收縮對(duì)高強(qiáng)混凝土短期變形行為的影響

劉曄琴

(呂梁高速公路有限公司，山西呂梁 033000)

0 引言

高強(qiáng)度材料的應(yīng)用越來(lái)越普遍，導(dǎo)致長(zhǎng)跨度小剛度的混凝土結(jié)構(gòu)體頻繁變形，已經(jīng)將其作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的重要考慮因素。外部負(fù)載，環(huán)境條件，以及有害反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)體中產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)于高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，本身抗斷裂應(yīng)力能力低，內(nèi)應(yīng)力因素通常會(huì)導(dǎo)致其龜裂，并降低其結(jié)構(gòu)耐久性。混凝土收縮的抑制對(duì)高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的開裂和變形有重要的作用，但是經(jīng)常被忽視。在一般實(shí)踐中，蠕動(dòng)收縮［1-3］是在預(yù)加應(yīng)力的損失或長(zhǎng)期的變形分析中經(jīng)常被考慮。然而，即使在第一次加載，無(wú)收縮混凝土的應(yīng)變程度可能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了開裂應(yīng)變。由于鋼筋或特殊性結(jié)構(gòu)體系的制約作用，混凝土的收縮引起應(yīng)力可能會(huì)顯著降低抗裂性和提高高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的變形。由于這種影響效果通常被忽視，因此，利用傳統(tǒng)的本構(gòu)物理模型［4］預(yù)測(cè)短期變形和裂縫寬度可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。

早在20世紀(jì)下半葉，斯坎倫和其他研究人員在研究鋼筋混凝土的變形行為的實(shí)驗(yàn)中就指出收縮影響的重要性。由于第一次嘗試評(píng)估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的收縮效果，調(diào)查主要從兩個(gè)獨(dú)立的方面進(jìn)行。一方面，收縮被認(rèn)為是混凝土的材料屬性。材料科學(xué)家認(rèn)為混凝土中混合物的組合物和化學(xué)添加劑對(duì)收縮變形起著重要的作用，忽略結(jié)構(gòu)性問題。另一方面，結(jié)構(gòu)的研究，認(rèn)為對(duì)結(jié)構(gòu)行為的收縮對(duì)整體收縮起關(guān)鍵的作用，主要摒棄了經(jīng)驗(yàn)公式中所涉及的簡(jiǎn)單開裂和變形分析中拉伸或彎曲應(yīng)力的影響。

1 混凝土的收縮

混凝土的收縮即隨著時(shí)間的延長(zhǎng)混凝土體積減小。收縮效應(yīng)可以看作是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，涉及幾個(gè)過(guò)程:水泥水化形成內(nèi)結(jié)構(gòu)，物理機(jī)械性能的變化，水分的運(yùn)輸。收縮變形的四個(gè)主要來(lái)源是塑性收縮，自體收縮，碳化收縮和干燥收縮。

1)塑性收縮即水分從混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)散失到周圍環(huán)境中。

2)自體收縮是混凝土的最早期收縮，水從毛細(xì)管孔損失和水化引起而不含水的環(huán)境損失。在較低的水灰比(W/C)或較高的水泥含量情況下，自體收縮增加明顯。自體收縮發(fā)生主要是由兩個(gè)因素引起的，第一是化學(xué)反應(yīng)，即在混凝土中內(nèi)部水發(fā)生水化反應(yīng)而體積減小，第二是自干燥(水的內(nèi)部消耗)作用，水分顯著減少(0.2 ＜W/C ＜0.42)。

3)碳化收縮是由各種水泥水化產(chǎn)物與環(huán)境中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的。

4)干燥收縮是由于水分在混凝土硬化過(guò)程中的損失，進(jìn)而導(dǎo)致了體積變化。為了使內(nèi)部與外界環(huán)境濕度達(dá)到平衡，所以內(nèi)部水分在毛細(xì)管壓力的作用下，從內(nèi)部流動(dòng)到外表面而導(dǎo)致干燥收縮。由于混凝土較薄的結(jié)構(gòu)(具有較高的表面積與體積比)中水的快速損耗，因此干燥收縮相比其他上述因素可能成為最顯著的因素。

一般情況下，干燥收縮和自體收縮在混凝土收縮中起著重要的作用，是兩個(gè)主要組成部分。雖然自體收縮在20世紀(jì)初進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，但是對(duì)于其對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響被忽略，被認(rèn)為只有在水灰比高的情況下才更加明顯。當(dāng)鋼筋在低水灰比的高強(qiáng)度混凝土(HSC)結(jié)構(gòu)應(yīng)用條件下，自收縮才開始引起了關(guān)注。對(duì)于普通強(qiáng)度混凝土，自收縮作用不太明顯，不必區(qū)分自體收縮和干燥收縮，可以認(rèn)為隨時(shí)間均勻收縮。在高強(qiáng)混凝土中，自體和干燥收縮應(yīng)加以區(qū)別，因?yàn)檫@些收縮不同的時(shí)間段將顯著不同。

有些學(xué)者指出影響收縮的最實(shí)質(zhì)的因素是水灰比。另外，收縮還取決于該混合物的比例，聚合性能，固化的方法，環(huán)境溫度和濕度條件。影響收縮的其他因素包括:

1)水泥的特性。在研磨過(guò)程中，加入到熟料中石膏的比例對(duì)混凝土收縮有關(guān)鍵作用。

2)粘土狀骨料將增加干燥收縮。

3)集料的種類，高吸水性的集料將增加變形收縮率。

4)干燥收縮率正比于集料的絕對(duì)體積。收縮率與單位水含量存在一定的關(guān)系。尺寸較小的集料，需要更多的水分，收縮率增加。

5)在混合過(guò)程中，混凝土溫度的提高將增加收縮率以確保水的需求的供應(yīng)。

6)有些化學(xué)外加劑如水緩凝劑可能會(huì)顯著提高干燥收縮。

電網(wǎng)信息化水平評(píng)價(jià)體系建設(shè)過(guò)程主要包括評(píng)價(jià)體系框架設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)體系指標(biāo)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)，最終研究制定一套切實(shí)可行的電網(wǎng)信息化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體原則如下：

集料的變形特性也對(duì)混凝土的干燥收縮影響顯著。已經(jīng)報(bào)道，如果增加集料的變形性能，收縮率會(huì)增加2.5倍。不同于干燥變形，自收縮的變形特性實(shí)際上不依賴于粗骨料，只要粗骨料體積不變，其種類對(duì)自收縮的影響非常小。

收縮引起的應(yīng)力可能是難以量化的，由于松弛效應(yīng)，不等于彈性應(yīng)力。雖然應(yīng)力松弛類似于蠕變，蠕變可以被看作在恒定負(fù)荷下隨時(shí)間變化的變形，而應(yīng)力松弛指恒定的變形條件下，應(yīng)力逐漸減小。

2 減小收縮對(duì)混凝土的變形影響

正如上述指出的，收縮的幅度取決于混凝土配合比和材料特性，固化的方法，環(huán)境溫度，濕度條件及構(gòu)件的幾何形狀?？藙谒拐J(rèn)為，若集料的彈性模量低、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高，將減小收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力。高彈性模量的集料將增加混凝土的彈性模量，從而減小干燥收縮變形。

Miller報(bào)道了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗裂性的建議，通過(guò)以下措施可降低收縮效應(yīng):

1)通過(guò)增加減少水泥的量，比如骨料粒徑。

2)使用緩凝劑(例如飛灰)，從而降低了需水量和水化溫度。

3)確保澆筑和混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

4)減小水與水泥之比。

5)添加收縮補(bǔ)償外加劑。

收縮引起的裂縫擴(kuò)展可以通過(guò)減小變形的結(jié)構(gòu)性限制得到控制。具體可以在設(shè)計(jì)階段通過(guò)減少結(jié)構(gòu)間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用飽和輕質(zhì)骨料替代部分砂進(jìn)而釋放更多的水和水泥水化，減少了內(nèi)部干燥。

羅素提供了一些做法可減少鋼筋混凝土橋梁的甲板開裂:

1)減少橫向桿尺寸和間距;

2)降低混凝土強(qiáng)度;

3)盡量減少預(yù)制混凝土表面蒸發(fā);

4)完成表面后立即應(yīng)用濕固化方法;

5)應(yīng)用濕固化后的固化化合物。

延長(zhǎng)固化時(shí)間可以降低滲透性，導(dǎo)致了水泥水化更充分，減少游離水含量和收縮。此外，在收縮開始時(shí)增加拉伸強(qiáng)度，提高抗裂性。其中提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的最好方法之一是將纖維作為添加劑。已經(jīng)證明，在混凝土中應(yīng)用纖維能夠降低收縮混凝土的變形。與普通混凝土相比，摻雜了1%纖維的高強(qiáng)混凝土其收縮率減少了10%［5］。研究還發(fā)現(xiàn)，收縮率的減少不僅依賴于強(qiáng)度而且還與纖維形狀有關(guān)。另外，摻雜0.5%纖維(按體積計(jì))可以降低90%裂縫寬度。纖維增強(qiáng)穩(wěn)定增長(zhǎng)的有效性隨著纖維含量從0.3%增加到1.0%，若超過(guò)一定限制，纖維的有效性降低［6，7］。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土收縮和蠕變對(duì)抗裂性和結(jié)構(gòu)變形有重要的影響。為了提高高強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)性能，在設(shè)計(jì)階段可注意以下幾個(gè)方面的問題:

1)混凝土配合比;2)集料的機(jī)械性能;3)固化的方法;4)環(huán)境溫度和濕度條件;5)結(jié)構(gòu)體的幾何形狀。

為了減輕高強(qiáng)混凝土中裂紋的發(fā)展，可以減少水泥含量或用膨脹的粘合劑代替它，使用具有較高的彈性模量的集料，在滿足和易性的要求情況下盡量減少水灰比。減少混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)約束和增加纖維的應(yīng)用，降低加強(qiáng)體的彈性模量，從而減小收縮引起的開裂。

［1］姜永東，鮮學(xué)福.巷道巖體蠕變斷裂失穩(wěn)區(qū)預(yù)測(cè)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(6)：906-910.

［2］黃炳香.溫度影響下北山花崗巖蠕變斷裂特性研究［J］.巖土力學(xué)，2006，24(S2)：203-206.

［3］楊挺青.含裂紋體蠕變斷裂理論及其應(yīng)用研究［J］.力學(xué)進(jìn)展，1999，29(2)：178-183.

［4］王正東.蠕變斷裂局部損傷方法的有限元模型［J］.材料工程，1998(4)：6-8.

［5］Gribniak V，Kaklauskas G，Bacinskas D，et al.Investigation of shrinkage of concrete mixtures used for bridge construction in Lithuania.Baltic J Road Bridge Eng，2011(6)：77-83.

［6］Beygi MHA，Kazemi MT，Nikbin IM，et al.The effect of water to cement ratio on fracture parameters and brittleness of self-compacting concrete.Mater Des，2013(50)：267-276.

［7］Gribniak V，Kaklauskas G，Kwan AKH，et al.Deriving stressstrain relationships for steel fibre concrete in tension from tests of beams with ordinary reinforcement.Eng Struct，2012(42)：387-395.