溫度升高20～50 ℃對混凝土彈性模量的影響探究

荊 銳，亢景付，蔣元成

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院/濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津 300072;2.四川省建筑設(shè)計(jì)研究院,成都 610000)

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溫度升高20～50 ℃對混凝土彈性模量的影響探究

荊 銳1，亢景付1，蔣元成2

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院/濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津 300072;2.四川省建筑設(shè)計(jì)研究院,成都 610000)

彈性模量是混凝土的重要力學(xué)指標(biāo)，是混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中的關(guān)鍵參數(shù)，不同溫度下混凝土彈性模量如何變化一直是人們比較關(guān)心的問題。本文采用一種加熱保溫裝置，給混凝土試件施加均勻溫度場，在不同溫度下給試件施加壓力；用壓力傳感器測量試件承受壓力，應(yīng)變計(jì)測量試件變形，根據(jù)不同溫度下的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算了試件的彈性模量，分析了不同溫度下混凝土彈性模量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫下當(dāng)溫度升高為20～50 ℃時(shí)，混凝土彈性模量隨溫度變化不明顯，可以近似按常數(shù)處理。

混凝土結(jié)構(gòu)； 彈性模量； 溫度變化； 試驗(yàn)測定

1 引 言

混凝土的彈性模量是研究該材料性能的重要力學(xué)指標(biāo)，它表明了受外力作用時(shí)的混凝土材料內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系；它更是混凝土結(jié)構(gòu)溫度變形計(jì)算和限裂設(shè)計(jì)計(jì)算中不可或缺的因素之一。

混凝土在現(xiàn)代建設(shè)中占有十分重要的地位，在混凝土結(jié)構(gòu)的使用過程中由于溫度變化往往出現(xiàn)較大溫度應(yīng)力。在常溫下，一般混凝土溫度應(yīng)力的計(jì)算公式中，都不考慮溫度變化對混凝土彈性模量的影響[1-4]；高溫下(100 ℃以上)[5]，混凝土的彈性模量將隨溫度升高而減小。當(dāng)常溫內(nèi)溫度變化時(shí)，并沒有相關(guān)的試驗(yàn)研究能夠直接證明混凝土彈性模量隨著溫度的變化保持不變。為了能夠直接觀察混凝土試件在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，本文通過混凝土應(yīng)變計(jì)來測量試件的變形，壓力傳感器來感知試件溫度升高后的應(yīng)力變化，探索混凝土在常溫范圍內(nèi)升高幅度為20 ℃至50 ℃時(shí)，彈性模量隨溫度的變化規(guī)律。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及材料

(1)試驗(yàn)器材：混凝土應(yīng)變計(jì)、千分表、壓力傳感器、溫度傳感器、PVC套筒、電熱帶(天津鵬志電熱帶制造有限公司生產(chǎn))、壓力試驗(yàn)機(jī)。

(2)混凝土配合比見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)混凝土配合比

其中，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，普通河沙，Dmax為30mm的石灰?guī)r石子。試件尺寸：φ105×370，試件數(shù)量：3個(gè)。

2.2 試件制作與加載方法

圖1是試件的內(nèi)部剖面圖。試件的制作方法如下：

圖1 試件構(gòu)成示意圖Fig.1 The constitution of specimens

(1)以內(nèi)徑為105mm、高度為400mm的PVC厚壁管作為試件內(nèi)混凝土圓柱體的模具，在混凝土澆筑前，將應(yīng)變計(jì)和熱電偶各1支并列排放在模具中心處并保證兩支儀器位置不變；

(2)在混凝土澆筑后的第8天，用混凝土切割機(jī)將已成型的混凝土試件兩端各切去15mm以保證混凝土試件兩端相互平行且光滑不粗糙，然后拆模并養(yǎng)護(hù)；

(3)在混凝土試件28d養(yǎng)護(hù)后，為保持混凝土試件內(nèi)濕度不變，對其進(jìn)行密封：在混凝土試件的圓柱面用電熱帶緊密纏繞后再用塑料薄膜進(jìn)行包裹，隨后將其放置在內(nèi)徑為200mm的PVC套筒的中央，最后用聚氨酯泡沫填縫劑將混凝土試件與PVC套筒間的縫隙填滿。

此種溫度荷載施加方法的優(yōu)點(diǎn)是試件與加熱保溫裝置形成一體且體積小，可以放在普通壓力機(jī)或伺服式試驗(yàn)機(jī)的上下承壓板之間進(jìn)行溫度變形的研究和測定，也可采用壓力傳感器測量試件的受壓應(yīng)力，而采用水浴或油浴加熱方法卻無法做到。

在試驗(yàn)過程中施加溫度荷載時(shí)，如何保證試件溫度的均勻性和穩(wěn)定性是確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。接通220V電源后，電熱帶給混凝土試件加熱，試件的溫度是沿半徑方向不斷變化的，且熱量是由外側(cè)傳遞至中心處；接電升溫后，試件外側(cè)邊緣的溫度最高，試件中心位置的溫度最低，斷電后試件內(nèi)部溫度自行調(diào)整并逐漸達(dá)到均勻狀態(tài)。經(jīng)多次測定，試件內(nèi)部溫度達(dá)到均勻穩(wěn)定分布時(shí)所需的調(diào)整時(shí)間為8～10min[6]。

2.3 應(yīng)變計(jì)的工作原理

試驗(yàn)所用應(yīng)變計(jì)是振弦式應(yīng)變計(jì)，通過其鋼弦的振動頻率與拉力的變化關(guān)系來測量應(yīng)變計(jì)所在處的應(yīng)變。在應(yīng)變計(jì)預(yù)埋在混凝土試件后，應(yīng)變計(jì)與混凝土成為一個(gè)整體，二者變形一致，通過應(yīng)變計(jì)的頻率可以計(jì)算出混凝土應(yīng)變[7]。由振弦式應(yīng)變計(jì)頻率變化計(jì)算混凝土應(yīng)變的公式為：

ε1=K(f02-fi2)

(1)

其中，K為靈敏度系數(shù)，f0為初始頻率，fi為受力后的頻率。在有溫度變化時(shí)，由于溫度對應(yīng)變計(jì)的影響，應(yīng)變計(jì)的頻率讀數(shù)不能直接用于計(jì)算應(yīng)變，需要對頻率進(jìn)行修正。本次試驗(yàn)所用應(yīng)變計(jì)的計(jì)算公式如下：

1#L1i=3.1624×10-4×(f02-fi2-805)

(2)

2#L2i=3.5080×10-4×(f02-fi2+217)

(3)

3#L3i=3.3153×10-4×(f02-fi2+87)

(4)

其中：

Li-對應(yīng)fi的應(yīng)變量(με);

f0-初始頻率；

fi-溫度漂移后的實(shí)測頻率，fi=fi'+k(Ti+T0);

k-溫度漂移修正系數(shù)，1#、2#、3#應(yīng)變計(jì)k的取值分別為：0.23、0.20、0.22；

fi'-i時(shí)刻的實(shí)測頻率；

Ti-i時(shí)刻傳感器環(huán)境溫度。

2.4 常溫下試件彈性模量的測定

混凝土彈性模量的測定，相關(guān)規(guī)范上有比較詳細(xì)的規(guī)定[8]，由于試件和保溫裝置一體，無法安裝變形測量固定架，因此規(guī)范中的彈性模量測定方法已經(jīng)不適用了。本試驗(yàn)通過預(yù)埋的混凝土應(yīng)變計(jì)來測量試件的應(yīng)變，壓力傳感器測量應(yīng)力，試件的變形和壓應(yīng)力可以直接得到，以此得到混凝土試件的靜力彈性模量。

測量試件彈性模量的步驟為：第1步，實(shí)驗(yàn)前對試件進(jìn)行十多次的預(yù)壓，直到應(yīng)變計(jì)的初始頻率大致相等。第2步，以每秒0.3MPa的加載速度加載，待荷載加到10kN時(shí)，保持荷載不變60s，記錄應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)；第3步，繼續(xù)加載，按照步驟2的加載方式，每加載10kN記錄應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)，直到荷載加到60kN；最后卸載，試驗(yàn)結(jié)束，測定5次。

2.5 不同溫度下混凝土試件的彈性模量

為了探索混凝土彈性模量隨溫度變化規(guī)律，試驗(yàn)過程中通過通電時(shí)間的長短來控制升溫幅度，由于保溫裝置的存在，試件的能夠保持溫度穩(wěn)定較長的時(shí)間，使試件的溫度從T0升高到Ti(i=1，2，…，15)， 為試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度，Ti為通電結(jié)束后試件溫度分布均勻后的中心溫度。 在Ti溫度下，給試件施加壓力，根據(jù)實(shí)測的應(yīng)力和應(yīng)變，計(jì)算得到了該溫度下試件的彈性模量。需要說明的是，由于三個(gè)試件采用了相同的處理方式且通電時(shí)間相同，所以取三個(gè)試件溫度平均值為代表值。分別計(jì)算每個(gè)試件在該溫度下的彈性模量。

試驗(yàn)步驟為：第1步，通電給試件加熱，根據(jù)需要控制加熱時(shí)間，停止通電后待試件中心溫度傳感器讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，記錄溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)讀數(shù)；第2步：對試件施加壓力，記錄壓力傳感器和應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束。待試件溫度降低至室溫時(shí)再進(jìn)行下次試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行了15次不同溫度下的測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 常溫下混凝土的靜力彈性模量

本試驗(yàn)混凝土彈性模量是指3個(gè)試件的彈性模量的平均值。一次試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)如表2，表2中應(yīng)變是通過公式(2)(3)(4)計(jì)算得到平均值，將5次測定的平均值作為該試件的彈性模量。其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，其中，5次試驗(yàn)中，混凝土彈性模量最大值為3.14×104MPa，最小值為2.93×104MPa。對5次試驗(yàn)結(jié)果線性回歸得到，此試件混凝土彈性模量的平均值為3.05×104MPa。

表2 常溫下混凝土彈性模量的測定數(shù)據(jù)

圖2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.2 The stress-strain relationship

圖3 不同溫度下的彈性模量 Fig.3 The concrete elastic modulus at different temperatures

3.2 不同溫度下混凝土彈性模量

根據(jù)應(yīng)變計(jì)測得的應(yīng)變和壓力傳感器所測得的應(yīng)力，計(jì)算了混凝土試件在 時(shí)的彈性模量，總共得到了15組不同溫度下的彈性模量值，如圖3所示。

圖3中，橫軸表示溫度升高，ΔTi=Ti-T0。從圖中可以看出，在各個(gè)溫度下的實(shí)測彈性模量變化范圍為2.86×104MPa至3.20×104MPa之間，與室溫下測得的彈性模量變化范圍2.93×104MPa至3.14×104MPa吻合較好。

圖4 應(yīng)力的實(shí)測值與理論值的關(guān)系 Fig.4 The relationship between calculated and measured value

為了更加直觀的得到溫度變化是否對混凝土彈性模量有影響。按Ti溫度下應(yīng)變計(jì)測得的應(yīng)變和 溫度下的彈性模量計(jì)算各個(gè)溫度下的試件的應(yīng)力，并與實(shí)測應(yīng)力相對比，應(yīng)力的理論計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系如圖4。從圖中數(shù)據(jù)規(guī)律可以看出，應(yīng)力實(shí)測值與理論值線性關(guān)系良好，二者比例系數(shù)為1，表明在溫度升高20～50 ℃時(shí)，混凝土的彈性模量與T0時(shí)幾乎相等，溫度對混凝土彈性模量的影響可以忽略不計(jì)。

3.3 機(jī)理分析

混凝土是非勻質(zhì)的多空多相復(fù)合材料，由粗骨料、細(xì)骨料、水泥石、水、空氣等組成，其彈性模量與其材料組成密切相關(guān)；各組成材料所占體積分?jǐn)?shù)不同，其彈性模量就不同[9]。對于一個(gè)已成形的混凝土試件，其材料組成已定，不考慮其它外界條件影響時(shí)其彈性模量就是一個(gè)定值。隨著試件溫度升高，微觀上由于各組分材料的熱膨脹性能不同，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個(gè)材料所占體積發(fā)生變化，混凝土材料的彈性模量也將隨之改變。當(dāng)溫度在常溫范圍內(nèi)變化時(shí)，混凝土材料微觀上的變化對其宏觀上的彈性模量影響太小，可以忽略不計(jì)。隨著溫度繼續(xù)升高(超過100 ℃)，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化比較明顯，溫度的變化將對其彈性模量產(chǎn)生明顯的影響[5]。

本文研究，對傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法提供了試驗(yàn)依據(jù)。常溫范圍內(nèi)溫度變化不大時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中溫度應(yīng)力的計(jì)算時(shí)，可以忽略溫度變化對彈性模量的影響。

4 結(jié) 論

(1)本文的試驗(yàn)方法能夠直接測量混凝土試件在20～50 ℃溫度下的應(yīng)力應(yīng)變;

(2)驗(yàn)證了溫度在常溫范圍內(nèi)溫度升高20～50 ℃時(shí)，混凝土彈性模量基本上保持不變，采用常溫下測得的彈性模量計(jì)算試件在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變是可行的。

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Influence of Temperature Rising by 20 ℃ to 50 ℃ onConcrete Elastic Modulus

JING Rui1,KANG Jing-fu1,JIANG Yuan-cheng2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity/KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafety(TianjinUniversity),MinistryofEducation,Tianjin300072,China;2.SichuanProvincialArchitecturalDesignandResearchInstitute,Chengdu610000,China)

Elasticmodulusisanimportantmechanicalindexofconcrete,isakeyparameteronconcretestructurecalculationandanalysis,andthechangelawatdifferenttemperatureshasbeenissuesthatpeopleareconcerningabout.Inthispaper,uniformtemperaturefieldwasappliedontheconcretespecimensbyelectricheatingstrap,theloadwasappliedonspecimensatdifferenttemperatures,thespecimen'sstrainwasgotbystraingauge,andstressofthespecimenwasmeasuredbypressuresensor.Basedonthestressandstrainatdifferenttemperatures,elasticitymodulusofthespecimenwascalculated,andthevariationlawoftheelasticitymodulusofconcreteatdifferenttemperatureswasanalyzed.Thetestresultsshowedthat,innormaltemperature,whenthetemperaturerises20-50 ℃,thechangeofconcreteelasticmoduluswithtemperatureisnegligible，anditsvaluecanbehandledbyaconstant.

concretestructure;modulusofelasticity;temperature;testmeasurement

荊 銳(1987-)，男，博士.主要從事混凝土性能方面的研究.

TV

A

1001-1625(2016)12-4207-05