早齡期混凝土壓縮、拉伸和彎拉徐變與干燥徐變比較

李庶安，魏 亞，徐飛萍，李大方，韓兆友

(1.山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京 100084)

0 引言

徐變?yōu)榛炷敛牧系墓逃行再|(zhì)，是影響評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)物的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)應(yīng)力損失的重要因素?；炷两Y(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，壓縮、拉伸、彎曲是其常見(jiàn)的受荷形式。但目前相關(guān)的試驗(yàn)研究和模型建立主要集中在壓縮徐變上，對(duì)拉伸徐變和彎曲徐變研究相對(duì)較少。例如，潘鉆峰等人[1]、孟少平等人[2]對(duì)蘇通大橋所采用的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了壓縮徐變?cè)囼?yàn)。與壓縮徐變相比，拉伸徐變的測(cè)試難度相對(duì)較大，主要原因在于混凝土抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，由于拉伸徐變施加的應(yīng)力較小，產(chǎn)生的變形量較小，對(duì)位移傳感器的精度要求高[3]。尤其對(duì)于早齡期混凝土，收縮變形與徐變變形數(shù)量級(jí)相當(dāng)，進(jìn)一步增加測(cè)量的難度。此外，受徐變影響較大的混凝土梁板結(jié)構(gòu)多處于彎曲狀態(tài)[4-8]，有關(guān)混凝土彎拉徐變的研究并不多見(jiàn)[9-12]，因此需要對(duì)彎拉徐變進(jìn)行研究。

目前混凝土徐變模型主要是基于壓縮徐變數(shù)據(jù)建立，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)假設(shè)混凝土拉壓徐變相等[13]。但是已有研究表明[14-16]，不同應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的徐變發(fā)展存在較大的差異。因此近年來(lái)，混凝土在壓縮、拉伸、彎拉下的徐變對(duì)比引起了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。Ranaivomanana[14-15]對(duì)比加載齡期為28天混凝土的壓縮、拉伸與彎拉基本徐變。壓縮徐變采用圓柱試件(直徑110 mm，高220 mm)，拉伸徐變采用棱柱試件(70 mm×70 mm×280 mm)，彎拉徐變采用與拉伸徐變?cè)囼?yàn)尺寸不同的棱柱試件(100 mm×100 mm×500 mm)。在加載數(shù)天后發(fā)現(xiàn)三者數(shù)值大小出現(xiàn)顯著區(qū)分：壓縮徐變最大、拉伸徐變最小，彎拉梁受壓側(cè)和受拉側(cè)的徐變應(yīng)變介于中間。此外，Ranaivomanana[14-15]發(fā)現(xiàn)拉伸徐變?cè)诤笃诔霈F(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象，并認(rèn)為該現(xiàn)象可能與受荷試件的微損傷和收縮之間存在耦合作用產(chǎn)生附加收縮有關(guān)。

目前，由于試驗(yàn)結(jié)果有限，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)壓縮、拉伸、彎拉等應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的徐變發(fā)展規(guī)律仍未形成共識(shí)。據(jù)作者所知，目前仍未見(jiàn)不同測(cè)試環(huán)境下早期混凝土壓縮徐變、拉伸徐變和彎拉徐變系統(tǒng)比較的相關(guān)報(bào)道。為了采取合適的徐變模型來(lái)準(zhǔn)確分析早齡期混凝土結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力和變形發(fā)展，有必要系統(tǒng)研究不同應(yīng)力狀態(tài)下早齡期混凝土的徐變行為。

本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了3套設(shè)備裝置來(lái)測(cè)試早齡期混凝土在壓縮、拉伸和彎曲狀態(tài)下的徐變行為，分析量化水灰比(0.3，0.4和0.5)、受力狀態(tài)(壓縮、拉伸和彎曲)、環(huán)境濕度條件(密封和干燥)對(duì)混凝土徐變發(fā)展規(guī)律的影響，并與文獻(xiàn)中的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)采用基準(zhǔn)水泥，比表面積為350 m2/kg。粗骨料采自普通石灰?guī)r碎石，細(xì)骨料選用普通石英砂。粗骨料最大粒徑為12.5 mm，石英砂的細(xì)度模數(shù)為2.6。本研究設(shè)計(jì)0.3，0.4，0.5這3種不同水灰比的混凝土，分別標(biāo)記為3O，4O，5O。在初拌混凝土?xí)r摻加適量聚羧酸系高效減水劑以改善其工作性?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)見(jiàn)表1。3種配合比的骨料體積分?jǐn)?shù)均為50%，砂率均為40%。通常普通混凝土的骨料體積分?jǐn)?shù)為50%～70%，本研究設(shè)計(jì)較高的漿體體積含量，使徐變變形相對(duì)提高，有利于更準(zhǔn)確地測(cè)試和獲取變形數(shù)據(jù)，尤其是拉伸徐變結(jié)果。對(duì)7 d齡期密封條件和非密封(干燥)條件下的不同配合比混凝土進(jìn)行3種徐變測(cè)試。試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

表2 試驗(yàn)方案

1.2 拉伸徐變測(cè)試

拉伸徐變測(cè)試裝置包括門式加載框架、環(huán)境箱和應(yīng)變位移測(cè)試系統(tǒng)，見(jiàn)圖1(a)。該加載裝置為典型的閉環(huán)電力伺服材料試驗(yàn)機(jī)，帶有一個(gè)框架來(lái)容納環(huán)境箱，以控制恒溫恒濕。環(huán)境箱與門式加載框架的工作空間相匹配。設(shè)備施加的最大軸向拉力為55 kN，可持續(xù)運(yùn)行數(shù)個(gè)月。測(cè)量期間荷載變化幅度小于拉伸荷載的1% (0.10 kN)。加載框架的施力部分從環(huán)境箱頂部和底部的開(kāi)口伸入。環(huán)境箱由冷卻壓縮機(jī)、風(fēng)扇、加熱回路、加濕單元以及溫濕度傳感器單元組成。環(huán)境箱的溫度控制范圍為5～60 ℃，誤差為±2 ℃，相對(duì)濕度控制范圍為40%～95%，誤差±5%。

對(duì)于每一組配合比，制作6個(gè)平行試件，尺寸統(tǒng)一為Φ100×400 mm。其中2個(gè)試件用于加載前的直拉強(qiáng)度測(cè)試，2個(gè)試件用于拉伸徐變加載，另2個(gè)試件則作為平行試件，用于扣除前者的溫度和收縮變形。試件兩端埋入金屬棒，加載裝置通過(guò)對(duì)拉金屬棒對(duì)試件施加荷載。有限元分析表明，試件應(yīng)變測(cè)量部分沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中出現(xiàn)[17]。試件變形采用精度為μm位移傳感器(LVDT)測(cè)量。兩個(gè)LVDT安裝在試件相對(duì)的側(cè)面，位移測(cè)量標(biāo)距為150 mm。

圖1 徐變測(cè)試裝置

1.3 壓縮徐變測(cè)試

壓縮徐變系統(tǒng)(圖1(b))的設(shè)計(jì)與拉伸徐變?cè)囼?yàn)相同，但壓縮徐變裝置沒(méi)有環(huán)境箱。壓縮徐變采用的試件為Φ100×250 mm的圓柱體。與拉伸徐變?cè)囼?yàn)相似，6個(gè)試件用于抗壓強(qiáng)度、壓縮徐變和自由變形測(cè)量。在壓縮徐變?cè)囼?yàn)中，最大荷載變化值測(cè)量期間施加荷載的4%(3.41 kN)。在徐變?cè)囼?yàn)中，在加載試件旁邊放置未經(jīng)加載的試件，使加載試件和未經(jīng)加載試件的環(huán)境條件保持相同。用同樣的LVDT傳感器測(cè)量壓縮徐變和自由收縮，變形測(cè)量的標(biāo)距為130 mm。

1.4 彎拉徐變測(cè)試

彎拉徐變測(cè)試裝置如圖1所示，混凝土梁試件高50 mm，寬50 mm，長(zhǎng)1 220 mm。梁截面(50 mm)的最小尺寸是骨料(12.5 mm)最大尺寸的4倍，以確?；炷翗悠返木鶆蛐院痛硇?。4根梁同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，其中兩根處于加載條件下，另外兩根不加載。每根梁的撓度變形由LVDT在3個(gè)位置處進(jìn)行測(cè)量，LVDT的精度為1 μm；其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)位于跨中，另外兩個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱設(shè)置于距離跨中350 mm處。在彎拉徐變測(cè)試中，加載梁承受兩個(gè)對(duì)稱的10 kg荷載，與跨中的距離均為375 mm。根據(jù)式(1)計(jì)算可知10 kg的荷載產(chǎn)生約1.4 MPa的最大拉應(yīng)力。

(1)

式中，σmax為外部荷載P(98 N)和自重G(60 N/m)作用下產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力；a為荷載與支點(diǎn)之間的距離(200 mm)；l為兩支點(diǎn)間距(1 150 mm)；e為懸臂長(zhǎng)度(35 mm)；MR為截面抗彎模量(2.08×104mm3)。7 d齡期時(shí)，4O和3O試件抗拉強(qiáng)度分別為3.63 MPa和4.61 MPa，而荷載產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于撓曲強(qiáng)度的40%，因此可以認(rèn)為在10 kg作用下混凝土處于線性徐變發(fā)展階段。

1.5 徐變暴露條件測(cè)試

3種徐變測(cè)試設(shè)備都置于室內(nèi)，環(huán)境相對(duì)濕度控制在(50±5)%，溫度控制在(23±1)℃。3種徐變測(cè)試中的試件分別處于密封和干燥環(huán)境。密封試件用來(lái)測(cè)試混凝土的基本徐變，而干燥試件用來(lái)獲得基本徐變和干燥徐變。密封試件用鋁箔膠帶將試件表面纏繞3層。使用殷鋼夾具將LVDT固定到密封試件上。夾具與試件之間用硅膠密封膠密封，以確保所有試件表面都密封。結(jié)果證明這樣的密封方式效果良好：在不同的徐變?cè)囼?yàn)中，1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，采用平行密封的方法測(cè)量得到失水率小于0.2%。Charpin等[18]認(rèn)為，在兩年的測(cè)試期間，使用4層鋁箔可以將水的損失控制在樣品總質(zhì)量的0.15%內(nèi)。

在干燥的情況下，壓縮徐變和拉伸徐變測(cè)試試件所有表面暴露于干燥環(huán)境。而在彎曲徐變?cè)囼?yàn)中，梁的頂部和底部表面暴露在環(huán)境中，其他表面用3層鋁箔膠帶密封，以形成一維干燥條件?；炷恋睦臁嚎s、彎拉徐變均在密封養(yǎng)護(hù)7 d后開(kāi)始測(cè)試，施加的應(yīng)力為分別為各應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度的40%。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加載方式下徐變的比較

將密封(圖2)和干燥(圖3)測(cè)試條件下不同應(yīng)力狀態(tài)(壓縮、拉伸和彎曲)下徐變分別進(jìn)行比較。由于在密封條件下測(cè)得的基本徐變是混凝土的固有性質(zhì)，與試件尺寸無(wú)關(guān)，所以即使使用不同的試件尺寸，也可以比較3種類型徐變。對(duì)于3種水灰比的混凝土，基本壓縮徐變最大的(圖2)。這種差異隨著徐變加載時(shí)間的增長(zhǎng)略有增加。水灰比較高的試件基本徐變更大。彎曲徐變的大小介于壓縮徐變和拉伸徐變之間。這是合理的，因?yàn)樵诹旱膹澢^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，而壓縮徐變和拉伸徐變是互相促進(jìn)的。實(shí)測(cè)的彎拉徐變實(shí)際上是由壓縮荷載和拉伸荷載共同作用產(chǎn)生的有效徐變。與壓縮和拉伸徐變相似，水灰比越大，彎拉徐變?cè)酱蟆Ｔ谙嗤囼?yàn)條件下，4O混凝土的彎曲徐變比3O混凝土大65%，說(shuō)明彎拉徐變對(duì)水灰比的值敏感。同時(shí)，在高水灰比混凝土中，較大的比表面積可能導(dǎo)致較大的彎拉徐變。

圖2 壓縮、拉伸和彎拉徐變的比較

混凝土在干燥時(shí)的徐變與試件尺寸有很大的關(guān)系。對(duì)于干燥條件下的徐變，由于試件尺寸相似，僅對(duì)壓縮徐變和拉伸徐變進(jìn)行了比較。由于彎拉徐變?cè)嚰男螤畛叽缗c壓縮徐變和拉伸徐變?cè)嚰町惡艽螅虼藳](méi)有將其與壓縮徐變和拉伸徐變進(jìn)行比較。

干燥條件下，高水灰比的4O和5O試件拉伸徐變與壓縮徐變接近，如圖3所示。對(duì)于3O混凝土，拉伸徐變比壓縮徐變大得多。干燥條件下的徐變包括基本徐變和干燥徐變，如圖2中所示，由于混凝土的基本壓縮徐變比基本拉伸徐變大，干燥對(duì)拉伸徐變影響更為顯著。

圖3 非密封(干燥)條件下壓縮徐變與拉伸徐變的比較

2.2 密封與干燥條件下徐變的比較

以非密封條件下的徐變與密封條件下的徐變之比作為指標(biāo)，量化干燥對(duì)混凝土徐變的影響。圖4是不同混凝土在不同荷載類型(壓縮、拉伸和彎曲荷載)下的非密封徐變與密封徐變比值的變化。在經(jīng)過(guò)最初的調(diào)整階段后，所有比值在7 d后趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定之后的比值均大于1，說(shuō)明無(wú)論施加何種荷載，干燥條件下的徐變總是大于密封條件下的徐變。

圖4 3O、4O和5O混凝土在不同荷載作用下的非密封徐變與密封徐變之比

拉伸徐變對(duì)干燥條件更為敏感，其非密封徐變與密封徐變的比值比大于壓縮情況下的比值，在低水灰比混凝土中干燥效果更顯著。在拉伸徐變?cè)囼?yàn)中，對(duì)于低水灰比3O混凝土這一比值達(dá)到2.5，對(duì)于4O和5O混凝土則達(dá)到1.75。在壓縮徐變?cè)囼?yàn)中，對(duì)4O和5O混凝土這一比值為1.6，對(duì)3O混凝土為1.2。

在彎拉徐變?cè)囼?yàn)中，混凝土的非密封徐變與密封徐變比更大，穩(wěn)定值為1.9。然而，彎拉徐變?cè)囼?yàn)的試件尺寸與壓縮徐變和拉伸徐變?cè)囼?yàn)的試件尺寸不同。在彎拉徐變?cè)囼?yàn)中使用的試件更小，可以促進(jìn)試件與環(huán)境的水分交換，從而增加了彎拉徐變?cè)囼?yàn)干燥條件下的徐變。

2.3 壓縮徐變與拉伸徐變的比較

壓縮徐變和拉伸徐變的比較具有重要意義，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)徐變數(shù)據(jù)是在壓縮荷載作用下測(cè)試得到的，徐變模型的建立在壓縮徐變基礎(chǔ)上，并以此預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，而不考慮結(jié)構(gòu)所受的荷載類型。許多研究人員發(fā)現(xiàn)了壓縮徐變和拉伸徐變的區(qū)別。然而，在何種徐變數(shù)值更大以及其中的機(jī)理解釋方面，很多研究人員的發(fā)現(xiàn)是相互矛盾的。

下面將進(jìn)一步比較密封和干燥條件下的壓縮和拉伸徐變比。在密封和干燥測(cè)試條件下，3O，4O和5O試件壓、拉徐變比值隨齡期的變化如圖5所示。徐變比在徐變加載的前3天內(nèi)無(wú)規(guī)律變化，與徐變類型、水灰比和干燥條件無(wú)關(guān)。在密封條件下，該比值穩(wěn)定大于1，在1.25～1.5范圍內(nèi)。在干燥條件下，4O和5O混凝土的該比值略大于1，在1.0-1.18之間，3O混凝土的比值小于1，穩(wěn)定值為0.75?？傮w而言，3種水灰比混凝土在密封條件下的壓縮拉伸徐變比總是大于干燥條件下的壓、拉徐變比。如前所述，拉伸徐變對(duì)干燥條件敏感。

圖5 密封和非密封(干燥)條件下混凝土壓縮徐變與拉伸徐變比值發(fā)展

拉、壓徐變的差異可能在于受力損傷機(jī)理不同，其中微裂紋發(fā)展與水分遷移之間存在耦合作用是最普遍的機(jī)理。水的遷移被認(rèn)為由持續(xù)的徐變荷載引起，在此荷載作用下，水從貫穿裂縫向未反應(yīng)熟料遷移，進(jìn)一步水化，從而產(chǎn)生附加自干燥收縮。

干燥條件對(duì)低水灰比混凝土(3O)的拉伸徐變影響最大。在密封條件下，壓、拉徐變比達(dá)到1.5，在干燥條件下降至0.75。因此，對(duì)于低水灰比混凝土，應(yīng)區(qū)分壓縮徐變和拉伸徐變，并正確地用于應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了3種設(shè)備，測(cè)量并比較了早齡期混凝土在壓縮、拉伸和彎曲應(yīng)力作用下的徐變行為。試件的水灰比分比為0.3，0.4和0.5，測(cè)試過(guò)程中混凝土處于密封狀態(tài)和暴露于濕度為50%的環(huán)境。本文的主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)于不同強(qiáng)度、不同尺寸的混凝土試件，在不同荷載類型(壓縮、拉伸、彎拉)時(shí)，干燥條件下(50%RH)的早齡期徐變均大于密封條件下的早齡期徐變。非密封條件下與密封條件下的徐變度之比在1.25～2.5之間，具體數(shù)值取決于混凝土的水灰比和所施加的荷載類型。

(2)拉伸徐變對(duì)干燥條件更敏感。非密封條件下與密封條件下的拉伸徐變度之比在1.75～2.5之間，壓縮徐變度之比在1.25 ～ 1.5之間。因此，建議采用干燥條件下的拉伸徐變而不是基本徐變來(lái)計(jì)算拉應(yīng)力，評(píng)估暴露于干燥條件下的早齡期混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。否則，應(yīng)力和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)可能被高估。

(3)不同水灰比試件的基本壓縮徐變均大于基本拉伸徐變，兩者之比在1.26 ～ 1.5之間。但在干燥條件下，壓縮徐變并不總是大于拉伸徐變，兩者之比在0.75 ～ 1.16之間。低水灰比試件(3O)在密封條件下的壓、拉徐變比最大，在干燥條件下的壓、拉徐變比最小。因此，對(duì)于低水灰比混凝土，應(yīng)區(qū)分壓縮徐變和拉伸徐變，并正確地用于混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)。

(4)基本徐變對(duì)比表明壓縮徐變度最大，彎拉徐變度次之，拉伸徐變度最小。在干燥條件下，彎拉徐變不可以直接與拉伸徐變和壓縮徐變進(jìn)行比較，因?yàn)樵趶澙熳冊(cè)嚰谋缺砻娣e比壓、拉伸徐變?cè)嚰谋缺砻娣e要大得多。非密封條件下與密封條件下的彎拉徐變度之比在1.75 ～ 2.0之間。