混凝土温度收缩开裂试验方法研发与应用

李兆宇,张锦涛

(中国水利水电第三工程局有限公司,陕西 西安 710016)

1 研究背景

混凝土抗裂性问题是土木工程界长期关注的热点问题,是影响混凝土构筑物安全性和耐久性的关键因素。在实际工程中,原材料性能及配比、施工质量、温控措施、环境条件等均影响混凝土的抗裂性能。而利用试验方法客观的评价混凝土抗裂性能,是有效降低开裂风险的前提[1]。

常见的混凝土抗裂性评价试验方法为圆环法、平板法和温度-应力试验架法。ASTM C1581—2018a[2]中均采用圆环法,以开裂龄期、裂缝宽度等参数作为指标,评价均匀约束条件下混凝土干燥收缩对开裂的影响。圆环法约束程度普遍不高,试样开裂敏感性较低,ASTM C1581—2018a试验中约束程度最高约为75%。CECS 01—2004，GB 50082—2009[3]中采用平板法,通过测量裂缝长度和宽度,以每条裂缝的开裂面积、单位面积的裂缝数量和单位面积的总开裂面积作为指标,评价平板薄壁结构混凝土塑性收缩和干燥收缩对混凝土开裂的影响。由于裂缝位置随机、裂缝数量及宽度测量准确性差,导致试验结果重复性差。温度-应力试验法适用于评价大体积混凝土温度场变化及强约束条件下的抗裂性,可综合反映各因素的相互作用,但试验设备昂贵、过程复杂,应用极少[4-7]。

为提高圆环约束程度,增加开裂的敏感性,学者开展了不同方式的圆环约束装置改进试验[8-12]。我国部分学者采用外方内圆的偏心约束装置,通过增加可预知位置的开裂,有效提高了混凝土开裂的敏感性[13-16]。Barrett[17]通过引入温度应力,采用双环约束结合圆环外部循环控温系统的试验方法,研究了温度收缩和自收缩条件下粉煤灰预湿骨料砂浆的抗裂性。Briffaut et al[18]采用流体循环系统控制铜环的温升,研究混凝土环温升条件下的早期开裂敏感性(铜环的热膨胀系数是混凝土环的3倍)。

综上所述,圆环法虽然应用普遍,但其约束程度较低,试验结果不理想。本文开展了基于弹性力学理论、综合考虑温度收缩条件下的圆环实验装置理论分析,计算不同参数对圆环约束度的影响;根据分析结果设计了新型混凝土抗裂性能评价试验系统,并验证了其有效性。

2 实验装置理论分析和数值计算

2.1 理论分析

约束圆环装置(如图1所示)以弹性力学[19]为理论基础,遵循弹性力学五大基本假定(连续性、线弹性、均匀性、各向同性、小变形),在此基础上,采用极坐标处理方式,可得到直角坐标系下的平衡方程、几何方程以及物理方程，见式(1)～式(3)。

平衡方程:

(1)

几何方程:

(2)

物理方程:

(3)

其中，E为材料的弹性模量,MPa;fr为体力,N;ur为径向位移,mm;εr为径向应变,mm;εθ为环向应变,mm;ν为材料的泊松比；σr为径向应力,MPa;σθ为环向应力,MPa。

温降条件下,平衡方程和几何方程同等温情况一致。弹性体的应变将由弹性体内部之间相互约束所引起的应变和温度作用产生的温度应变两者叠加构成,因此温度应力条件下,试验装置的物理方程式可表示为:

(4)

其中，T为温度变化值;α为材料的线膨胀系数。

(5)

对式(5)微分方程求解、代入几何方程可得到径向应力σr和环向应力σθ的表达式:

(6)

因此分别建立约束钢环和混凝土环的表达式如下:

约束钢环:

(7)

混凝土环:

(8)

其中，c1c,c2c均为混凝土环参数;c1s,c2s均为钢环参数。

取钢环内半径为a,钢环外半径为b,混凝土环内半径为b,混凝土环外半径为c。混凝土环边界条件r=b时,σrs=σrc;r=c时,σrc=0。钢环边界条件r=a时,σra=0。联立求解得:

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 解析与数值计算结果分析

通过参数c1c,c2c,c1s,c2s建立钢环和混凝土环的应力、应变、位移的解析表达式,分别分析钢环线膨胀系数、约束钢环厚度、温降大小等因素对混凝土抗裂性的影响。

2.2.1 参数设计

分析不同参数对混凝土环的约束程度时,除研究参数外,混凝土环外半径c=212.5 mm,内半径b=152.5 mm,弹性模量Ec=3×104MPa,泊松比νc=0.2,线膨胀系数αc=10×10-6/℃;钢环厚度6 mm,其内半径a=146.5 mm,弹性模量Es=1.42×105MPa,泊松比νs=0.3,线膨胀系数αs=1×10-6/℃;温降为40 ℃。

2.2.2 不同因素对混凝土环和钢环环向应力的影响

由于混凝土所承受的抗拉强度大于其极限抗拉强度时,混凝土产生开裂。因此本文研究了不同参数对混凝土环环向拉应力的影响。

1)钢环线膨胀系数对混凝土和钢环应力的影响。

钢环线膨胀系数分别采用αs=0，αs=2×10-6/℃,αs=4×10-6/℃,αs=6×10-6/℃,αs=8×10-6/℃,αs=10×10-6/℃。用解析法和ABAQUS有限元数值分析法分别计算不同钢环线性膨胀系数条件下混凝土环与钢环环向应力,计算结果见图2。

由图2可知,钢环、混凝土环环向应力解析解与数值计算结果趋势一致,验证了理论分析的准确性。

温降条件下,当钢环和混凝土环线膨胀系数均为10×10-6/℃时,两者随温度的下降共同收缩,不产生环向应力;当钢环与混凝土环线膨胀系数不同时,钢环产生环向压应力,混凝土环产生环向拉应力。随钢环线膨胀系数的不断降低,两者产生的应力逐渐增大,当钢环线膨胀系数降低至0×10-6/℃时,混凝土环内侧产生的环向拉应力达4.4 MPa。因此温降条件下,钢环的线膨胀系数越低,混凝土环所受约束度越高。混凝土环环向拉应力最大值出现在混凝土环内侧,随半径的增加略有下降。

2)钢环厚度对混凝土环和钢环环向应力的影响。

采用不同钢环厚度(6 mm,8 mm,10 mm,12 mm),分别计算混凝土和钢环的环向应力,见图3。

由图3可知,温降条件下,混凝土环的环向拉应力随钢环厚度的增加有增加趋势,钢环厚度为12 mm时混凝土环产生的环向拉应力为6 mm的1.46倍;混凝土环的环向拉应力随钢环厚度的增加有降低趋势,钢环厚度为12 mm时钢环产生的环向拉应力为6 mm的0.72倍。随钢环厚度的增加,混凝土环所受约束度越高,钢环自身产生应变的敏感性越低。

3)温降幅度对混凝土环和钢环环向应力的影响。

采用不同温降幅度(20 ℃,30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃)计算混凝土和钢环的环向应力,见图4。

由图4可知,混凝土环、钢环的环向拉应力与温降幅度成正相关,温降幅度越大,钢环、混凝土环的环向应力越大,混凝土环拉应力随温降幅度的增加迅速增加,温降60 ℃混凝土最大环向拉应力是温降20 ℃的3倍。

4)混凝土早期弹性模量对混凝土环和钢环环向应力的影响。

采用不同的混凝土环弹性模量Ec(1×104MPa,2×104MPa,3×104MPa,4×104MPa)分别计算混凝土和钢环的环向应力,见图5。

由图5可知,温降条件下,混凝土环环向应力随混凝土早期弹性模量的增加呈逐渐增加趋势,混凝土早期弹性模量4×104MPa时混凝土环最大环向拉应力是1×104MPa的约1.97倍。

根据不同影响因素对混凝土环的约束程度的数值计算可以看到,钢环线膨胀系数、温降幅度对混凝土约束度影响显著;钢环厚度、混凝土早期弹性模量对混凝土约束程度有一定程度的影响;钢环厚度的增加对钢环的应变灵敏度有不良影响。

3 约束圆环装置试验验证

3.1 试验设计

3.1.1 装置设计

1)根据理论与数值计算结果,选用低线膨胀系数铟钢钢环(0.254×10-6/℃,0 ℃～80 ℃),弹性模量142 GPa、钢环尺寸φ305 mm×δ6 mm×100 mm、厚度6 mm,提高其对混凝土环约束程度的同时,保证钢环应变检测的灵敏度。

2)设计可编程控制养护箱,引入温度应力,增加混凝土环的开裂敏感性、缩短试验周期、提高试验成功率。

3)采用DH3816N型静态应变仪器,BE120-40A型应变片(电阻120 Ω,-30 ℃～80 ℃)。

3.1.2 方法设计

1)应变片校准:在钢环内侧粘贴应变片,采用不同温度分别进行应变校准。2)试件成型:将混凝土拌和物装入试模,振捣抹平,预埋热电偶温度计,一组三块,同时成型标准抗压试件,用以同条件样品强度的测定。3)试件养护:养护箱初始温度60 ℃,湿度为95%,带模养护至拆模强度(5 MPa),继续养护至试验所需强度。4)温降试验:保持湿度不变,以15 ℃/h的速率降温,记录钢环应变及混凝土内部温度(5 min/次),至钢环应变发生突变时停止。5)数据处理:取出试件,观察裂缝情况,记录开裂温差及最大应变。

3.1.3 原材料及配合比设计

1)原材料。

水泥:P.Ⅱ52.5;硅灰:SiO2质量分数94.6%,比表面积19 m2/g;外加剂:聚羧酸减水剂,固含量25%。

2)配合比设计。

试验采用的配合比见表1。

表1 混凝土配合比 kg

3)试验设计。

按表1配合比拌和混凝土,采用3.1.2试验方法,分别养护至5 MPa，15 MPa，25 MPa,评价不同抗压强度时混凝土抗裂性。

3.2 结果分析

混凝土试件开裂破坏形态见图6,混凝土开裂试验结果见表2。

表2 混凝土开裂试验结果汇总表

由图6可知,混凝土环在温降条件下均出现贯穿性裂缝,裂纹细小,增加了开裂的敏感性。由表2可知,混凝土环的开裂温差随抗压强度的提高有降低趋势,钢环峰值应变有增高趋势,5.8 MPa的混凝土开裂温差较15.7 MPa和25.3 MPa分别提高了15.7%，24.0%。由于混凝土早期强度和弹性模量较低,塑性变形能力强,混凝土抗裂性较后期好。

4 结论

1)钢环线膨胀系数对钢环、混凝土环环向应力的影响的解析解与数值分析结果相近、趋势一致,验证了温度应力条件下理论分析的准确性。

2)钢环线膨胀系数、温降幅度对混凝土约束度影响显著;钢环厚度、混凝土早期弹性模量对混凝土约束程度有一定程度的影响。

3)综合利用铟钢钢环、可编程温控养护箱及应变采集装置,提供了一种混凝土抗裂的新型试验装置,可有效提高混凝土环的约束程度,增加其开裂敏感性。

4)利用新型试验装置进行不同强度下混凝土的抗裂性评价试验,混凝土环均出现贯穿性裂缝,混凝土环的开裂温差随抗压强度的提高有降低趋势,5.8 MPa的混凝土开裂温差较15.7 MPa和25.3 MPa分别提高了15.7%，24.0%,验证了试验装置的有效性,为混凝土温降条件下抗裂性评价提供了一种有效方法。