，用千分表测量试件两测头间长度值随龄期的变化。

2010年康明通过在混凝土试件中配置不同种类的钢筋，研究配筋率、钢筋表面形式、钢筋布置方式对混凝土早期收缩的影响。任意龄期自由收缩应变公式：

式中：ε（t）为任意时间的收缩， (时间)以天为单位；ε0为标准状态下的极限收缩；a、b为相关参数。

2014年Salman Afzal等通过研究5%、10%、15%和20%的膨润土取代混合料中水泥，评价混凝土密封条件下早期自收缩，结果表明使用10%的膨润土取代水泥控制混凝土的收缩效果最好。

东南大学陈德鹏等通过混凝土一系列的收缩试验，研究了SAP对混凝土收缩开裂性能的改善作用。试验结果表明，SAP可以使混凝土过筛后的砂浆开裂面积减小到原来的一半，混凝土的收缩减小30%～40%。

武汉理工大学周宇飞等研究了SAP的掺量和引入水量对不同水胶比混凝土的自收缩与强度的影响，结果表明，当掺入混凝土中的SAP掺量不超过胶凝材料总重量0.5%时，可显著减小混凝土的自收缩，同时抗压强度损失很小。武汉大学何真等通过SAP内养护混凝土试件的早期自收缩、长期干燥收缩及椭圆环约束开裂试验，探讨了内养护措施对改善混凝土收缩开裂性能的影响。试验结果表明，SAP内养护剂减小了混凝土蒸发失水对混凝土早期开裂和后期干燥收缩影响的程度，进而减少了混凝土的开裂和收缩。

混凝土自收缩预测模型有Tazawa-Miyazawa模型、Hua-Acker-Eriacher模型、欧洲EN-1992模型、FIP Model Code-2010、蒋正武等的湿度线性关系模型和阎培渝的水化动力学模型等。这些模型的建立主要基于自收缩的发生机理，相对湿度和水泥的水化参数是最常见的两类输入参量。但是由于混凝土早期变形发生机理的复杂性，至今仍未找到能够准确描述混凝土早期变形的预测模型。

为减小HSC的自收缩并使胶凝材料的水化程度达到最大，需要通过内养护向HSC中引入适量的额外水分，以满足HSC浆体水化时对内部湿度的要求。内养护技术指的是将某种内养护剂均匀地掺入到混凝土中，内养护剂可以在混凝土内部水分不足以供给胶凝材料水化反应时释放储存在其中的水分。目前最常用的混凝土内养护剂主要有两种：一种为饱水轻集料（lightweight aggregate，简称LWA）；另外一种为高吸水性树脂（super absorbent polymer，简称SAP）。若内养护引水量不足，则不能最大程度地降低 HSC的自收缩，胶凝材料水化程度也无法最大化；若内养护引水量过大，则会引起HSC内部孔隙率的增大。

2 高强混凝土早期抗裂性能研究现状

目前，用以评价混凝土在约束收缩条件下抗裂性能的试验方法主要有端部约束试验法、圆环法、侧边约束试验法三种。

2.1 端部约束试验法

端部约束试验是研究混凝土早期抗裂性能的方法之一。该方法力学概念和物理意义清晰明确，约束程度可控可调，可以实现约束度为100%的完全约束，约束由棱柱体试件端部的钳型夹具提供，试件中的拉应力可在其收缩时被测出。用端部约束试验法测试混凝土早期开裂的精确度与可重复性均较高，不仅能够定量测出混凝土因收缩而产生的应力和应变，还能换算出早期弹性模量及徐变值，进一步开发出来的温度应力试验机可以测定早期混凝土约束应力的发展历程，从而更全面、更准确地评价混凝土的早期抗裂性能。

端部约束试验装置的发展，经历了早期的被动刚性约束框架，到后来的计算机控制下的电液伺服系统或者步进电机主动加载试验装置的演化。端部约束主动控制约束试验装置最早于二十世纪八十年代，Springenschmid（1985）、Gierlinger（1985）、研制成功，取名 TSTM（Thermal Stress Test Machine），用于混凝土的温度变形和应力问题的研究。1989年Breitenbücher在温度应力试验机上研究配筋混凝土性能抗裂性能。研究结果表明，在普通混凝土试样和配筋混凝土试件中，开裂温度近似相同。在此基础上，他得出结论：配置钢筋不会降低开裂的可能性。

后来以色列理工学院的 Kovler（1994）、Bloom（1995），美国伊利诺斯州大学的 David、Lange（2001）等人分别不断地对该试验装置进行改进，相继研制出类似的约束变形试验装置，并采用此类试验装置进行了素混凝土试件早期约束收缩的试验研究。Kovler、Bloom等人的试件有效长度为1 000 mm，截面尺寸按不同需要可以做成 40 mm2×40 mm2、50 mm2×50 mm2、75 mm2×75 mm2等，为方便约束荷载的施加，试件端部通常做成局部大头，一端固定在框架上，另一端安装在滑道上可以移动，移动端连接高精度拉力传感器和位移传感器，实时测量变形和约束应力的变化并及时调整荷载，保证达到试验设定的约束度，多数情况是要求完全约束，即约束度R为l。

David A.Lange(2001)实验中，试件横截面尺寸采用 76 mm2×76 mm2，有效长度 1 000 mm，荷载传感器的量程为20 kN，在实验前预先规定一个收缩门槛值5 μm，每当收缩变形达到该阀值时，系统将会自动启动加载系统，使试件的可移动端重新回到原来初始位置，通过这样的控制，可以把收缩变形、徐变变形、弹性变形恰当地从总变形中区分开来，使进一步的开裂机理分析更为方便。

Ronit（2002）采用同样长度、截面为 40 mm2×40 mm2的试件，荷载传感器量程荷5 kN，启动加载系统的收缩门槛值设为2 μm。2002年荷兰代尔夫特理工大学M.Sule等采用类似的自行研制的约束试验系统进行了配筋混凝土构件的早期温度应力和开裂的研究，其试验装置见图1，试验系统由加载部分、控制部分、测量和数据采集部分、试验框架和夹具等组成，每组试件的试验期间大约为一周左右。由于混凝土早期变形值很小，试验要求系统位移控制的精度能达到l μm，这对传感器和控制系统硬件都要求很高，使得其造价昂贵，在一定程度上限制了该试验系统的普及。研究针对素混凝土和配筋混凝土展开，配筋混凝土设计有四种配筋率（0%、0.75%、1.34%、3.02%）、六种配筋方式（1Φ12和 4Φ6，1Φ16 和 4Φ8，1Φ25 和 4Φ12）。混凝土采用高强混凝土 HSC（w/c率=0.33）和普通混凝土NSC（w/c率=0.5），试件均处于恒温和半绝热养护，测试其自由收缩和受约束情况下的应力和裂缝。研究结果表明，钢筋能推迟主裂缝形成的时间，并提出了应变提高系数来定量评估钢筋对减小混凝土早期贯穿性裂缝危险的效应。

图1 混凝土温度应力试验机

2006年同济大学袁勇、候景鹏等通过设计轴向配筋构件的刚性框架端部约束收缩试验系统，研究配筋混凝土构件在刚性框架被动约束下从拆模开始的约束荷载、钢筋应变、混凝土应力等参数随龄期的变化规律。

端部约束试验法既可以应用于素混凝土试件研究，又可应用于配筋混凝土构件研究，因此有利于研究配筋对高强混凝土早期抗裂性能的影响。然而，研究装置难以在试件端部提供充分的、不偏心的约束力。

2.2 圆环法

圆环法是目前应用较为广泛的一种测量混凝土约束收缩的试验方法，操作比较简易，并且圆环试件关于圆心是轴对称的，更加便于力学分析。浇筑在内钢环外侧的混凝土环，由于收缩时受到内钢环的约束，会使其中形成可能引发开裂的环向拉应力。圆环法可以均匀地约束混凝土的收缩（自收缩和干燥收缩），便于评价约束应力对混凝土开裂的影响程度。此外，混凝土在约束收缩时的应力松弛效应也可以由圆环法而更加便捷地反映出来。所以，用圆环法可以对混凝土抗裂性能进行更有效地分析和评价。

圆环法最早是应用于裂缝宽度及裂缝出现时间的观测，以便对混凝土在约束收缩时的抗裂性能进行定性分析；后来采用圆环法监测内钢环内表面的压应变，并结合抗拉强度、弹性模量等力学性能试验结果，可对混凝土在约束收缩时的开裂风险及应力松弛效应进行定量分析；再后来，针对圆环法的美国试验方法标准ASTM C1581-04也相继出台，这说明圆环法的理论评价体系日趋成熟，标志着圆环法已经走上了标准化的道路，以便对试验结果进行比较和分析。

二十世纪中期，Roy Carlson采用圆环法对水泥净浆和水泥砂浆试件进行约束开裂试验，这是圆环试验的开端。这个试验中，水泥浆体围绕圆环浇注，并与空气直接接触。试样的收缩受到圆环的约束，将产生裂缝。然而，这个试验显示，开裂是由于干燥收缩，不是由于热变形，所以不适合预测热效应引起的混凝土结构的应力发展。没过多久，美国西北大学研究中心提出了ACBM方法。该试验装置的内钢环尺寸为：外径305 mm，内径254 mm，高140 mm，试件厚度35 mm，外环由纸板制成。由于ACBM方法测试法与试件尺寸没有关系，受力相对均匀，因此可以较好地研究混凝土的约束收缩开裂。

河海大学杨蓉通过圆环法研究混凝土早期抗裂性能，并提出评价混凝土早期开裂可能性的系统试验方法。圆环装置见图2。环形试件厚度为38 mm，外环尺寸为Φ410 mm×150 mm×5 mm。

图2 ASTM标准改进后底板尺寸

2.3 侧边约束试验法

侧边约束试验主要研究基础对混凝土墙体的约束作用。目前，国外对于混凝土墙体结构的早期温度、收缩裂缝研究的起步要比国内相对要早。早在1934年和1973年，前苏联的马斯洛夫、亚历山大德罗夫斯基应用弹性力学理论分别计算出了浇筑在无限刚性基岩上矩形平面墙和一边嵌固三边自由的墙体由于均匀温升引起的温度应力。但是计算过程也极其复杂，计算结果非常繁琐。

1994年Emborg和Bernander研究表明墙体内部和外部的温度差异是墙体早期裂缝形成的可能性之一，并强调如果温度准则不与现行的约束程度一起考虑，是没有意义的。通过对两米厚的墙进行研究，结果表明基础和墙体交界处的外部轴向约束是100%，墙体顶端轴向约束几乎可以忽略。因此，尽管表面和中间的温度差异相同，但应力发展不同。这导致两种不同的关键时刻。浇注后的几天，墙体顶端趋于发生表面早期拉应力。然而，在基础和墙体交界处早期拉应力不会发生，因为早期体积扩张引起的压应力在应力领域占主导地位。后来，在冷却阶段，整个截面产生了拉应力，导致贯穿裂缝产生。

1994年Pass将钢筋混凝土墙和素混凝土墙浇注在刚度可选择的条形基础或板形基础上，分析基础和配筋对墙体早期开裂的影响，成功地预测了结构构件的温度，材料性能和裂缝形成过程，并提供了最小配筋率的设计图。2002年做了类似的实验，研究了理论和试验中基础对墙体的约束系数。通过浇注点的滑移破坏和结构本身的几何形状，得出结论：约束系数受到基础材料边界约束的影响。1998年Pass用试验研究了浇筑在基础板上的墙的开裂性能，并建立无筋墙和有筋墙的理论模型。由于下面受到完全约束，墙只有顶端边缘才能变形。研究结果表明，无筋水平墙条的水平变形取决于开裂时间和开裂位置。通过引入虚拟长度和长度变化值,计算水平变形：

Kianoush以体积变形受到约束的混凝土墙为基础建立模型，设计了高2 m，长4 m，厚150 mm，配筋率0.2%，钢筋直径10 mm，钢筋间距为262 mm的墙体，研究墙的高度、长度、长高比、厚度、配筋率，收缩和温度变形对裂缝宽度的影响，并利用FEM有限元方法分析进行了分析研究。研究表明，使用有限元得到的裂缝宽度预测公式和试验观测获得的裂缝整体模式和裂缝宽度吻合。

文献中通过研究厚300 mm和900 mm、长度15 000 mm、高2 000 mm的长墙试件，研究新老混凝土交界处的粘结和不同截面形状下老混凝土的所施加的内部约束。研究结果表明，约束的分布决定于构件的截面形状、新浇混凝土的几何性质、粘结处的滑动断裂、弹性模量和基础边界所传递的约束等。河海大学张军通过编制考虑温度对水化反映的影响以及徐变因素的CTS-ANSYS混凝土徐变温度程序，研究早期徐变温度应力、自收缩应力以及干缩应力对混凝土墙体的早期开裂情况的影响。