自密實混凝土受拉徐變比試驗研究

自密實混凝土受拉徐變比試驗研究

自致密混凝土具有高流動性，僅依靠自身的重量，可交替、流平且充滿模型的新型混凝土。近年來，該項目已在許多應用[1.4]。徐變是混凝土在長期荷載作用下變形逐漸增加的力學行為,對混凝土結構的工作狀態(tài)和長期使用具有重要影響,由于自密實混凝土材料配合比方面的特性,其徐變性能引起工程界的廣泛關注,但目前國內外大部分徐變研究主要針對混凝土壓縮狀態(tài)下的徐變變形,混凝土在拉伸狀態(tài)下的徐變,特別是自密實混凝土的拉伸徐變性能研究鮮見報道。筆者在對自密實混凝土的壓縮徐變進行了大量的試驗工作的基礎上,開展梁式徐變試驗,在同一試件上同時測量拉伸與壓縮徐變并進行比較,對自密實混凝土拉伸與壓縮徐變的區(qū)別進行初步分析。1普及普及困難由于混凝土拉伸強度低,脆性較大,其拉伸徐變試驗除需要提供穩(wěn)定的拉伸荷載外還必須保證變形測量儀器的高精度,因此拉伸徐變試驗的普及存在一定困難。根據國內外提出的混凝土受拉徐變試驗研究方法以及現有的試驗條件和試驗環(huán)境,本文設計了梁式徐變試驗,對自密實混凝土梁進行持續(xù)加載,進行三分點彎曲試驗,在控制環(huán)境條件的前提下,對受壓區(qū)和受拉區(qū)進行持續(xù)性應變測量,通過對比分析研究拉伸徐變與壓縮徐變之間的數量關系及其規(guī)律,該方法能夠直接在單一試件上實現拉壓徐變同時同條件發(fā)生,避免不同試件差異造成的影響。1.1配合比及配合比參數試驗混凝土制備采用42.5R普通硅酸鹽水泥、細度模數2.7的天然中砂、粒徑5mm~20mm的連續(xù)級配花崗巖碎石、Ⅰ級粉煤灰以及萘系高效減水劑,各試件成型后,用濕布覆蓋靜置24h后移至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護,骨料級配如圖1所示。試驗共選用5種自密實混凝土配合比,各組配合比在拌制現場進行工作性能測試,所得數據均能滿足相關規(guī)程中自密實混凝土工作性能要求,其具體配合比數據及工作性見表1。配合比SC1按照不同養(yǎng)護齡期7d、14d和28d配制3組試件用于對比不同養(yǎng)護齡期對拉伸和壓縮徐變的影響,其他4種配合比每種各配制一組試件。5個配合比中SC1、SC2和SC3的水膠比分別為0.33、0.28和0.30;而SC3、SC4和SC5的粉煤灰摻量各不相同,分別為膠凝材料總量的20%、40%和50%。每組試件包括2個開放加載試件和2個密封加載試件,同時每組制作相關試件進行力學性能試驗,各組試件力學性能見表2。1.2混凝土加載試驗試驗采用尺寸為100mm×100mm×700mm的棱柱型試件,混凝土梁加載跨度為600mm。試件在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期,在正式加載前,對密封加載試件表面采用環(huán)氧樹脂和鋁箔進行雙層密封處理,并采用100mm×100mm×700mm的棱柱型試件在伺服試驗機上進行破壞試驗以獲得混凝土的極限承載力數據。將徐變試驗試件移至加載試驗室,在規(guī)定位置進行應變計粘貼后準備施加荷載,加載采用兩套設備同時進行,每批兩個試件同時加載,施加荷載為混凝土梁在加載時刻所能承受的極限荷載的30%。加載試驗裝置見圖2。采用經過稱重的鋼制模具和混凝土塊體作為堆載放置在鋼制墊板上,荷載在3min內施加完畢,荷載施加后待應變數據穩(wěn)定后開始讀數,因此采集的數據同樣不包括瞬時彈性變形。在徐變測量的同時對混凝土的同期收縮進行量測,每組試件配制對比收縮試件按照標準試驗程序進行收縮試驗,將受荷總變形扣除收縮和彈性變形后即可得到混凝土梁的彎曲徐變變形和受拉區(qū)和受壓區(qū)的徐變應變值。2試驗結果及分析2.1試驗數據處理采用梁式徐變試驗直接獲得的試驗數據為混凝土梁頂和梁底的應變,雖然可以直接對受壓區(qū)和受拉區(qū)的徐變應變進行對比,但是由于梁頂和梁底的受力為彎矩引起的非直接受力,因此換算成徐變度時首先需要作適當的假定?；炷亮河嬎闶疽鈭D如圖3所示,混凝土梁處于彈性狀態(tài),根據以下合理假定對試驗數據進行處理。1)平截面假定:假定在荷載作用下,截面上的彈性應變保持為直線分布,同時根據線性徐變假定,徐變變形與應力成正比,因此荷載引起的徐變應變同樣按照截面高度成線性分布,彈性應變和徐變應變疊加后截面應變分布仍符合平截面假定;2)中和軸假定:假定梁截面中和軸始終處于梁截面高度的中點位置,受壓區(qū)和受拉區(qū)高度相等;3)假定混凝土受拉彈性模量和受壓彈性模量相等,梁受拉區(qū)與受壓區(qū)最大應力相等;4)假定素混凝土梁在受彎曲荷載作用下梁體內各處干燥或自生收縮值均勻發(fā)生,即梁頂和梁底混凝土等量收縮?；谝陨霞俣?可以計算自密實混凝土梁跨中截面的最大拉應力和最大壓應力:式中:σc和σt分別為梁試件中最大拉應力和最大壓應力;M為梁跨中彎矩;W為梁截面抵抗矩。2.2拉伸徐變參數對拉壓徐變的影響試驗過程中每間隔一段時間采集一次梁應變數據,剔除因混凝土內部初始缺陷和應變計粘貼面凹凸不平等現象造成的數據漂移,將應變累加為徐變變形,考慮收縮變形,將所測得應變減去收縮應變分別除以梁頂和梁底拉伸和受壓應力得到徐變度數據,如式(2)、式(3)所示。式中:Cc(t)、Ct(t)分別為壓、拉徐變度;uf065u(t)、uf065d(t)分別為梁頂和梁底測得受荷應變;uf065s(t)為對比試件測得相應收縮;以正值表示受壓徐變度,負值表示受拉徐變度,試驗所得自密實混凝土拉壓徐變度-時間的發(fā)展曲線如圖4所示,無論開放或密封狀態(tài),拉伸和壓縮徐變度發(fā)展趨勢基本相同,在加載后早期發(fā)展較快,后期趨于緩慢,從數值上看,在持荷的大部分時間內試件自密實混凝土拉伸徐變略小于壓縮徐變。從影響因素變化對徐變影響的趨勢上看,養(yǎng)護齡期、水膠比和粉煤灰摻量對非密封和密封狀態(tài)的壓縮和拉伸徐變的影響規(guī)律大致相同。對比單軸壓縮徐變試驗結果,在梁式長期試驗結果中,水膠比和粉煤灰摻量對徐變的影響程度并沒有單軸壓縮徐變試驗結果那么明顯,本文認為這體現了梁式間接徐變數據受到的不可測因素影響。將自密實混凝土各個齡期的拉伸徐變度及與其對應的壓縮徐變度繪制成坐標系的形式,如圖5所示。圖5中以壓縮徐變度為橫坐標,對應的拉伸徐變度為縱坐標,對于一組試件試驗結果各點可擬合得到一條直線,直線斜率即為拉伸徐變度與壓縮徐變度的比值平均值。將擬合所得的各條直線斜率列于表3,如表3所示,養(yǎng)護齡期從7d增加到28d,開放和密封拉壓徐變比分別從0.848和0.88減小到0.817和0.825,說明延長養(yǎng)護時間拉壓徐變度比值略有降低;而水膠比減小,拉壓徐變度比值有所增加,水膠比從0.33減小到0.28,開放狀態(tài)的拉壓徐變比從0.817增加到0.931,密封狀態(tài)下拉壓徐變比從0.825增加到0.969;粉煤灰摻量從20%增加到50%,開放狀態(tài)拉壓徐變比有所減低,從0.89減小到0.723,而密封狀態(tài)下則略微升高,從0.923升高至1.02。從試驗結果來看,大部分情況下拉伸徐變略小于壓縮徐變。本文認為由于隨著水泥凝膠體的不斷發(fā)展,混凝土內部存在不斷變化的大小孔隙和顆粒,內部不同相之間界面接觸面積可達500m2/cm3,自密實混凝土自成型開始,其內部的大小孔隙內被液態(tài)或氣態(tài)水分所填充,隨著干燥作用和水化的進行,內部水分減少,導致毛細孔壓力變化,從而使吸附作用成為混凝土微結構主要狀態(tài),毛細孔中的水產生微預應力而處于受拉狀態(tài)。在受壓作用下,混凝土內部受外加壓應力的作用下,對混凝土的擠壓作用與微預應力疊加使部分體積收縮的趨勢更加明顯。在受拉應力作用下,則由于部分微預拉力得到部分抵消。因此混凝土受拉徐變要稍小于受壓徐變。3拉壓徐變比的計算根據試驗結果,試件拉壓徐變比隨自密實混凝土養(yǎng)護齡期、水膠比和粉煤灰摻量變化的規(guī)律如圖6所示。針對不同配合比參數,通過對試驗結果的擬合,參考混凝土受壓徐變預測模型連乘的公式形式,將自密實混凝土平均拉壓比值k寫成養(yǎng)護齡期、水膠比和粉煤灰摻量的修正函數:式中,b為常系數,根據本文試驗結果,本文取養(yǎng)護28d、水膠比0.33和粉煤灰摻量0.2為標準狀態(tài),取標準狀態(tài)總徐變和基本徐變拉壓比為b值;k1為表征加載時養(yǎng)護齡期的修正系數,k1=a1exp(-t′/b1),t′為加載時自密實混凝土養(yǎng)護齡期,a1和b1分別為由試驗擬合而得的參數。k2為水膠比影響的修正系數,k2(28)a2×(W/B)-b2,W/B為水膠比,a2和b2為擬合系數。k3為與粉煤灰摻量有關的修正系數,k2(28)a3(10)b3F(10)c3F2,式中F為粉煤灰摻量,以小數表示,如20%寫成0.2,a3、b3和c3分別為由試驗獲得的待定參數。各系數根據試驗結果擬合而得,結果見表4,通過式(4)即可得到拉壓徐變比的估算值,在工程應用中可為自密實混凝土拉伸徐變的估算提供一定的參考。將試驗配合比參數代入式(4),計算結果及計算精度見表5,從計算結果可以看到,計算殘差百分比大部分低于1%,且最大值都不超過5%,計算精度滿足要求。4混凝土內部微預應力作用(1)采用梁式構件同時對受拉區(qū)和受壓區(qū)進行應變測量,可以在同一試件上獲得拉伸和壓縮徐變數據,進行有效的拉伸和壓縮徐變發(fā)展對比。研究表明,除早期測量結果不太穩(wěn)定外,在持荷過程中拉伸徐變都略小于壓縮徐變,本文認為這是由于混凝土內部水分損失導致的微預應力作用引起的。(2)拉壓徐變比隨著養(yǎng)護齡期增加而略微減小,養(yǎng)護齡期從7d增加到28d,開放和密封拉壓徐變比略分別從0.848和0.88減小到0.814和0.825;拉壓徐變度比值隨水膠比降低有所增加,水