蒸養(yǎng)混凝土早期斷裂性能研究

胡少偉，婁本星，尹陽陽，葉宇霄

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

蒸汽養(yǎng)護(hù)是混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中常用的養(yǎng)護(hù)方式，也是冬季混凝土結(jié)構(gòu)施工時加快進(jìn)度的一種有效手段。蒸汽養(yǎng)護(hù)下的高溫度、高濕度可以加快混凝土早期強(qiáng)度增長速度，從而加快模具周轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)周期（通常其脫模強(qiáng)度要求達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%以上）。賀智敏等[1-4]研究表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)雖然能在早期顯著提高混凝土的性能，但會造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙粗化，導(dǎo)致膨脹變形、脆性增大等熱損傷效應(yīng)，對混凝土后期性能產(chǎn)生不利影響。吳建華等[5-7]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土在蒸汽養(yǎng)護(hù)之后，水泥與粗骨料界面處會不同程度地出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)裂損、強(qiáng)度下降等情況，產(chǎn)生許多不利影響。因此，研究混凝土在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的損傷斷裂性能具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對常規(guī)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土損傷斷裂的研究已取得很多成果[8-11]，主要探討了不同級配、不同初始縫高比、不同齡期等影響因素下混凝土斷裂參數(shù)的數(shù)值變化規(guī)律，涉及蒸養(yǎng)混凝土斷裂性能的研究還不多見。與普通養(yǎng)護(hù)方式不同，蒸汽養(yǎng)護(hù)在對混凝土構(gòu)件進(jìn)行高溫高濕養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)過程是混凝土材料力學(xué)性能形成的重要時期（小型預(yù)制構(gòu)件通常為數(shù)十個小時，大體積混凝土預(yù)制構(gòu)件通常為2～3 d）。本文對18 根切口梁進(jìn)行了三點彎曲梁斷裂試驗，研究不同養(yǎng)護(hù)時間對蒸養(yǎng)混凝土早期斷裂性能的影響，同時基于數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC 方法）測量了試件表面裂縫尖端全場位移和應(yīng)變信息，對外荷載作用下蒸養(yǎng)混凝土試件裂縫擴(kuò)展的損傷斷裂過程進(jìn)行研究。

1 試驗概況

1.1 試件制備及養(yǎng)護(hù)

參考《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》(DL/T5 332—2005)，設(shè)計了6 組共18 根三點彎曲梁試件（其中1 組采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式作為對比試件），試件形式如圖1。所有試件尺寸均為長×寬×高(L×t×h)=500 mm×100 mm×100 mm，預(yù)制縫長 a0為 40 mm。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081－2002)的要求，采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊來確定混凝土的抗壓強(qiáng)度fc及劈裂抗拉強(qiáng)度ft。

試驗選用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用連續(xù)顆粒級配碎石（最大直徑10 mm），細(xì)骨料采用天然河砂，配合比為水∶水泥∶砂∶石子=0.40∶1.00∶1.47∶2.69，減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，28 d 齡期的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為46.7 MPa。預(yù)制裂縫采用厚度為3 mm 的鋼板，在混凝土澆筑3 h 后拔出，并移至蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。參照《預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁T 梁技術(shù)條件》（TB/T 3043—2005），蒸汽養(yǎng)護(hù)制度采用：混凝土澆筑成型后在20 ℃靜停3 h，然后在2 h 內(nèi)均勻升溫到60 ℃，60 ℃恒溫下分別保持4，8，16，24 和48 h，恒溫階段結(jié)束之后將試件從蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中取出并自然冷卻至室溫。蒸養(yǎng)結(jié)束后測試混凝土的力學(xué)性能以及斷裂性能。

試驗前，首先選取三點彎曲梁試件較光滑面作為散斑面，在圖像觀測區(qū)域均勻噴涂啞光白漆作為背景，隨后噴涂啞光黑漆形成人工散斑圖，再利用DIC 方法進(jìn)行圖像處理，從而獲得圖像觀測區(qū)域內(nèi)計算點的變形信息。

圖1 試件形式Fig.1 TPB specimens

1.2 試驗加載裝置

混凝土三點彎曲梁試驗采用電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行加載，加載速率為0.05 mm/min。在試件的底部和裂尖處分別布置兩個夾式引伸計，以測量裂縫口張開位移Dm和裂縫尖端張開位移Dt。用于固定下部引伸計的薄鋼片厚度為3 mm，用于固定正面引伸計的菱形楔塊厚度為10 mm。測試設(shè)備如圖2 所示。兩個工業(yè)相機(jī)用于同步采集預(yù)制裂縫附近區(qū)域的散斑圖像，采集頻率為1 幀/s，并通過DIC 圖像分析軟件（PMLAB DIC-3D）進(jìn)行分析。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading setup

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

圖3 給出了不同養(yǎng)護(hù)時間下各組試件的力學(xué)性能。混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度及彈性模量在24 h 內(nèi)均呈上升趨勢，24 h 后出現(xiàn)下降趨勢。分析原因是在蒸汽養(yǎng)護(hù)早期，水泥水化作用占主要作用，漿體與骨料的結(jié)合面強(qiáng)度快速上升；但長時間的高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土骨料與漿體界面過渡區(qū)造成一定的損傷，在一定程度上降低了混凝土的強(qiáng)度及彈性模量[12]。

圖3 試件的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical property of specimens

圖4 給出了每組典型試件實測P-Dm曲線，圖5給出了試件起裂荷載和失穩(wěn)荷載?？梢?，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，峰值荷載對應(yīng)的裂縫張口位移Dmc呈上升趨勢；養(yǎng)護(hù)時間由4 h 增至24 h，起裂荷載從0.61 kN 升至1.36 kN，失穩(wěn)荷載從1.25 kN 升至2.46 kN，且養(yǎng)護(hù)時間超過8 h 后，起裂荷載和峰值荷載增速明顯減緩；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為48 h 時，起裂荷載和失穩(wěn)荷載較24 h 時出現(xiàn)了略微下降的趨勢，分別降低7.3% 和1.2%。由以上分析結(jié)果可知，適當(dāng)?shù)恼羝B(yǎng)護(hù)可以顯著提高混凝土的早期性能，從而使混凝土預(yù)制構(gòu)件在早期具有較高的承載能力和抗裂能力。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時間試件P-Dm 曲線Fig.4 P-Dm curve of specimens with different curing time

圖5 試件起裂荷載和失穩(wěn)荷載Fig.5 Initiation load and maximum load of specimens

2.2 雙K 斷裂參數(shù)計算

斷裂韌度表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料韌度好壞的定量指標(biāo)。根據(jù)《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》（DL/T 5 332—2005）中混凝土三點彎曲梁雙K 斷裂參數(shù)計算公式，計算了不同蒸養(yǎng)時間下混凝土的斷裂韌度：

其中，ac按式(3)計算

式中：h0為引伸計刀口薄鋼板厚度（m）；Dmc為裂縫口張開位移臨界值（μm）；E 為計算彈性模量（GPa）。

E 按式(4)計算：

式中：a0為初始裂縫長度（m）；ci為P-Dm曲線直線段上任一點的斜率。

起裂韌度為：

據(jù)式(1) ～ (5)可以計算得到試件的起裂韌度、失穩(wěn)韌度以及其他相關(guān)參數(shù)，如表1 所示。

表1 斷裂試驗結(jié)果Tab.1 Test results of TPB specimens

圖6 給出了不同養(yǎng)護(hù)時間下蒸養(yǎng)混凝土的斷裂韌度變化趨勢。由圖6 可知，試件的起裂韌度和失穩(wěn)韌度變化趨勢大致相同，相比養(yǎng)護(hù)4 h 混凝土試件的斷裂韌度，養(yǎng)護(hù)8、16、24、48 h 混凝土試件的起裂韌度分別增長46.5%、63.2%、68.3%和59.4%，試件的失穩(wěn)韌度分別增長33.6%、46.0%、51.9%和60.3%。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 下的試件相比，在蒸汽養(yǎng)護(hù)8 h 后，其斷裂性能可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的80%左右。由此可見，短時間的蒸汽養(yǎng)護(hù)可以顯著提高混凝土的抗裂性能，但養(yǎng)護(hù)時間超過8 h 后，和的增幅逐漸趨于平緩。因此，考慮其力學(xué)性能以及實際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，就本文所研究混凝土而言，養(yǎng)護(hù)時間在8～16 h 為宜。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)時間試件斷裂韌度Fig.6 Fracture toughness of specimens

2.3 斷裂能和特征長度計算

斷裂能的定義為裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的能量（假定所有外力做的功都用于裂紋擴(kuò)展）[13]，是表征材料抗裂能力的材料參數(shù)。根據(jù)測得的P-δ 曲線，可以通過式(6)計算混凝土材料斷裂能GF：

式中：W0為外荷載沿跨中加載方向所做的功，即P-δ曲線所包圍的面積；mg 為三點彎曲梁有效跨度范圍內(nèi)自重；h 為試件高度；a0為預(yù)制裂縫長度；t 為試件厚度；δmax為最大撓度值。

特征長度Lch是混凝土材料的脆性指標(biāo)，特征長度越小表示混凝土越脆。其值可由下式確定：式中：E 為混凝土的彈性模量；GF為斷裂能；ft為抗拉強(qiáng)度。

圖7 給出了各組試件的斷裂能和特征長度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化趨勢?？梢姡?dāng)養(yǎng)護(hù)時間為4～24 h時，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，斷裂能呈上升趨勢，從80.5 N/m 上升到121.2 N/m，特征長度呈下降趨勢，從633 mm 逐漸減小至330 mm，說明混凝土隨養(yǎng)護(hù)時間的增加其脆性逐漸增大；養(yǎng)護(hù)時間從24 h 到48 h，斷裂能降低0.7 N/m，基本趨于穩(wěn)定，而特征長度略有升高。分析原因是此時水泥水化作用對強(qiáng)度的影響趨于平緩，蒸汽養(yǎng)護(hù)帶來的熱損傷效應(yīng)致使混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等基本材料參數(shù)下降，導(dǎo)致特征長度略有升高。

圖7 各組試件的斷裂能及特征長度Fig.7 Fracture energy and characteristic length of specimens

2.4 雙K 斷裂參數(shù)、材料基本參數(shù)與成熟度的關(guān)系

為了評估蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中混凝土材料參數(shù)隨溫度和養(yǎng)護(hù)時間的變化，Nurse[14]和Saul[15]引入了成熟度的概念，將混凝土實測溫度歷時轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)以預(yù)測強(qiáng)度的發(fā)展，管俊峰等[16]也通過成熟度來預(yù)測混凝土斷裂參數(shù)?；炷脸墒於缺硎緸椋?/p>

式中：T 為養(yǎng)護(hù)溫度（℃）；t 為養(yǎng)護(hù)時間（h）；M 為混凝土成熟度（℃·h），即溫度-時間曲線的面積。

通過對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彈性模量E 和抗壓強(qiáng)度fc符合二次函數(shù)關(guān)系，雙K 斷裂參數(shù)和斷裂能GF符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系?；谠囼灲Y(jié)果進(jìn)行回歸分析，給出了雙K 斷裂韌度、材料基本力學(xué)參數(shù)與成熟度的關(guān)系式，如圖8 所示，圖中均為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的材料參數(shù)。

圖8 材料參數(shù)與成熟度的關(guān)系Fig.8 Relationship between material parameters and maturity

2.5 裂縫擴(kuò)展過程

以蒸汽養(yǎng)護(hù)時間4 h 混凝土三點彎曲梁試件為例，基于DIC 方法對計算區(qū)域裂縫擴(kuò)展過程進(jìn)行研究。本試驗屬于Ⅰ型斷裂問題，因此主要關(guān)注水平方向的位移和應(yīng)變信息。

圖9 為裂縫尖端切線位置處在不同荷載階段下的水平位移變化趨勢。圖10 為相應(yīng)荷載階段下計算區(qū)域內(nèi)水平方向的全場應(yīng)變演化過程。由圖9 和10 可知，在加載初期10%Pmax(↑)階段（↑代表荷載上升階段，↓代表荷載下降階段）時，裂尖處計算點的水平位移基本為零，預(yù)制裂縫尖端位置處應(yīng)變無明顯變化，即在此階段試件還處于未開裂階段；當(dāng)荷載達(dá)到50%Pmax(↑)階段時，預(yù)制裂縫尖端位置處的計算點位移發(fā)生突變，左右兩側(cè)位移差值為0.012 4 mm，圖10 中裂尖處區(qū)域應(yīng)變值開始增大，說明在此階段試件處于已起裂并處于開裂狀態(tài)；當(dāng)荷載處于50%Pmax(↑)～Pmax(↑)階段時，由于試件已經(jīng)處于開裂階段，隨著荷載繼續(xù)增加，水平位移差值和裂尖應(yīng)變值持續(xù)增大，裂縫穩(wěn)定向前推進(jìn)，裂縫長度擴(kuò)展至16.37 mm。當(dāng)荷載超過Pmax階段后，水平位移差值急劇增大，在減小至50%Pmax(↓)階段時，裂尖水平位移差值達(dá)到了0.116 mm，裂縫長度擴(kuò)展至31.5 mm，在宏觀上表現(xiàn)為裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展，直至試件最終發(fā)生破壞。因此，通過DIC 方法可以觀測到混凝土從起裂到失穩(wěn)破壞演化全過程，是研究裂縫擴(kuò)展的有效手段。

圖9 預(yù)制裂縫尖端切線水平位移Fig.9 Horizontal displacement of precast crack-tip

圖10 蒸汽養(yǎng)護(hù)4 h 混凝土試件水平方向全場應(yīng)變Fig.10 Full field strain in horizontal direction of concrete specimen with 4 h steam curing

3 結(jié) 語

本文通過分析蒸養(yǎng)混凝土三點彎曲切口梁在不同養(yǎng)護(hù)時間下的試驗結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 蒸養(yǎng)混凝土早期斷裂性能的變化可分為3 個階段。在養(yǎng)護(hù)時間8 h 內(nèi)，混凝土抗裂性能迅速增長；在養(yǎng)護(hù)8～24 h，混凝土抗裂性能增長速率顯著降低；在養(yǎng)護(hù)超過24 h 后，混凝土抗裂性能趨于穩(wěn)定。

(2) 隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，起裂荷載、失穩(wěn)荷載、雙K 斷裂參數(shù)和斷裂能逐漸上升且趨于穩(wěn)定，特征長度逐漸下降且趨于穩(wěn)定。

(3) 蒸汽養(yǎng)護(hù)會對骨料與漿體界面造成一定的損傷，過長的養(yǎng)護(hù)時間在一定程度上會降低混凝土的力學(xué)性能。結(jié)合斷裂試驗結(jié)果，蒸汽養(yǎng)護(hù)時間不宜過長，就本文研究混凝土，最佳養(yǎng)護(hù)時間為8～16 h。

(4) 采用成熟度方法研究蒸養(yǎng)混凝土斷裂參數(shù)的規(guī)律是可行的，本文建立的“斷裂參數(shù)-成熟度”的關(guān)系式可以為蒸養(yǎng)混凝土早期斷裂參數(shù)的確定提供依據(jù)。

(5) 通過DIC 方法分析裂縫擴(kuò)展路徑附近區(qū)域的水平位移和水平應(yīng)變，可以有效觀測到斷裂演化全過程。