北方地区低温条件下水工混凝土自生体积变形试验

陆占杰

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124010)

水工混凝土在绝湿和无外荷载的模拟环境温度中，由于胶凝水化作用影响产生的体积变形称为水工混凝土在变温条件下的自生体积变形。水工混凝土在无外力荷载以及交换湿度的条件下其物理变化特征参数只受到其内部温度的影响。近些年来对于水工混凝土在变温条件下的变形量试验取得一定的研究成果，但这些成果试验区域大都位于南方地区，而对于北方地区尤其是低温区水工混凝土的自生体积变形试验研究成果还较少。为提高北方地区尤其是低温期水工混凝土的寿命，亟需对其变温条件下的自生体积变形进行试验，从而指导工程实际，提高北方地区水工混凝土的稳定性和施工质量。为此本文结合变温试验，通过自生体积变形试验对水工混凝土的温度应力分布以及主要特征值进行探讨，研究成果对于北方寒区水工混凝土质量提升具有重要的参考意义。

1 试验方法

1.1 试验仪器和设备

为了对水工混凝土在实际温度下的自生体积变形进行模拟试验分析，采用可以进行变温试验的控制箱。在无外力荷载和湿度交换的试验环境中，水工混凝土的自生体积变形可采用应变计进行其表形的测量，试验仪器和设备还包括率定仪器、变温控制箱、试件放置箱。防冻液为变温控制箱内的介质溶液，水也可在温度高于0℃时作为介质溶液。变温控制箱的最低和最高温度要满足试验温度要求，温度按照试验程序进行设定，速率以5±1℃/min来调节。热电偶作为主要的温度率定仪器，测定的分辨率精确到0.1℃。试验温度调节、监测数据组成的系统如图1所示。

1.2 试件制备

各类水工混凝土骨料间距低于应变计量仪器的1/5，从而保证数据采集的精度。两端之间骨料在应变计标距100mm的差阻间值要低于20mm；在应变计标距250mm的差阻间值要低于50mm。将搅拌的至少3层混凝土放入密封好的试验桶内，人工或自动搅拌均匀后的骨料层高200mm左右，需要制备不少于2个试验组件。

1.3 试验步骤

(1)对电阻及其比值进行初始设置并对其应变计编号进行记录，在24h的工作条件后对应变计的电阻及其比值进行初始值的测定。

(2)对变温试验装置的密封程度进行测试，在试验箱内将变温试验装置放在液体中进行完全浸泡，一般以24h作为测试周期，变温试验装置内没有液体流入且不冒出气泡，表明试验装置的密封程度较高。

(3)按照区域气温年调查值对变温试验进行详细设置，在变温控制器内录入温度设计值。按照不同年份的月气温均值变化趋势对试验周期内的温度进行设置，初始温度按照浇筑混凝土时的温度进行设定，一般按照年气温均值作为其试验温度的调查值。

图1 变温条件下水工混凝土自生体积变形试验系统示意图

(4)试验温度设定后，在变温试验箱内放入制备完成的试件，不要对变温试验箱进行移动和振动。

(5)应变计的基准值按照水工混凝土的初凝时间或者现场搅拌温度进行设置。

(6)从水工混凝土初凝时间起每隔4h进行应变计电阻及电阻比的测定，在试验周期内每天按照试验间隔进行应变计电阻及电阻比的测定，且每周至少测定1次温度。

(7)采用自动监测数据采集装置对试验测定的数据进行采集，也可采用可保证稳定的自动化数据采集系统进行试验数据的自动采集。

2 试验结果

2.1 水工混凝土温度测定试验结果

温度测定试验中混凝土测定温度按以下公式计算。

当温度高于0℃低于60℃时其测定温度计算公式为：

T=a′(R-R0)

(1)

当温度低于0℃高于-25℃时其测定温度计算公式为：

T=a″(R-R0)

(2)

式中，T—测点混凝土温度，℃；R—电阻测值，Ω；a′—应变计零上温度灵敏系数，℃/Ω；a″—应变计零下温度灵敏系数，℃/Ω；R0—应变计计算0℃下的电阻值，Ω。

按照前面所述的试验方法，分别进行了15组温度低于0℃高于-25℃时变温试验，测定结果见表1。

表1 变温条件下水工混凝土温度测定值

从表1结果可看出，测点水工混凝土的温度主要和其电阻测值相关，电阻测值越高其测点混凝土温度也相对较高。其次测点混凝土的温度和应变计的温度灵敏系数相关程度较小，二者总体呈现反曲线分布。在变化温度条件下测点水工混凝土温度受环境温度影响较大，因此在具体试验时新制作的试件按照20℃±2℃范围进行试验温度的控制，环境湿度高于95%时，试验组件在恒温试验装置内进行静置7d的养护。变温试验中的试验组件顶部高度要至少高出水面50mm。按照10～20℃的温度变化范围对温度初始值进行试验控制。

2.2 变温条件下水工混凝土线膨胀系数试验结果

在对变温条件下对水工混凝土的线膨胀系数进行试验测定，试件的中心温度及应变值分别按公式(3)—(4)计算，结果见表2。

θ=a′(Rt-R0)

(3)

εm=f′ΔZ+ba′(Rt-R0)

(4)

式中，θ—试验组件温度均值，℃；εm—测定混凝土应力变化值，10-6；Rt、R0—试验周期结束和开始时候的测定的仪器电阻，Ω；a′—仪器温度灵敏度系数，℃/Ω；b—仪器温度补偿系数，10-6/℃；f′—应变计灵敏度，10-6/0.01%；ΔZ—电阻比变化量，即试验终止温度的电阻比与初始温度的电阻比的差值。

混凝土的线膨胀系数按公式(5)计算(准确至0.1×10-6/℃)，取两个试件测值的平均值作为试验结果。

(5)

式中，a—混凝土线膨胀系数，10-6/℃；Δθ—试验终止温度与初始温度之差，℃。

按照前面所述的试验方法，对15组水工混凝土的线膨胀系数进行试验测定，结果见表3。

变温条件下水工混凝土试件中心温度对水工混凝土线膨胀系数影响较高，也是其线膨胀系数重要影响指标，水工混凝土试件中心温度主要和试验开始、终止时仪器的电阻以及温度灵敏系数有关，尤其是受温度灵敏系数影响较大。变温条件下水工混凝土的线膨胀系数主要和电阻变化量、应变计灵敏度、温度补偿系数有关，是其影响重要指标，测定时一定要控制水温使其恒定，量测应变计的电阻和电阻比，并用温度计测读水温。

表2 变温条件下水工混凝土试件中心温度试验值

2.3 自生体积变形量试验结果

单个混凝土试件自生体积变形量按以下方程进行试验分析：

表3 变温条件下水工混凝土试件线膨胀系数试验值

Gt=f(z-z0)+(b-a)(T-T0)

(6)

式中，Gt—测点混凝土自生体积变形量，10-6；f—应变计应变灵敏度，即应变计最小读数，10-6/0.01%；z—电阻比测值，0.01%；z0—电阻比基准值，0.01%；b—应变计温度修正系数，10-6/℃；a—混凝土线膨胀系数，10-6/℃；T—测点混凝土温度，℃；T0—温度基准值，℃。

按照上述的试验方法，对15组水工混凝土自生体积变形量进行试验测定，结果见表4。

从表4中结果可看出，混凝土线膨胀系数越大其自生体积变形量越大，自生体积变形量大于0，表示其为外扩变形，当其值低于0，则表示为压缩变形。混凝土线膨胀系数是变温条件下水工混凝土自生体积变形量主导因子，其次，测点混凝土温度以及其温度基准值也是重要影响因子，主要测点混凝土温度对其线膨胀系数产生直接影响，从而对其自生体积变形量产生显著影响。从试验结果也可看出，混凝土处于模拟环境温度中，在绝湿和无外荷载的条件下，仅由于胶凝材料的水化作用引起体积变形。在北方低温环境下，水工混凝土施工宜采用防冻液等作为介质溶液，当设计试验温度均大于0℃时，也可采用水作为介质溶液。试验箱最低标称温度和最高标称温度范围应满足-30℃～+50℃的试验要求。

表4 变温条件下水工混凝土自生体积变形量试验值

3 结语

(1)新制作的试件按照20℃±2℃进行试验温度的控制，试验组件在环境湿度高于95%时在恒温的试验装置内进行静置7d的养护，变温试验内的试验组件顶部高度要至少高于水面50mm以上，建议按照10～20℃的温度变化范围对温度初始值进行试验控制。

(2)在变温试验时将与试件中心温度相同时的水温作为试验温度的初始值，并需要保持水温的恒定，水温变化建议不超过0.1℃，可通过加大搅拌频率保持水体的恒温。

(3)本文对水工混凝土自生体积变形量影响因子还未进行研究，在后续研究中还要重点对如混凝土骨料种类、外加剂类型、水泥品种等影响因子进行深入探讨。