結(jié)構(gòu)混凝土早齡期約束受拉徐變的試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

高森,柳獻(xiàn),2,袁勇,2,侯景鵬

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3.東北電力學(xué)院建筑工程系,吉林吉林 132012)

0 引言

在我國(guó),雖然隧道建設(shè)和使用的歷史并不長(zhǎng),但是已經(jīng)出現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)耐久性不足的狀況,致使這些隧道提前展開(kāi)大修或者修建替代設(shè)施以便減輕這些隧道的交通壓力。由于其深埋于土中,所處環(huán)境十分惡劣,侵蝕性地下水的滲漏、隧管內(nèi)有害氣體的侵蝕,均會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土腐蝕及鋼筋銹蝕等多種病害產(chǎn)生[1]。在影響耐久性的因素中,裂縫起著主要的作用[2]?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在影響其性能的早期變形裂縫問(wèn)題?；炷猎琮g期開(kāi)裂通常是由于體積變化受到約束后,產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)其當(dāng)時(shí)齡期的抗拉強(qiáng)度所致[3]?；炷猎琮g期的收縮與徐變是影響其開(kāi)裂及性能退化的主要因素,一方面,約束構(gòu)件的收縮將引起約束應(yīng)力,使構(gòu)件產(chǎn)生開(kāi)裂的趨勢(shì);同時(shí),徐變作為一種應(yīng)力松弛的力學(xué)性質(zhì),可以在一定程度上,緩解由于收縮產(chǎn)生的應(yīng)力大小,即徐變?cè)诰徑饫瓚?yīng)力、延緩開(kāi)裂方面起著重要作用[4-5]。因此,在評(píng)估早齡期混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)時(shí),只考慮收縮的作用是極其錯(cuò)誤的。如何定量地評(píng)價(jià)徐變對(duì)混凝土早期約束應(yīng)力的緩解作用,并將此作用指導(dǎo)于設(shè)計(jì),對(duì)理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建筑施工都有著重要的意義。

目前對(duì)于硬化后混凝土的受壓徐變研究較為成熟,但對(duì)于早齡期的徐變問(wèn)題研究較少,特別針對(duì)受拉徐變的關(guān)注甚少。目前對(duì)于混凝土拉伸徐變的測(cè)試方法主要有直接拉伸試驗(yàn)與約束收縮試驗(yàn)2種。相對(duì)于傳統(tǒng)的直接拉伸方法,約束收縮試驗(yàn)更接近于構(gòu)件實(shí)際的應(yīng)力發(fā)展過(guò)程,近年來(lái)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。關(guān)于混凝土早期約束收縮試驗(yàn)的研究,大致有3種方法:環(huán)型約束試驗(yàn)、板式約束試驗(yàn)及軸向約束試驗(yàn)[6]。環(huán)型約束和板式約束都屬于被動(dòng)約束,它們都存在約束程度不直觀(guān)、理論分析困難的問(wèn)題。相對(duì)而言,軸向約束試驗(yàn)是較為理想的試驗(yàn)手段,其力學(xué)概念和物理意義清晰明確,約束程度可控可調(diào),可以實(shí)現(xiàn)約束度為100%的完全約束[7-8]。但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高,測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)應(yīng)有較高的精度和自動(dòng)化水平。軸向主動(dòng)控制約束試驗(yàn)裝置最早于20世紀(jì)80年代末由德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Springenschmid教授研制成功,取名TSTM(Thermal Stress Test Machine),用于混凝土的溫度變形和應(yīng)力問(wèn)題的研究;后來(lái)以色列Technion工業(yè)學(xué)院的Kovler[7]、Bloom和Bentur[9],美國(guó)的Illinois大學(xué)的David Lange等人不斷的對(duì)該試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),相繼研制出類(lèi)似的約束變形試驗(yàn)裝置,并采用此類(lèi)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了素混凝土試件的早期約束收縮的試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)土木工程系覃維祖[10]教授開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一套溫度-應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土早期約束應(yīng)力和拉伸徐變的測(cè)試研究。本文將偏重于軸向約束的試驗(yàn)方法,借鑒國(guó)外的TSTM試驗(yàn)機(jī),設(shè)計(jì)可用于測(cè)試混凝土早齡期拉伸徐變的框架系統(tǒng),最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

所謂完全約束收縮試驗(yàn)是指試件在約束條件下,長(zhǎng)度保持不變,即試件的約束端位移為0。但在實(shí)際的試驗(yàn)中,完全限制試件的變形是很難達(dá)到的,這要求約束端的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試件的剛度,這對(duì)于試驗(yàn)框架系統(tǒng)來(lái)說(shuō),既不經(jīng)濟(jì),也不可靠;所以,通常采用的試驗(yàn)手段是通過(guò)外加荷載進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償。具體來(lái)講是當(dāng)試件的變形達(dá)到某一閾值時(shí),通過(guò)施加外部荷載的方法,使試件恢復(fù)到變形前的長(zhǎng)度。在這種方法中,雖然試件的位移無(wú)法一直保持為0,但其變化始終是在設(shè)定好的很小的一個(gè)范圍內(nèi),可以近似模擬構(gòu)件在完全約束狀態(tài)下的力學(xué)路徑。同時(shí),由于試驗(yàn)被分割成一個(gè)個(gè)長(zhǎng)度補(bǔ)償過(guò)程,荷載的增加只發(fā)生在補(bǔ)償開(kāi)始的時(shí)刻,在每次循環(huán)中,該級(jí)荷載保持不變,這將大大減小控制的難度。

在試驗(yàn)過(guò)程中,由于混凝土的收縮以及剛度的增大,約束荷載也將逐級(jí)加大,構(gòu)件將經(jīng)歷初始狀態(tài)—收縮—加載—拉回至初始位置—在作用荷載下收縮—再加載的往復(fù)過(guò)程。系統(tǒng)將記錄下試件經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)(循環(huán)次數(shù)n×閾值,即為構(gòu)件實(shí)際發(fā)生的彈性拉伸變形)及荷載情況,由此經(jīng)過(guò)計(jì)算即可求得試件在完全約束情況下的拉伸徐變量。

在計(jì)算時(shí),通過(guò)比較自由收縮與約束收縮試驗(yàn)的結(jié)果,可以將拉伸徐變從收縮曲線(xiàn)中分離出來(lái),這對(duì)于混凝土早齡期材料性能的確定十分重要。圖1反映了如何通過(guò)自由收縮與約束收縮曲線(xiàn)計(jì)算拉伸徐變的方法。試件的自由收縮將通過(guò)自由收縮試驗(yàn)獲得,而在約束收縮試驗(yàn)中,由于荷載的作用,試件經(jīng)歷了一系列的循環(huán)過(guò)程,而每次循環(huán)又包括了收縮、徐變以及由荷載產(chǎn)生的彈性應(yīng)變;因此,任意時(shí)刻累計(jì)的彈性變形值都等于該時(shí)刻收縮與徐變的累加。當(dāng)同時(shí)測(cè)得自由收縮的大小后,徐變便可通過(guò)計(jì)算得出

式中:ε(t)為總應(yīng)變;εe(t)為累積的彈性應(yīng)變;εc(t)為徐變量;εsh(t)為自由收縮量。試驗(yàn)中,混凝土的收縮量 εsh(t)將通過(guò)自由收縮試驗(yàn)測(cè)得,彈性變形 εe(t)是試件在試驗(yàn)過(guò)程中累積的拉伸變形,通過(guò)主動(dòng)約束試驗(yàn)裝置中的LVDT測(cè)得。當(dāng)同時(shí)獲得了自由收縮變形與彈性變形,即可計(jì)算出任意時(shí)刻的徐變量 εc(t)。

圖1 試驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Test principle

1.2 試驗(yàn)要求

1.2.1控制系統(tǒng)

在本試驗(yàn)研究中,需要通過(guò)程序?qū)υ囼?yàn)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)原理中的力學(xué)路徑。該控制系統(tǒng)的工作原理為:啟動(dòng)電機(jī),開(kāi)泵,讓混凝土自由收縮到10μm的預(yù)置點(diǎn),測(cè)量這段時(shí)間內(nèi)的位移和力的變化,并將采集到的模擬量經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后發(fā)送到計(jì)算機(jī)顯示保存。然后由單片機(jī)控制電液伺服閥的輸入電壓從而控制閥芯的開(kāi)口度,讓作動(dòng)器把混凝土慢慢的拉回原點(diǎn),這個(gè)過(guò)程為位移反饋控制。到達(dá)原點(diǎn)時(shí),記錄此時(shí)的力,并保持這個(gè)力不變?cè)僮尰炷潦湛s,同時(shí)采集位移和力一并發(fā)送到計(jì)算機(jī)顯示保存,此過(guò)程為力反饋控制。上述為1個(gè)工作循環(huán),后續(xù)的實(shí)驗(yàn)就是重復(fù)這樣的循環(huán),直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)次數(shù)才停止實(shí)驗(yàn)。也就是要經(jīng)歷位移反饋控制—力反饋控制—位移反饋控制—力反饋控制—系統(tǒng)控制及程序算法流程如圖2,3所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 Flowchart of system control

圖3 程序算法流程圖Fig.3 Flowchart of program algorithm

在實(shí)際控制中,首先啟動(dòng)程序進(jìn)行工作:定時(shí)200 ms進(jìn)行采樣,采集512次之后,進(jìn)行濾波,濾波完進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷,若采集的數(shù)據(jù)在合理范圍,則進(jìn)行控制,否則發(fā)出報(bào)警,停止工作。

然后進(jìn)行控制如下:若混凝土收縮到10μm時(shí),則將之慢慢拉回原點(diǎn)(根據(jù)采集到的位移值,進(jìn)行PID控制,控制電液伺服閥的電壓,從而控制電液伺服閥的開(kāi)口度),同時(shí)將采集的位移和力通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)(VB界面)進(jìn)行顯示和保存;若混凝土被拉回原點(diǎn),則記錄此時(shí)的力,保持這個(gè)力不變(根據(jù)采集到的力的大小,進(jìn)行PID控制,控制電液伺服閥的電壓,從而控制電液伺服閥的開(kāi)口度),再讓混凝土慢慢收縮到10μm,同時(shí)將采集的位移和力通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)(VB界面)進(jìn)行顯示和保存。重復(fù)上述的動(dòng)作,直到滿(mǎn)足次數(shù)才停止實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 剛度控制

框架系統(tǒng)的剛度對(duì)于試驗(yàn)的成功與否至關(guān)重要,這是由于試件發(fā)生的位移十分微小,通?？刂圃?0 μm以?xún)?nèi),這使得對(duì)于約束框架本身的變形要求將十分嚴(yán)格?？蚣艿膭偠炔豢商?否則框架的變形將影響到試件變形的量測(cè),考慮到傳感器的測(cè)試精度,將框架的設(shè)計(jì)剛度取為試件實(shí)際剛度的10倍,基本符合試驗(yàn)要求。

在實(shí)際制作中,框架主體的2根縱向約束桿和橫梁都采用Q235工字鋼I 25b,高強(qiáng)螺栓連接,局部焊接加強(qiáng)肋板,以增大剛度。設(shè)計(jì)中,需要對(duì)框架軸向的剛度進(jìn)行驗(yàn)算?？蚣艿淖冃沃饕v向桿的軸向變形,橫梁的彎曲變形和螺栓的連接變形3部分。相應(yīng)的框架軸向整體剛度ks分別由縱桿的拉伸剛度ks1、橫梁的彎曲剛度ks2、以及連接螺栓的拉伸剛度ks33部分組成,3部分組成串連系統(tǒng),系統(tǒng)的總剛度為

式中:ks1為縱向工字鋼的拉伸剛度,由縱向約束桿的長(zhǎng)度Ls、彈性模量Es和橫截面積As確定

ks2按照橫梁受集中荷載作用計(jì)算,橫梁長(zhǎng)度為l′,則彎曲剛度為

由于橫梁長(zhǎng)度很小,并且橫梁工字鋼上又焊接加強(qiáng)肋以達(dá)到增加剛度減小彎曲變形的目的,ks2數(shù)值一般很大,和縱桿的軸向變形相比,彎曲變形基本可以忽略不計(jì),在框架整體剛度分析中不予考慮。

高強(qiáng)螺栓預(yù)緊后也一般認(rèn)為變形是可以忽略的,這樣ks3對(duì)整體剛度的影響也可忽略不計(jì)。

這樣,當(dāng)約束混凝土試件截面尺寸(100×100)mm2,混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C30設(shè)計(jì)時(shí),約束框架和混凝土試件的軸向剛度比K為

由于早齡期試件的彈模和強(qiáng)度都較小,實(shí)際的軸向剛度比會(huì)更大。試件的變形閾值為10μm,根據(jù)剛度比,實(shí)際鋼架的變形在1μm左右,這與傳感器測(cè)量的精度大致相同,可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Test system

1.2.3 采集系統(tǒng)及精度要求

在本試驗(yàn)中,需要對(duì)構(gòu)件的位移和約束荷載進(jìn)行測(cè)量,并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、自動(dòng)采集。在測(cè)量工具上,將根據(jù)被測(cè)物理量可能的變化范圍進(jìn)行選取;而在采集頻率上,將根據(jù)試驗(yàn)的需要,通過(guò)程序進(jìn)行調(diào)整。位移、荷載傳感器見(jiàn)圖5。

考慮到構(gòu)件實(shí)際的變形范圍,軸向方向的收縮變形通過(guò)差動(dòng)式位移傳感器LVDT測(cè)量。試件的變形閾值為10μm,LVDT采用高精度DA-2型,測(cè)量精度可達(dá)到1μm,即為測(cè)量值的10%,可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。荷載則通過(guò)做動(dòng)頭端的力傳感器測(cè)量,其精度可達(dá)到50 N?；炷猎缙诩s束應(yīng)力發(fā)展的限值在2～3 MPa,傳感器的精度可以滿(mǎn)足測(cè)量要求。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方面,系統(tǒng)可以調(diào)整的采集頻率最大為20次/s,考慮到構(gòu)件實(shí)際的補(bǔ)償過(guò)程最短經(jīng)歷的時(shí)間將不小于3 min,在實(shí)際采集過(guò)程中,將頻率調(diào)整為1次/s,即可滿(mǎn)足試驗(yàn)的精度要求,又可減小處理數(shù)據(jù)的工作量。

圖5 位移、荷載傳感器Fig.5 Displacement and load sensors

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

試驗(yàn)的總體思路為:對(duì)2根端部放大的狗骨型試件進(jìn)行測(cè)試,1根進(jìn)行主動(dòng)約束收縮試驗(yàn),測(cè)試其約束應(yīng)力的發(fā)展及累計(jì)的彈性變形情況;1根進(jìn)行自由收縮試驗(yàn),測(cè)試其在無(wú)約束情況下的自由變形情況,如圖6所示。

2根試件均水平放置,試件長(zhǎng)度為1 000 mm,截面大小100mm×100mm。約束試件直接澆注在主動(dòng)約束框架上,一端固定,另一端與可移動(dòng)的做動(dòng)頭相連。當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后,試驗(yàn)開(kāi)始,系統(tǒng)將按照程序設(shè)置自動(dòng)控制并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),具體方法如下:

1)調(diào)整試驗(yàn)臺(tái),開(kāi)啟程序,將做動(dòng)頭移動(dòng)至指定位置,檢查系統(tǒng)工作是否正常;

圖6 試驗(yàn)總體示意圖Fig.6 Sketch of testing

2)架設(shè)模板,鋪設(shè)減磨材料,同時(shí)開(kāi)啟溫濕度控制裝置,將試驗(yàn)環(huán)境調(diào)整至預(yù)定狀態(tài);

3)澆注混凝土,同時(shí)松開(kāi)做動(dòng)頭,防止試驗(yàn)前端部約束使構(gòu)件破壞;

4)養(yǎng)護(hù)至相同齡期拆模,架設(shè)傳感器,同時(shí)旋緊做動(dòng)頭;

5)啟動(dòng)程序,開(kāi)啟油泵,待油壓達(dá)到設(shè)定位置,進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)調(diào)整階段;

6)調(diào)整做動(dòng)頭位置,以使構(gòu)件初始應(yīng)力狀態(tài)為0;

7)當(dāng)構(gòu)件初始應(yīng)力狀態(tài)滿(mǎn)足要求后,開(kāi)始試驗(yàn)。自由收縮試驗(yàn)與主動(dòng)約束收縮試驗(yàn)同時(shí)開(kāi)始,系統(tǒng)控制并自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù);

8)到達(dá)試驗(yàn)設(shè)計(jì)齡期后,終止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與討論

2.1 原材料和試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)用C30普通混凝土的配合比見(jiàn)表1。水泥采用海螺牌P?O42.5水泥;細(xì)骨料用河沙,含水率2.4%～4.0%,配合比設(shè)計(jì)時(shí)要扣除砂中含水的影響;粗骨料用碎石,其中,粒徑為5～30 mm的石子占75%,粒徑為5～10mm的石子占25%;拌合水采用自來(lái)水?；炷劣?.5m3容量的強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌。

表1 普通混凝土C30的配合比Table 1 Mixing ratio of ordinary C30concrete

2.2 試件制作及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)在溫度為(20±3)℃,相對(duì)濕度為60%±5%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件澆注完成后,養(yǎng)護(hù)18 h后拆模,開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得的收縮變形既包括混凝土的自收縮(即和外界無(wú)濕度交換條件下的收縮),也包括干燥收縮和溫度變形。由于截面尺寸很小,內(nèi)部溫度變化不大,溫度變形數(shù)值較小,本試驗(yàn)將忽略此影響。為保證數(shù)據(jù)對(duì)比的可靠性,自由收縮試驗(yàn)與約束收縮試驗(yàn)將同時(shí)開(kāi)始,并同時(shí)結(jié)束。

2.3 自由收縮

實(shí)測(cè)試件的自由收縮應(yīng)變實(shí)際上包括了混凝土干燥收縮和自收縮,圖7的曲線(xiàn)表示了配筋混凝土自由收縮應(yīng)變隨齡期的變化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:混凝土澆注成型后40 h內(nèi)收縮發(fā)展極為迅速,可完成7 d齡期內(nèi)收縮的60%以上。40h后,收縮的速率開(kāi)始減慢。

2.4 約束應(yīng)力發(fā)展

約束收縮試件的軸向拉應(yīng)力如圖8所示,隨著齡期的增長(zhǎng),約束應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)。試驗(yàn)初期,約束應(yīng)力發(fā)展迅速,當(dāng)齡期達(dá)到40h后,應(yīng)力發(fā)展速率逐漸減緩。

2.5 混凝土的拉伸徐變

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變?cè)隽亢妥杂墒湛s應(yīng)變的大小,可以計(jì)算求得不同齡期時(shí)受拉徐變的大小,如圖9所示。

圖7 自由收縮應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Free shrinkage stress of concrete

圖8 約束應(yīng)力圖Fig.8 Restraint stress of concrete

圖9 拉伸徐變Fig.9 Tensile creep of concrete

從試驗(yàn)測(cè)得徐變發(fā)展來(lái)看,與收縮的發(fā)展相似,前2d齡期內(nèi)發(fā)展十分迅速,近似呈1條直線(xiàn)。2d之后,曲線(xiàn)逐漸變緩。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套可用于測(cè)試混凝土早齡期拉伸徐變的試驗(yàn)框架,研制適用于荷載、位移、應(yīng)變、溫度、濕度等多源多物理量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)約束狀態(tài)下混凝土的拉伸應(yīng)力發(fā)展的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土早齡期約束應(yīng)力及拉伸徐變的定量分析,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果基本吻合。

3)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用于各約束度下的約束收縮試驗(yàn),測(cè)試不同約束程度下混凝土早齡期約束應(yīng)力及拉伸徐變的發(fā)展規(guī)律,對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)及施工具有更為現(xiàn)實(shí)的意義。

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