蒸养混凝土早期断裂性能研究

胡少伟，娄本星，尹阳阳，叶宇霄

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

蒸汽养护是混凝土预制构件生产中常用的养护方式，也是冬季混凝土结构施工时加快进度的一种有效手段。蒸汽养护下的高温度、高湿度可以加快混凝土早期强度增长速度，从而加快模具周转，缩短生产周期（通常其脱模强度要求达到设计强度的70%以上）。贺智敏等[1-4]研究表明，蒸汽养护虽然能在早期显著提高混凝土的性能，但会造成混凝土结构内部孔隙粗化，导致膨胀变形、脆性增大等热损伤效应，对混凝土后期性能产生不利影响。吴建华等[5-7]研究发现，混凝土在蒸汽养护之后，水泥与粗骨料界面处会不同程度地出现裂缝，导致微结构裂损、强度下降等情况，产生许多不利影响。因此，研究混凝土在蒸汽养护条件下的损伤断裂性能具有重要意义。

目前，国内外学者对常规养护条件下混凝土损伤断裂的研究已取得很多成果[8-11]，主要探讨了不同级配、不同初始缝高比、不同龄期等影响因素下混凝土断裂参数的数值变化规律，涉及蒸养混凝土断裂性能的研究还不多见。与普通养护方式不同，蒸汽养护在对混凝土构件进行高温高湿养护后再进行常规养护，蒸汽养护过程是混凝土材料力学性能形成的重要时期（小型预制构件通常为数十个小时，大体积混凝土预制构件通常为2～3 d）。本文对18 根切口梁进行了三点弯曲梁断裂试验，研究不同养护时间对蒸养混凝土早期断裂性能的影响，同时基于数字图像相关法（DIC 方法）测量了试件表面裂缝尖端全场位移和应变信息，对外荷载作用下蒸养混凝土试件裂缝扩展的损伤断裂过程进行研究。

1 试验概况

1.1 试件制备及养护

参考《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T5 332—2005)，设计了6 组共18 根三点弯曲梁试件（其中1 组采用标准养护方式作为对比试件），试件形式如图1。所有试件尺寸均为长×宽×高(L×t×h)=500 mm×100 mm×100 mm，预制缝长 a0为 40 mm。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081－2002)的要求，采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试块来确定混凝土的抗压强度fc及劈裂抗拉强度ft。

试验选用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，粗骨料采用连续颗粒级配碎石（最大直径10 mm），细骨料采用天然河砂，配合比为水∶水泥∶砂∶石子=0.40∶1.00∶1.47∶2.69，减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，28 d 龄期的混凝土标准立方体抗压强度为46.7 MPa。预制裂缝采用厚度为3 mm 的钢板，在混凝土浇筑3 h 后拔出，并移至蒸汽养护箱中进行蒸汽养护。参照《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支梁T 梁技术条件》（TB/T 3043—2005），蒸汽养护制度采用：混凝土浇筑成型后在20 ℃静停3 h，然后在2 h 内均匀升温到60 ℃，60 ℃恒温下分别保持4，8，16，24 和48 h，恒温阶段结束之后将试件从蒸汽养护箱中取出并自然冷却至室温。蒸养结束后测试混凝土的力学性能以及断裂性能。

试验前，首先选取三点弯曲梁试件较光滑面作为散斑面，在图像观测区域均匀喷涂哑光白漆作为背景，随后喷涂哑光黑漆形成人工散斑图，再利用DIC 方法进行图像处理，从而获得图像观测区域内计算点的变形信息。

图1 试件形式Fig.1 TPB specimens

1.2 试验加载装置

混凝土三点弯曲梁试验采用电子万能试验机进行加载，加载速率为0.05 mm/min。在试件的底部和裂尖处分别布置两个夹式引伸计，以测量裂缝口张开位移Dm和裂缝尖端张开位移Dt。用于固定下部引伸计的薄钢片厚度为3 mm，用于固定正面引伸计的菱形楔块厚度为10 mm。测试设备如图2 所示。两个工业相机用于同步采集预制裂缝附近区域的散斑图像，采集频率为1 帧/s，并通过DIC 图像分析软件（PMLAB DIC-3D）进行分析。

图2 加载装置Fig.2 Loading setup

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

图3 给出了不同养护时间下各组试件的力学性能。混凝土的抗压、抗拉强度及弹性模量在24 h 内均呈上升趋势，24 h 后出现下降趋势。分析原因是在蒸汽养护早期，水泥水化作用占主要作用，浆体与骨料的结合面强度快速上升；但长时间的高温养护对混凝土骨料与浆体界面过渡区造成一定的损伤，在一定程度上降低了混凝土的强度及弹性模量[12]。

图3 试件的力学性能Fig.3 Mechanical property of specimens

图4 给出了每组典型试件实测P-Dm曲线，图5给出了试件起裂荷载和失稳荷载。可见，随着养护时间的增加，峰值荷载对应的裂缝张口位移Dmc呈上升趋势；养护时间由4 h 增至24 h，起裂荷载从0.61 kN 升至1.36 kN，失稳荷载从1.25 kN 升至2.46 kN，且养护时间超过8 h 后，起裂荷载和峰值荷载增速明显减缓；当养护时间为48 h 时，起裂荷载和失稳荷载较24 h 时出现了略微下降的趋势，分别降低7.3% 和1.2%。由以上分析结果可知，适当的蒸汽养护可以显著提高混凝土的早期性能，从而使混凝土预制构件在早期具有较高的承载能力和抗裂能力。

图4 不同养护时间试件P-Dm 曲线Fig.4 P-Dm curve of specimens with different curing time

图5 试件起裂荷载和失稳荷载Fig.5 Initiation load and maximum load of specimens

2.2 双K 断裂参数计算

断裂韧度表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧度好坏的定量指标。根据《水工混凝土断裂试验规程》（DL/T 5 332—2005）中混凝土三点弯曲梁双K 断裂参数计算公式，计算了不同蒸养时间下混凝土的断裂韧度：

其中，ac按式(3)计算

式中：h0为引伸计刀口薄钢板厚度（m）；Dmc为裂缝口张开位移临界值（μm）；E 为计算弹性模量（GPa）。

E 按式(4)计算：

式中：a0为初始裂缝长度（m）；ci为P-Dm曲线直线段上任一点的斜率。

起裂韧度为：

据式(1) ～ (5)可以计算得到试件的起裂韧度、失稳韧度以及其他相关参数，如表1 所示。

表1 断裂试验结果Tab.1 Test results of TPB specimens

图6 给出了不同养护时间下蒸养混凝土的断裂韧度变化趋势。由图6 可知，试件的起裂韧度和失稳韧度变化趋势大致相同，相比养护4 h 混凝土试件的断裂韧度，养护8、16、24、48 h 混凝土试件的起裂韧度分别增长46.5%、63.2%、68.3%和59.4%，试件的失稳韧度分别增长33.6%、46.0%、51.9%和60.3%。与标准养护28 d 下的试件相比，在蒸汽养护8 h 后，其断裂性能可以达到标准养护条件下的80%左右。由此可见，短时间的蒸汽养护可以显著提高混凝土的抗裂性能，但养护时间超过8 h 后，和的增幅逐渐趋于平缓。因此，考虑其力学性能以及实际应用的经济性，就本文所研究混凝土而言，养护时间在8～16 h 为宜。

图6 不同养护时间试件断裂韧度Fig.6 Fracture toughness of specimens

2.3 断裂能和特征长度计算

断裂能的定义为裂缝扩展单位面积所需要的能量（假定所有外力做的功都用于裂纹扩展）[13]，是表征材料抗裂能力的材料参数。根据测得的P-δ 曲线，可以通过式(6)计算混凝土材料断裂能GF：

式中：W0为外荷载沿跨中加载方向所做的功，即P-δ曲线所包围的面积；mg 为三点弯曲梁有效跨度范围内自重；h 为试件高度；a0为预制裂缝长度；t 为试件厚度；δmax为最大挠度值。

特征长度Lch是混凝土材料的脆性指标，特征长度越小表示混凝土越脆。其值可由下式确定：式中：E 为混凝土的弹性模量；GF为断裂能；ft为抗拉强度。

图7 给出了各组试件的断裂能和特征长度随养护时间的变化趋势。可见，当养护时间为4～24 h时，随着养护时间的增加，断裂能呈上升趋势，从80.5 N/m 上升到121.2 N/m，特征长度呈下降趋势，从633 mm 逐渐减小至330 mm，说明混凝土随养护时间的增加其脆性逐渐增大；养护时间从24 h 到48 h，断裂能降低0.7 N/m，基本趋于稳定，而特征长度略有升高。分析原因是此时水泥水化作用对强度的影响趋于平缓，蒸汽养护带来的热损伤效应致使混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量等基本材料参数下降，导致特征长度略有升高。

图7 各组试件的断裂能及特征长度Fig.7 Fracture energy and characteristic length of specimens

2.4 双K 断裂参数、材料基本参数与成熟度的关系

为了评估蒸汽养护过程中混凝土材料参数随温度和养护时间的变化，Nurse[14]和Saul[15]引入了成熟度的概念，将混凝土实测温度历时转换为定量指标以预测强度的发展，管俊峰等[16]也通过成熟度来预测混凝土断裂参数。混凝土成熟度表示为：

式中：T 为养护温度（℃）；t 为养护时间（h）；M 为混凝土成熟度（℃·h），即温度-时间曲线的面积。

通过对试验结果进行分析，发现弹性模量E 和抗压强度fc符合二次函数关系，双K 断裂参数和断裂能GF符合对数函数关系。基于试验结果进行回归分析，给出了双K 断裂韧度、材料基本力学参数与成熟度的关系式，如图8 所示，图中均为标准养护28 d 的材料参数。

图8 材料参数与成熟度的关系Fig.8 Relationship between material parameters and maturity

2.5 裂缝扩展过程

以蒸汽养护时间4 h 混凝土三点弯曲梁试件为例，基于DIC 方法对计算区域裂缝扩展过程进行研究。本试验属于Ⅰ型断裂问题，因此主要关注水平方向的位移和应变信息。

图9 为裂缝尖端切线位置处在不同荷载阶段下的水平位移变化趋势。图10 为相应荷载阶段下计算区域内水平方向的全场应变演化过程。由图9 和10 可知，在加载初期10%Pmax(↑)阶段（↑代表荷载上升阶段，↓代表荷载下降阶段）时，裂尖处计算点的水平位移基本为零，预制裂缝尖端位置处应变无明显变化，即在此阶段试件还处于未开裂阶段；当荷载达到50%Pmax(↑)阶段时，预制裂缝尖端位置处的计算点位移发生突变，左右两侧位移差值为0.012 4 mm，图10 中裂尖处区域应变值开始增大，说明在此阶段试件处于已起裂并处于开裂状态；当荷载处于50%Pmax(↑)～Pmax(↑)阶段时，由于试件已经处于开裂阶段，随着荷载继续增加，水平位移差值和裂尖应变值持续增大，裂缝稳定向前推进，裂缝长度扩展至16.37 mm。当荷载超过Pmax阶段后，水平位移差值急剧增大，在减小至50%Pmax(↓)阶段时，裂尖水平位移差值达到了0.116 mm，裂缝长度扩展至31.5 mm，在宏观上表现为裂缝失稳扩展，直至试件最终发生破坏。因此，通过DIC 方法可以观测到混凝土从起裂到失稳破坏演化全过程，是研究裂缝扩展的有效手段。

图9 预制裂缝尖端切线水平位移Fig.9 Horizontal displacement of precast crack-tip

图10 蒸汽养护4 h 混凝土试件水平方向全场应变Fig.10 Full field strain in horizontal direction of concrete specimen with 4 h steam curing

3 结 语

本文通过分析蒸养混凝土三点弯曲切口梁在不同养护时间下的试验结果，得出如下结论：

(1) 蒸养混凝土早期断裂性能的变化可分为3 个阶段。在养护时间8 h 内，混凝土抗裂性能迅速增长；在养护8～24 h，混凝土抗裂性能增长速率显著降低；在养护超过24 h 后，混凝土抗裂性能趋于稳定。

(2) 随着养护时间的增加，起裂荷载、失稳荷载、双K 断裂参数和断裂能逐渐上升且趋于稳定，特征长度逐渐下降且趋于稳定。

(3) 蒸汽养护会对骨料与浆体界面造成一定的损伤，过长的养护时间在一定程度上会降低混凝土的力学性能。结合断裂试验结果，蒸汽养护时间不宜过长，就本文研究混凝土，最佳养护时间为8～16 h。

(4) 采用成熟度方法研究蒸养混凝土断裂参数的规律是可行的，本文建立的“断裂参数-成熟度”的关系式可以为蒸养混凝土早期断裂参数的确定提供依据。

(5) 通过DIC 方法分析裂缝扩展路径附近区域的水平位移和水平应变，可以有效观测到断裂演化全过程。