基于溫度-應(yīng)力試驗機(jī)的大壩混凝土抗裂性綜合評價

蔡躍波 丁建彤 陳 波 石南南 董 波

(南京水利科學(xué)研究院,南京 210029)

大型水利工程的混凝土開裂問題是涉及結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的關(guān)鍵問題.大壩混凝土普遍采用以混凝土極限拉伸值和絕熱溫升等單項性能作為抗裂評價指標(biāo)的弊端已為人們所認(rèn)識[1].而目前應(yīng)用最多的綜合性抗裂評價方法——圓環(huán)法與平板法[2]并不適用于大壩混凝土的抗裂性評價.平板法適用于模擬暴露面積很大的薄壁結(jié)構(gòu)塑性收縮和干縮對開裂的影響;圓環(huán)法適用于評價早期干縮和自生收縮的影響.2種試驗方法均存在以下不足：無法模擬實際工程中混凝土的溫度發(fā)展歷程、約束程度單一及應(yīng)力的發(fā)展過程不可監(jiān)測;受試件尺寸限制,無法進(jìn)行大骨料混凝土的試驗;試驗數(shù)據(jù)離散性大.因此,需要一種能客觀評價大壩混凝土抗裂的試驗方法.

基于溫度-應(yīng)力試驗機(jī)(TSTM)的大壩混凝土抗裂性研究最早于 1983—1985年在奧地利的 Zill-ergrundl壩得到應(yīng)用[3-5].但大壩混凝土膠凝材料較少,骨料粒徑在 5～120(150)mm之間,混凝土流動性較差,在試驗機(jī)的模板中振搗密實比較困難,而且混凝土本身的應(yīng)力、變形絕對變化量比高強(qiáng)高性能混凝土低,因此對試驗機(jī)的測控能力及機(jī)械加工的精度要求更高.隨著高效減水劑的發(fā)展,測控技術(shù)以及機(jī)械加工精度的提高,目前利用溫度-應(yīng)力試驗機(jī)評價大壩混凝土的抗裂性的技術(shù)已相對成熟.

本文利用 TSTM,以 2種骨料組合的大壩常態(tài)混凝土為例,進(jìn)行了綜合抗裂性評價.

1 TSTM試驗方法

TSTM結(jié)構(gòu)原理示意如圖 1所示.試驗系統(tǒng)采用計算機(jī)閉環(huán)控制,配有約束試件與自由試件.自由試件不受約束,在與約束試件溫度歷程保持完全相同的情況下自由變形.約束試件有 2個楔形夾頭,一個固定在基架上,另外一個為活動夾頭.活動夾頭與荷載傳感器連接在步進(jìn)電機(jī)的減速箱上,試件累計變形達(dá)到預(yù)先設(shè)定閾值(如 1μm)時,步進(jìn)電機(jī)對試件進(jìn)行拉/壓動作,使其始終保持在原點,從而實現(xiàn)近似 100%的約束程度.溫控模板通過循環(huán)介質(zhì)可以對試件進(jìn)行加熱或冷卻,使試件處于不同的溫度狀態(tài).試件兩側(cè)平行設(shè)置 2個位移傳感器(非接觸式激光位移傳感器或 LVDT,精度為0.1μm).控制系統(tǒng)通過溫度傳感器、荷載傳感器和位移傳感器自動記錄試件的溫度、應(yīng)力和變形.

圖1 閉環(huán)計算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖[6]

圖 2為本文試驗所采用的 TSTM實物照片.

圖2 TSTM實物圖

2 試驗原材料與配合比

試驗采用的原材料為峨嵋 P?MH 42.5中熱水泥和曲靖Ⅰ級粉煤灰.外加劑為 ZB-1A型高效減水劑和 M icro-Air 202型引氣劑.細(xì)骨料為人工砂巖砂和人工大理巖砂(見表 1).粗骨料為人工砂巖碎石(見表 2).針片狀含量 3.6%,壓碎指標(biāo)6.3%.試驗用配合比見表 3,為使 2組混凝土坍落度控制在 3～5 cm,微調(diào)了砂率及外加劑的摻量.

表1 細(xì)骨料的主要性能

表2 粗骨料的表觀密度及飽和面干吸水率

表3 混凝土配合比 kg/m3

3 TSTM試驗結(jié)果分析

試件截面為 150mm×150mm,試件有效長度為 1.5m.溫度傳感器精度 0.1℃,位移傳感器精度 0.1μm.試驗時,將新拌混凝土粒徑大于 40mm的骨料篩除,然后直接澆筑在試驗機(jī)的模板中,振搗密實,埋置測溫銅管后,在試件表面覆蓋一層塑料薄膜,然后加蓋保溫模板,安裝位移傳感器.試件與外界無水分交換,故無干燥收縮發(fā)生,試件的變形僅包括自生體積變形和溫度變形.試驗過程中,保持室溫在(20±2)℃,減小溫度對機(jī)械變形的影響.試件處在半絕熱狀態(tài)下自由升溫,混凝土試件與循環(huán)介質(zhì)的溫差控制在 ±0.5℃以內(nèi),達(dá)到最高溫度后保溫 48 h,然后以 1～5℃/h的速率對循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制降溫,直至試件斷裂.SD/SS的約束試件的溫度及應(yīng)力發(fā)展歷程如圖 3和圖 4所示,自由試件的變形如圖 5所示.

圖3 SD/SS溫度發(fā)展歷程

圖4 SD/SS應(yīng)力發(fā)展歷程

SD/SS的溫度-應(yīng)力試驗參數(shù)見表 4.兩者最高溫升、開裂時間基本相同.SD的最大壓應(yīng)力、開裂應(yīng)力大于SS,而自由試件的最大變形比SS低(超過了 20%).在所有參數(shù)中,兩者的開裂溫度差別最大,其差值達(dá) 37.5℃.

圖5 SD/SS自由試件變形發(fā)展歷程

由于 2個配合比的膠凝材料用量和水膠比相同,因此,兩者的最高溫度相差不大.但是,比較兩者的熱學(xué)性能參數(shù)(見表 5)可知,SD的比熱容大,導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)小,因此 SD的溫度值較 SS低 0.7℃,這是由骨料熱學(xué)性能差異引起的.文獻(xiàn)[7]采用相同料源的骨料進(jìn)行組合試驗,結(jié)果表明,當(dāng)采用大理巖砂代替砂巖砂時,混凝土絕熱溫度可降低 0.6℃.因此,TSTM試驗?zāi)軌蜢`敏地比較出骨料品種對混凝土熱學(xué)性能的影響.

表4 SD/SS關(guān)鍵參數(shù)對比

表5 混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

為了保證 2組試件的成熟度基本一致,對 SD在 125 h齡期后將降溫速率增大到 2.5～5.0℃/h.如果保持 1℃/h的降溫速率,SD的開裂時間將會有所延長;同時,快速降溫減小了 SD的拉應(yīng)力松弛程度.

由于骨料本身的熱膨脹系數(shù)和表面粗糙度不同,混凝土的線膨脹系數(shù)有明顯差異.通過對自由試件的變形與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合(見圖6),得出線膨脹系數(shù)分別為：SD升溫段 α=10.0×10-6/℃,SD降溫段 α=8.5×10-6/℃,SS升溫段α=12.2×10-6/℃,SS降溫段 α=9.9×10-6/℃.總體上,SD的線膨脹系數(shù)比 SS的小,這與熱膨脹系數(shù)測試的結(jié)果(見表 5)類似.從抗裂性的角度,低熱膨脹系數(shù)有利于減小溫度變形,于抗裂有利.大量研究結(jié)果表明,早齡期混凝土的熱膨脹系數(shù)從20×10-6/℃左右急劇降低到 10×10-6/℃左右[8],而且混凝土自生體積變形也是在早期發(fā)展最快[9].TSTM試驗綜合反映了混凝土升溫期和降溫期線膨脹系數(shù)的差異.在大壩混凝土內(nèi)部,溫度變形和自生體積變形同步發(fā)生,因此,線膨脹系數(shù)比采用標(biāo)準(zhǔn)方法測試的熱膨脹系數(shù)及自生體積變形更有利于指導(dǎo)大壩混凝土溫度應(yīng)力的計算分析.

圖6 自由試件變形與溫度關(guān)系曲線

4 TSTM試驗抗裂性評價指標(biāo)

文獻(xiàn)[3]利用 TSTM試驗研究了 7種不同水泥對混凝土抗裂性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),混凝土的最高溫度并不能表征混凝土的抗裂能力(見圖 7).以B水泥配制的混凝土為例,按照最高溫度來排序,該混凝土最高溫度 44℃,僅比最高的A低1℃,排在第 2位;按照開裂溫度來排序,該混凝土開裂溫度 3.5℃是最低的.

圖7 混凝土最高溫度與開裂溫度比較[3]

混凝土最大預(yù)壓應(yīng)力也不宜作為抗裂性評價的指標(biāo).混凝土在達(dá)到溫峰之前,壓應(yīng)力就開始松弛,不同混凝土在恒溫階段的松弛程度差別較大.文獻(xiàn)[3]研究 7個配比混凝土的預(yù)壓應(yīng)力,其松弛程度在 0.11～0.50之間;文獻(xiàn)[4]研究 4個配比混凝土的預(yù)壓應(yīng)力,其松弛程度在 0.20～0.40之間.

用開裂應(yīng)力來判斷混凝土的抗裂能力也有其不合理性.不同混凝土在開裂時的抗拉強(qiáng)度是不同的,利用開裂應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值要更合理[10].但是,必須提供與 TSTM試件同樣溫度歷程下混凝土的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果.

就TSTM試驗本身而言,采用開裂溫度來評價混凝土抗裂性是合理的[11].開裂溫度綜合反映了混凝土的水化熱溫升、升溫階段壓應(yīng)力、降溫階段拉應(yīng)力、應(yīng)力松弛、彈性模量、抗拉應(yīng)變?nèi)菰S值、抗拉強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)、自生體積變形等因素的交互影響.采用開裂溫度作為抗裂性評價指標(biāo)[3,12-13],混凝土的工程實際表現(xiàn)與試驗結(jié)論的一致性很好.

5 開裂溫度與單項性能評價結(jié)果對比

由表 6可知,SD的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均高于 SS;從圖 8的收縮測試結(jié)果可知,SD的干燥收縮明顯低于 SS.劈裂抗拉強(qiáng)度及干燥收縮值通常作為評價混凝土抗裂性最直接的單項性能,從測試結(jié)果分析,SD的抗裂性優(yōu)于 SS.骨料本身彈性模量的大小對混凝土的力學(xué)性能有明顯影響.文獻(xiàn)[7]得出了砂巖-大理巖骨料組合的混凝土抗裂性高于全砂巖組合的結(jié)論.這與以開裂溫度作為判據(jù)得出的評價結(jié)果是一致的.

表6 SD/SS抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

圖8 SD/SS干燥收縮值

6 結(jié)論

1)不同骨料的彈性模量與熱膨脹系數(shù)的差別對混凝土的抗裂性有明顯的影響.

2)TSTM試驗測得的綜合線膨脹系數(shù)比采用標(biāo)準(zhǔn)方法測試的熱膨脹系數(shù)及自生體積變形更有利于指導(dǎo)大壩混凝土溫度應(yīng)力的計算分析.

3)對 TSTM試驗而言,開裂溫度能夠作為綜合評價混凝土抗裂性的指標(biāo).

4)TSTM試驗涵蓋了早齡期混凝土的力學(xué)、熱學(xué)及變形性能發(fā)展的過程,相對于單項性能指標(biāo)而言,更能夠客觀地綜合評價大壩混凝土的抗裂性.

5)TSTM法縮短了評價周期,適用于混凝土配合比設(shè)計和優(yōu)化及抗裂性評價.

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