鋼纖維自應(yīng)力混凝土自應(yīng)力的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究

王伯昕，

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130021;2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連116024)

鋼纖維自應(yīng)力混凝土是一種新型的復(fù)合材料，通過(guò)人為調(diào)整混凝土的配合比設(shè)計(jì)，使自應(yīng)力水泥水化后能夠產(chǎn)生很大的膨脹變形，在鋼筋和鋼纖維的約束下混凝土基體可以產(chǎn)生8～12 MPa的預(yù)壓應(yīng)力.對(duì)于這種高性能材料的早期膨脹變形的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外研究較多［1－3］，但對(duì)其自應(yīng)力值的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究較少.筆者通過(guò)9年多的試驗(yàn)觀測(cè)，研究了鋼纖維自應(yīng)力混凝土和鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土產(chǎn)生自應(yīng)力值的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為這種材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)配制了兩種鋼纖維自應(yīng)力混凝土，試件共24組，48個(gè).考慮的影響因素包括配筋率(0.0%，1.13%)，目標(biāo)自應(yīng)力等級(jí)(4級(jí)、5級(jí))，纖維體積率(0.0%，0.5%，1.5%，2.5%).試件外形尺寸如圖 1所示.

圖1 試件外形尺寸

試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，放置在室外測(cè)定其自應(yīng)力值的長(zhǎng)期穩(wěn)定性(3 285 d).

2 自應(yīng)力值長(zhǎng)期穩(wěn)定性曲線

2.1 鋼筋限制條件

根據(jù)長(zhǎng)期試驗(yàn)測(cè)定，9 a內(nèi)自應(yīng)力混凝土的膨脹變形主要分為3個(gè)階段，如圖2所示.

圖2 配筋的自應(yīng)力混凝土長(zhǎng)期膨脹變形曲線

第1階段(齡期0～45 d)，自應(yīng)力混凝土基體在化學(xué)能的作用下產(chǎn)生大量的膨脹變形，在鋼筋約束條件下可產(chǎn)生8.0～12.0 MPa的自應(yīng)力.

第2階段(齡期45 d～2.5 a)，自應(yīng)力混凝土基體的膨脹變形略有下降，自由條件下自應(yīng)力混凝土膨脹變形最大降幅可達(dá)9.0%，鋼筋限制條件下的混凝土基體自應(yīng)力值損失0.6～1.2 MPa.

第3階段(齡期2.5～9 a)，再次對(duì)自應(yīng)力混凝土噴水養(yǎng)護(hù)28 d，發(fā)現(xiàn)自應(yīng)力混凝土基體的膨脹變形又開(kāi)始增加，自由條件下自應(yīng)力混凝土膨脹變形增加15.5% ～16.7%，鋼筋限制條件下的混凝土基體自應(yīng)力值提高0.4 ～2.3 MPa.

2.2 鋼纖維限制條件

纖維進(jìn)入到自應(yīng)力混凝土基體后，將對(duì)其產(chǎn)生三向限制膨脹作用.隨著纖維體積率的增加，自應(yīng)力混凝土的長(zhǎng)期膨脹變形值降低.但其降低幅值遠(yuǎn)低于由鋼筋限制引起的長(zhǎng)期膨脹變形降低幅值，鋼纖維限制下的自應(yīng)力混凝土長(zhǎng)期膨脹變形曲線如圖3和圖4所示.

3 考慮長(zhǎng)期變形的鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土的自應(yīng)力損失計(jì)算

鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土的自應(yīng)力值主要是由鋼筋限制引起的自應(yīng)力值和鋼纖維限制引起的自應(yīng)力值兩部分組成，故可認(rèn)為鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土長(zhǎng)期變形后的自應(yīng)力損失值是由這兩部分的自應(yīng)力損失值構(gòu)成的.本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期變形的鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土自應(yīng)力的損失值Δσ很小，可認(rèn)為兩部分的自應(yīng)力損失值符合線性疊加原理，即

式中:Δσrc(t)為鋼筋引起的自應(yīng)力損失值;Δσf(t)為鋼纖維引起的自應(yīng)力損失值;ρ為配筋率;Es為鋼筋的彈性模量;εrc，s(t)為鋼筋的應(yīng)變量.

借鑒研究普通混凝土徐變的方法，可寫(xiě)出自應(yīng)力混凝土的長(zhǎng)期變形ε(t)的本構(gòu)關(guān)系為

式中:σ0為t0時(shí)刻混凝土的初始應(yīng)力;E0為t0時(shí)刻混凝土的彈性模量;c(t，τ0)為徐變度.

根據(jù)齡期調(diào)整的有效模量法［4］，式(2)可改寫(xiě)為

式中:φ(t，t0)為徐變系數(shù);χ(t，t0)為齡期調(diào)整系數(shù)［5］，

由文獻(xiàn)［6］，基本徐變和干燥徐變對(duì)配筋自應(yīng)力混凝土自應(yīng)力損失的影響可忽略.在未加載時(shí)，配筋率為ρ的自應(yīng)力混凝土的長(zhǎng)期變形可表示為

式中Ec為混凝土基體的彈性模量.

鋼纖維對(duì)自應(yīng)力混凝土的限制作用所產(chǎn)生的自應(yīng)力值也有損失，計(jì)算公式為

式中:Δτ為自應(yīng)力混凝土基體收縮變形時(shí)與鋼纖維間的摩阻力;d和l分別為鋼纖維的等效直徑和長(zhǎng)度;s為基體中鋼纖維的平均間距;μ為基體與鋼纖維間的摩阻系數(shù);ε0為t0時(shí)刻混凝土的初始應(yīng)變;Esf為鋼纖維的彈性模量;νc，νsf分別為自應(yīng)力混凝土和鋼纖維的泊松比.

將式(3)—(7)代入式(1)，得考慮長(zhǎng)期變形的鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土的自應(yīng)力損失計(jì)算公式為

這里，徐變系數(shù)φ(t，t0)采用ACI209委員會(huì)推薦的混凝土徐變系數(shù)公式計(jì)算，

式中:φmax(t0)為徐變的最終值，可按 φmax(t0)=2.35K1K2K3K4K5K6計(jì)算;K1為齡期修正系數(shù)，對(duì)于齡期大于7 d的濕養(yǎng)混凝土，K1=1.25(t)－0.112;K2為環(huán)境濕度修正系數(shù)，K2=1.27 －0.006 7λ，λ 為環(huán)境濕度;K3為構(gòu)件尺寸修正系數(shù)，可參照ACI的規(guī)定進(jìn)行調(diào)整;K4為混凝土拌和物坍落度修正系數(shù)，K4=0.82+0.067Sc，Sc為混凝土拌和物坍落度;K5為細(xì)骨料含量修正系數(shù)，K5=0.88+0.002 4Sa，Sa為細(xì)骨料含量;K6為混凝土拌和物含氣量修正系數(shù)，K6=0.46+0.09Sb，Sb為混凝土拌和物含氣量.

理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比曲線如圖5所示.

圖5 理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

由圖5可知，理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差在20%以?xún)?nèi)，吻合較好.

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自應(yīng)力混凝土2.5 a的自應(yīng)力損失僅為0.6～1.2 MPa，在長(zhǎng)期環(huán)境中條件滿足的情況下具有二次膨脹的特性，基體自應(yīng)力值提高0.4～2.3 MPa，完全適應(yīng)實(shí)際工程對(duì)于自應(yīng)力值的要求.

2)根據(jù)已有的徐變理論模型，建立了自應(yīng)力混凝土的長(zhǎng)期自應(yīng)力損失的計(jì)算公式，與實(shí)測(cè)值吻合較好，誤差在20%以?xún)?nèi).

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