钢筋对高强混凝土早期收缩及抗裂性影响研究

段小芳，朱学佳

（1.南通开放大学，江苏 南通 226006；2.南通博创建筑科技有限公司，江苏 南通 226005）

0 引言

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。

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，操作比较简单，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[1]。

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[2]；再后来，针对圆环法的美国试验方法标准ASTM C1581-04[3]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。

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，试验装置最早于二十世纪80年代，用于混凝土的温度变形和应力问题的研究。Kovler、Bloom[4-5]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40×40 mm2、50×50 mm2、75×75 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。

侧边约束试验主要研究基础对混凝土墙体的约束作用。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，计算非常繁琐[6]。

1 试验方案及过程

圆环试验装置主要由三个部分组成：内钢环、外钢环以及底板。圆环尺寸：内环尺寸为φ326mm×100 mm×34 mm，外环尺寸为 φ526 mm×104 mm×5 mm；试件尺寸：内径326 mm，外径526 mm，壁厚100 mm，高度100 mm。圆环装置见图1。

图1 圆环装置

本次试验采用的水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，设计强度等级为高强混凝土C50。共设计4个试件，其中一个试件不布置钢筋，另外三个试件沿环向中心位置布置1根HRB400螺纹钢筋，直径分别为16 mm、20 mm、25 mm，对应试件编号分别为Y1-0、Y2-16、Y3-20、Y4-25。浇注混凝土之前，先把钢筋布置到圆环装置内，并在钢筋上沿环向均匀贴4个应变片，测量内部钢筋和混凝土的应变，内钢环内侧沿环向均匀贴8个应变片，见图2。

图2 钢筋布置

混凝土浇筑后，用塑料薄膜密封。室内温度20℃，相对湿度60%，每隔20 min采集一次数据。试验中需要实时观察应变采集仪的读数，记录初始开裂时间，并用放大镜观察混凝土环顶部和外侧面的裂缝开展情况，根据混凝土环形试件侧面的开裂程度进行判定，侧面裂缝宽度越小，开裂出现的时间越晚，混凝土的抗裂性能越好。混凝土浇筑完成见图3。

图3 混凝土浇筑完成

2 试验结果及分析

2.1 内钢环应变

内钢环应变结果如图4～7所示。从图4～7中可以看出，四个钢环内部应变发展趋势基本相似，随着龄期的增长，混凝土发生收缩，内钢环应变不断增大，到达某个值后，又突然下降，试件开裂。不配筋试件Y1-0在龄期50 h时开裂，内钢环最大应变为-70 με；试件Y2-16在龄期58 h时开裂，内钢环最大应变为-75 με；试件Y3-20在龄期67 h时开裂，内钢环最大应变为-78 με；试件Y4-25在龄期80 h时开裂，内钢环最大应变为-80 με。

2.2 混凝土内部钢筋应变

图4 不配筋试件Y1-0内钢环应变

图5 配筋试件Y2-16内钢环应变

图6 配筋试件Y3-20内钢环应变

图7 配筋试件Y4-25内钢环应变

根据试验数据，绘制混凝土内部钢筋应变随龄期的发展曲线图。由图中曲线可以看出前3 d钢筋应变发展剧烈，4～7 d发展变慢，7 d后应变基本不变。龄期3 d，配筋试件Y2-16内钢筋应变为-200～-400 με，Y3-20 内钢筋应变为-100 με 左右，Y4-25 内钢筋应变为-50～100 με 左右；7 d 后试件Y2-16 内钢筋应变为-350～-60 με，Y3-20 内钢筋应变为-150～220 με左右，Y4-25内钢筋应变为-70～170 με左右。试验结果表明，配筋率越大，混凝土内部应变越小，混凝土收缩引起的内部应力越小，混凝土越不容易早期开裂（图8～10）。

图8 配筋试件Y2-16内钢筋应变

图9 配筋试件Y3-20内钢筋应变

图10 配筋试件Y4-25内钢筋应变

3 配筋对混凝土早期抗裂性能评价

（1）不配筋试件Y1-0在50 h发生初始开裂；配筋试件Y2-16于58 h发生初始开裂，比不配筋试件的初始开裂时间延缓了16%；配筋试件Y3-20于67 h发生初始开裂，比不配筋试件的初始开裂时间延缓了34%；配筋试件Y4-25于80 h发生初始开裂，比不配筋试件的初始开裂时间延缓了60%。开裂前不配筋试件内部钢环的临界应变值为-70 με；配筋试件Y2-16为-75 με，比不配筋试件的抗裂应变提高了7%；配筋试件Y3-20为-78 με，比不配筋试件的抗裂应变提高了11%；配筋试件Y4-25为-80 με，比不配筋试件的抗裂应变提高了14%。试验结果表明，在混凝土内部布置钢筋，可以推迟混凝土早期裂缝的产生，提高混凝土的抗裂性能。

（2）钢筋应变结果表明，前3 d混凝土内部钢筋应变发展剧烈，4～7 d发展变慢，7 d后应变基本不变。配筋率越大，混凝土内部应变越小，混凝土收缩引起的内部应力越小，混凝土越不容易早期开裂。