混凝土构件早龄期阶段收缩试验方法研究

2021-12-13张丽珺梁秋爽周利梅

内蒙古公路与运输 2021年4期

张丽珺，梁秋爽，周利梅

（重庆电讯职业学院，重庆 402247）

1 引言

到目前为止，混凝土早前期自收缩的测定还没有统一的方法。20 世纪90 年代开始，随着高性能混凝土的广泛应用，混凝土的自收缩再一次被学者们重视，学者大多从混凝土的原料、外加剂和掺和料[1]对混凝土自收缩的影响出发，寻求减少混凝土自收缩引起开裂的方法，但是对如何测定收缩的方式研究较少。

混凝土早期性能是指混凝土结构还在成型阶段所体现出来的性能，在该阶段混凝土经历复杂的物理化学反应，体积状态仍不稳定，学者袁勇[2]在《混凝土结构早期裂缝控制》中将该阶段分为塑性阶段、早前期阶段以及早期阶段三个阶段。混凝土在塑性阶段（浇筑后6h～12h）时，处于流动状态，虽然体积变化剧烈，但是不会产生约束收缩应力，所以在对混凝土力学研究时，一般不考虑这个阶段，但是在混凝土结构体积变形控制时，要考虑混凝土这个阶段的收缩变化。混凝土在早前期阶段（终凝后～72h），水化过程过快，强度和刚度发展迅速，由于这一阶段混凝土结构一般不会拆模，因此该阶段混凝土发生的收缩主要是自收缩。早前期阶段需要注意对结构的养护，避免混凝土发生比较大的干燥收缩。早期阶段（浇筑后72h～90d），这一阶段混凝土水化已经完成，其硬化程度和基本性能趋于成熟。

本文主要取混凝土终凝后至28d这一阶段，称之为早龄期阶段，对其自由收缩以及在约束条件下收缩的研究方法进行阐述。

2 混凝土构件早龄期自收缩试验方法分析

2.1 试验方法

根据规定[3，4]，检测普通混凝土收缩的方法为在试件（100mm×100mm×515mm）的两端预先埋置好测头，测头材料一般为不锈钢材料，准备好的试件1d后才可以拆模并且需要标准养护环境下不少于3d 的养护，然后将试件放置于温度20℃、RH60%的干燥环境中，每天记录试件长度与龄期的关系，数据用千分表测定。这种方法当试件前期水化收缩占总收缩的比例不大时，是满足要求的。但是对于高强混凝土，由于其早期水化剧烈，忽略前3d的变形，误差就会偏大[5]。

国外针对这种情况对试验方法进行了改进[6]，改进方法是将试件平放，试件拆模后装试验仪器，在不搬动试件的情况下对试件进行测量。即便采用这样的试验方法，测量方法也有很多种。

侯景鹏[7]总结了多种测量方法并分别进行了评价。本文设计采用端部接触式传感器，将传感器放在混凝土试件的两端，传感器头抵住端部中央。这样做既简化了测量操作，又能得到比较精确的测量数据。数据采集系统是电脑控制的自动数据采集系统，采集精度控制在不小于10-3mm，传感器安放原理如图1 所示。

图1 混凝土试件自由收缩测量原理

2.2 影响自收缩试验结果的因素

2.2.1 静摩擦力对试验结果的影响

由于试件是水平测量，试验时需要注意两处摩擦力问题：①试件与底模之间的摩擦力不能过大。可在试件浇筑前将聚四氟乙烯（PDFE）板垫在底模上，以减少底板与试件之间的摩擦，同时注意板与底模间也需要涂机油以减少二者间的摩擦。②传感器与混凝土试件之间的摩擦。可将传感器与混凝土构件平行布置于混凝土断面中间位置，以降低两者之间的摩擦。

由于试件变形缓慢，所以其与底板之间的摩擦力被视为静摩擦力。由测量模板一端慢慢抬起直至试件开始自由滑落时的高度，计算试件与底模间的摩擦系数。在本试验中，底模长度为1200mm，测得模板抬起300mm 时试件开始滑动，取模板与水平方向夹角为θ，则sinθ=300/1200=0.25，由此可得摩擦系数μ=tanθ=1-sin2θ/2=0.258。将重量0.24kN、尺寸100mm×100mm×1000mm 的混凝土试件经过自由收缩测量试验后再进行摩擦力试验，可得如下结果。

单位长度的摩擦力ƒ为：

则此时摩擦力限制的收缩量△ɭ为：

整理后得：

式中，F 为试块重量，kN；为试件长度，mm；Et为混凝土弹性模量，N/mm2；A为截面面积，mm2。

如C30混凝土在28d龄期的弹性模量[6]，此时，据此可计算在摩擦力影响下混凝土试件应变值

混凝土早期发生的收缩微应变为102数量级，所以基本可以忽略此摩擦力对应变值变化的影响。

2.2.2 测量方法对试验结果的影响

研究表明[7]，用LVDT 测量方法可减小误差，比千分表测量方法更具可控性。规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-85）规定用千分表测1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d 读数，以确定试件收缩长度，肉眼读数时容易引入随机误差，并且读数时要接近仪器，可能扰动仪器，读数时间人为控制，也会带来时间误差。用LVDT 测量时，用计算机控制时间，并可缩短测量时间间隔。试验开始时设定测量时间间隔为2h，3d后更改时间间隔为4h，7d后可半天测一次，28d 后两天测一次，这样可以得到比较精确的测量值。

2.2.3 早龄期干燥收缩对试验的影响

混凝土在早期加强养护时，前3d 的混凝土不会跟外界发生水分交换，所以混凝土的干燥收缩可以在养护3d后进行测量[8]。但在实际施工现场由于条件受限，不可能达到标准养护，即使是覆盖塑料布、及时浇水，都不可能达到养护室的养护湿度90%（高强混凝土要求95%），因此不能忽略混凝土在前3d 发生的干燥收缩。混凝土试块拆模1d后进行测量得到的混凝土干燥收缩如图2 所示（混凝土配置强度C30，塌落度120mm，环境湿度50%，试件长度1m）。

图2 混凝土干燥收缩图

此时可以看出混凝土前3d 的干燥收缩大约为200微应变，高强混凝土可能会更多[9]。由于此试件是在混凝土刚拆模后就放入干燥环境中进行自由收缩，可能收缩量会大于实际工程，但是前3d 的收缩还是不能忽略的。计算公式[7]在计算混凝土干燥收缩时用的收缩极值为324 微应变，远小于上述试验结果，主要原因是收缩测量开始时间是在构件养护3d后开始。而欧洲规范给出的极限干燥收缩值是700微应变，主要是测量开始时间的不同。

3 混凝土在约束状态下早龄期应力变化研究方法

混凝土在约束状态下的早期应力变化是由于混凝土收缩和徐变的共同作用产生的。混凝土在约束状态下收缩会在内部产生拉应力，而徐变又会释放掉部分应力。因此研究混凝土早期性能的一个关键问题就是理解混凝土早期收缩和徐变共同作用的机理。混凝土的收缩可以直接测得，但徐变需要结合构件在约束状态下拉力变化及收缩通过计算求得。目前我国规范还没有对约束条件下混凝土早期应力的试验方法做出规定，当在常用试验方法中，约束条件主要分为环形约束和直线约束[10]。

3.1 环形约束下早龄期应力试验方法分析

环形约束试验需在刚性约束钢环外浇筑一层较薄的环状混凝土，并用硅橡胶进行密封，环状混凝土在发生收缩时会受到钢环的限制，从而在环向产生拉应力发生开裂。文章是通过观察开裂情况研究应力变化，其装置图如图3 所示。研究也可对这种环形约束试验进行改进，用电阻应变片对环状混凝土外侧及钢环内部进行应变监测，来分析混凝土的应力变化。

图3 环形约束收缩试验装置图

环形约束的优点是试验方法简单，操作者容易掌握，约束环测得的应力数据不容易发生偏心。需要注意的是一般情况下在采集混凝土收缩数据时只有两个面暴露在空气中，所以其缺点是无法得到混凝土构件中内部水分蒸发的实际数据，难以测量钢筋混凝土试件的收缩。

3.2 直线约束下早龄期应力试验方法分析

直线约束适用的试件长度远大于横截面，这样就可以假设应力和收缩的变化是沿着直线方向发展的。直线约束虽然可以克服环形约束的缺点，但也容易发生偏心的影响。采用足够长的构件，可以降低这种偏心影响，甚至可忽略不计。

直线约束有两种形式：内部钢筋约束以及外部约束。两种约束条件下比较容易测得约束力的方法是内部钢筋约束，只要在钢筋上贴应变片即可，当然这样不是最理想的完全约束力，因为内部钢筋的约束力不充分，想要得到最终完全约束力需要对测得的应力进行换算，而混凝土的徐变量与完全约束状态下的徐变量相差较大，所以钢筋约束状态下很难评定构件是何时开裂的。外部约束的条件比较严格，首先构件长度不变，这就需要电液伺服系统来控制，其次收缩要求架体刚度较大。约束力则是通过试件端部的力传感器来测量，所得的数值可以作为完全约束状态下的约束力，这样就避免了在对数值进行修正时由于材料非线性等因素引起的误差。

图4 是被动外部直线约束下测得的混凝土在干燥收缩作用下产生的拉应力随时间变化图。由于此试验没用电液伺服系统控制试件长度，所以试件在约束收缩下产生的拉应力会因架体刚度在拉力下收缩，导致部分拉应力被释放掉，并且试件收缩是在混凝土收缩与徐变共同作用下产生的，一部分拉应力同样会因为徐变作用而释放。构件的实际拉应力需要计算出架体收缩量后进行修正，但是修正后的试件拉应力很难考虑徐变作用，会产生较大误差。这种修正要跟电液伺服系统控制长度下的测量结果做比较，来得到比较准确的修正系数，或者直接用带电液伺服的架体控制试件长度不变。

图4 混凝土约束收缩应力图

3.3 早龄期收缩及徐变关系分析

混凝土早期强度和弹性模量可以反映出混凝土早期性能，在对混凝土早期性能进行研究时需要对两者进行监测[11]，根据所得数据共同评价混凝土早期收缩及徐变对早期性能的影响。εt为时刻t的应变量，δt为同等条件下混凝土试件受主动约束时的应力，则此时的混凝土徐变应变量为εt-δt/E1。构件端部约束刚度不同会影响徐变量的改变，控制其在约束状态下的长度，可得徐变量和约束间关系。

钢筋混凝土和普通混凝土的约束收缩有所不同，而钢筋混凝土为最常见的工程构件，混凝土中的钢筋视作约束时，就会增加混凝土的约束作用，可以得出钢筋混凝土在混凝土早期收缩作用下比普通混凝土更易开裂的结论。而实践经验是一定量的钢筋可以减少混凝土裂缝的发展，这种现象王铁梦[12]在《工程结构裂缝控制》中给予了解释，这些工作只有在直线主动约束作用下才能得到比较准确的数值，但是配筋率对约束力的影响仍需研究。