高摻量粉煤灰混凝土的早齡期徐變及應(yīng)力松弛研究

趙志方，林王成

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

?

高摻量粉煤灰混凝土的早齡期徐變及應(yīng)力松弛研究

趙志方，林王成

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

摘要：介紹了高摻量粉煤灰混凝土的進展及早齡期混凝土徐變的概念和機理，以及受拉徐變的測定方法；同時給出了大摻量粉煤灰混凝土受拉徐變的研究案列，還對應(yīng)力松弛的國內(nèi)外研究進展作了評述，并展望綠色高性能高摻量粉煤灰混凝土的徐變和應(yīng)力松弛研究。

關(guān)鍵詞：高摻量粉煤灰混凝土；溫度應(yīng)力試驗機；徐變；應(yīng)力松弛

1高摻量粉煤灰混凝土

溫室效應(yīng)已成為全世界備受關(guān)注的環(huán)境問題。為了減少大量溫室氣體排放，并能充分利用大量工業(yè)副產(chǎn)品如粉煤灰和礦渣，從而節(jié)約土地資源和改善環(huán)境，使用礦物摻和料來代替大量的水泥熟料是理想的方法之一。在混凝土中合理應(yīng)用礦物摻和料不僅能提高混凝土早齡期抗裂性，還能提高結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性[1-2]。

高摻量粉煤灰混凝土(HVFC)較于普通摻量粉煤灰混凝土，其水膠比更小且粉體含量更大，使其水化硬化過程和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Malhotra[2]將粉煤灰占膠凝材料總質(zhì)量50%及以上的混凝土定義為HVFC。為了節(jié)能環(huán)保和提高大壩混凝土的耐久性而探索進一步提高粉煤灰在水工混凝土中的摻量，近年來中國葛洲壩集團試驗檢測有限公司和浙江工業(yè)大學(xué)依托我國新近建設(shè)的高拱壩，通過數(shù)年系統(tǒng)試驗研究，降低用水量和水膠比，研發(fā)出粉煤灰摻量超過70%的超高摻量粉煤灰水工大體積混凝土[3]。

2徐變

2.1徐變概念和機理

混凝土在受約束情況下，決定其早齡期抗裂性能的因素不僅與其幾何形狀、溫度條件和約束程度有關(guān)，還取決于其早齡期強度、彈模和受拉徐變等早齡期物理力學(xué)性能的發(fā)展。早齡期混凝土在受約束條件下，因徐變而緩解由體積變化造成的拉應(yīng)力達60%以上，受拉徐變的研究對客觀評價混凝土早齡期開裂敏感性具有重要意義[4]。

混凝土結(jié)構(gòu)在持續(xù)荷載作用下的變形隨時間不斷增加的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變?；炷恋男熳冇欣斜?，一方面它會使結(jié)構(gòu)的變形增大，在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中還會使預(yù)應(yīng)力損失，這是它不利的地方。另一方面徐變能使約束拉應(yīng)力降低，也能使收縮裂縫減小，還可使鋼筋混凝土的應(yīng)力重分布來消除局部的應(yīng)力集中，這些都是有利的。從1907年Hatt第一個發(fā)現(xiàn)混凝土的徐變到現(xiàn)在已經(jīng)一個多世紀(jì)，許多學(xué)者研究徐變?nèi)〉昧溯^多成果，其中對硬化混凝土長期徐變性能做了大量且深入的研究，但很少有對混凝土的早齡期徐變性質(zhì)進行研究。然而，為了客觀評價混凝土的早齡期開裂敏感性就亟需研究混凝土的早齡期徐變性能。

在1934年，C.G.Lynam[5]發(fā)表了關(guān)于混凝土徐變滲流理論的文章，他認(rèn)為由于膠凝粒子表面可吸附水且在荷載作用下可使這些粒子的層間水進行流動引起徐變。F.G.Thomas[5]又在1937年提出了混凝土的黏性流動理論：將混凝土分為兩部分，一部分是惰性骨料，該部分不會因荷載作用產(chǎn)生流動；另一部分是水泥漿體，它會因荷載作用而進行黏性流動。骨料會在混凝土受到荷載作用時阻礙水泥漿體的流動，從而承受更高的應(yīng)力。因此，水泥漿體所受的應(yīng)力會隨時間的增長而逐漸減小，骨料就承受了由水泥漿體轉(zhuǎn)移而來的應(yīng)力，使徐變速率慢慢降低。

徐變的機理很復(fù)雜[6]，這與水化水泥漿的黏性流動、從凝膠孔到宏觀孔的水滲流、因硬化水泥漿和骨料的晶體滑移和局部斷裂引起的塑性變形和內(nèi)部微裂等因素，在硬化水泥漿中引起滑移等這樣的微結(jié)構(gòu)性能有關(guān)。

各國學(xué)者在研究徐變機理的同時，也致力于對徐變進行數(shù)值模擬。徐變周期較長且復(fù)雜，各國學(xué)者提出了幾種不同的徐變估算方法。1970年歐洲混凝土委員會和國際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合會(CEB/FIP)建議采用公式估算徐變[7]。CEB/FIP在此基礎(chǔ)上又于1978年將徐變分為可恢復(fù)徐變(遲后彈性變形)和不可恢復(fù)徐變(塑性流動)兩部分[7]，并給出28 d的徐變模型。1978年，Bazant和Panula又提出了BP完全版[8]和簡化版[9]模型。美國混凝土協(xié)會(ACI)提出了模型較為簡單的雙曲-冪函數(shù)式[10]。我國的朱伯芳根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)的徐變試驗資料，又得出關(guān)于水工混凝土徐變度的經(jīng)驗公式[11-12]，并得到驗證。

早齡期徐變尤其是早齡期受拉徐變對分析由溫度應(yīng)力和自身收縮引起的開裂具有重要作用。Neville將徐變定義為基本徐變和干縮徐變兩類[5]。在沒有水分流失的環(huán)境中且隨時間變化產(chǎn)生的變形稱為基本徐變。在結(jié)構(gòu)混凝土受干燥作用，又超過基本徐變的額外徐變就是干縮徐變。干縮徐變又稱為Pickett效應(yīng)。因此總徐變應(yīng)是基本徐變和干縮徐變之和[5]。

2.2早齡期受拉徐變的測定

測量早齡期受拉徐變難度較大，現(xiàn)今大部分研究采用以下兩種方法。一種是在混凝土試件上用裝置施加恒定的荷載[13]。該方法先對混凝土試件施加由混凝土早期抗拉強度確定的恒定荷載，但鑒于早期混凝土抗拉強度較低的原因，這個裝置比較適用測定3 d后的受拉徐變。第二種方法就是單軸約束試驗裝置，該方法能夠通過控制約束程度和溫度變化測定不同條件下的徐變變形[14]和約束應(yīng)力。早期受壓徐變在混凝土因溫度變化而變形時產(chǎn)生壓應(yīng)力時測定，早期受拉徐變可以當(dāng)混凝土受約束時發(fā)生自生收縮和干燥收縮出現(xiàn)拉應(yīng)力時測定。

單軸約束的溫度應(yīng)力試驗裝置最早由Springenschmid研發(fā)，Springenschmid最初也探索了溫度應(yīng)力對混凝土早齡期抗裂性的影響[15]，但Springenschmid采用的還是不能調(diào)控約束程度的開裂試驗架。Kovler[14]于1994年研發(fā)了用于水泥漿常溫試驗的單軸約束設(shè)備，但沒有控溫裝置，不能做變溫溫度歷程養(yǎng)護下的早齡期抗裂性研究。我國第一臺TSTM由覃維祖教授及其研究團隊于2002年研發(fā)并對混凝土的早齡期抗裂性進行了大量研究[16-18]。

許多學(xué)者曾采用TSTM對早期拉伸徐變進行了較多研究。其中Altoubat[19]就專門研究了混凝土早期收縮與徐變的關(guān)系。Altoubat根據(jù)Bazant[9]的徐變理論，將在干燥、覆蓋和潮濕條件下養(yǎng)護的混凝土的收縮行為進行比較，并把徐變、基本徐變和干縮徐變與混凝土的早期干燥收縮分離開，建立混凝土早期的徐變模型，該模型能結(jié)合有限元方法對混凝土結(jié)構(gòu)的早期收縮應(yīng)力進行計算。但是，Altoubat的研究并沒有考慮到對早齡期大體積混凝土更為重要的約束條件下的自收縮變形和溫度變形共同作用下的徐變與應(yīng)力松弛，因此不完善。Lennart ?stergaard等[20]根據(jù)對早齡期混凝土在不變荷載下的受拉徐變研究，得出了荷載和徐變變形的關(guān)系。Gutsch[21]等研究后表明了不同的觀點，早齡期混凝土在受到荷載作用后，表現(xiàn)出明顯的黏彈性行為，但是初始應(yīng)力與強度的比和徐變的關(guān)系不大。Umehara等[22]、Hauggaard[23]和Atrushi[24]還對溫度如何影響早期受拉徐變進行了研究，發(fā)現(xiàn)早期受拉徐變會因溫度升高而提高。

2.3大摻量粉煤灰混凝土早齡期受拉徐變

李飛對大摻量粉煤灰混凝土的徐變進行研究，所測得普通混凝土和大摻量粉煤灰混凝土徐變見圖1和圖2[18]，得出如下結(jié)論：在約束條件下，由于粉煤灰減小自收縮及自身約束應(yīng)力，大摻量粉煤灰混凝土的早期徐變能力高于普通混凝土，有更高的松弛能力。

圖1　普通混凝土徐變[18]

圖2　大摻量粉煤灰混凝土徐變[18]

3應(yīng)力松弛

混凝土呈現(xiàn)黏彈性和黏塑性的性能。徐變和應(yīng)力松弛在實際結(jié)構(gòu)中同時發(fā)生。從本質(zhì)上講，徐變和應(yīng)力松弛是黏彈性行為在兩個不同方面的表現(xiàn)[5]。在混凝土構(gòu)件受載時，混凝土變形具有明顯的延時性。持續(xù)荷載作用下，除瞬時的彈性變形，徐變逐步發(fā)展。要保持混凝土應(yīng)變?yōu)槌?shù)，就須減小施加的荷載。減小的部分稱為松弛應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛?；炷林械膽?yīng)力會因徐變的增加而松弛。通過對應(yīng)力松弛的研究，可以提高對混凝土早期黏彈性行為的認(rèn)識。

應(yīng)力松弛的研究相對徐變要少很多，且試驗存在復(fù)雜不易控制等缺點。常規(guī)的方法一般用于測試硬化混凝土，先測定混凝土徐變，之后再換算得到需要的應(yīng)力松弛系數(shù)。在許多的方法之中，最為實用的方法為徐變率法。該方法需要一條徐變齡期曲線就可以將應(yīng)力松弛發(fā)展的情況進行預(yù)測，但是這種方法存在其片面性，特別是無法正確估算后期混凝土應(yīng)力松弛能力。

Brooks[25]等研究表明加載14 d的輕骨料混凝土，在恒定的應(yīng)變條件下比在恒定應(yīng)力條件下的應(yīng)力松弛發(fā)展要快，同時也建立了關(guān)于徐變系數(shù)和應(yīng)力松弛系數(shù)之間的關(guān)系。Hossain[26]等采用環(huán)形試驗對砂漿進行了研究。研究得到了砂漿的自由收縮，環(huán)的變形和彈性模量，再通過計算彈性應(yīng)力，并與約束應(yīng)力進行比較，反映出材料應(yīng)力松弛的能力。

張濤[17]基于溫度應(yīng)力試驗機的半絕熱條件模式，對由徐變引起的應(yīng)力松弛的松弛系數(shù)進行了測定，通過對比不同配比的混凝土，得出在全約束條件下，早期松弛系數(shù)約為0.5～0.8，即能松弛20%～50%的約束拉應(yīng)力，其所做的早齡期松弛系數(shù)見圖3[24]。且不同的混凝土也有明顯的區(qū)別。但并沒有涉及高摻量粉煤灰混凝土的測定。

圖3　混凝土的應(yīng)力松弛系數(shù)[17]

李飛[18]采用溫度應(yīng)力試驗機對不同水灰比的混凝土在100%約束條件下進行了研究，指出混凝土的黏彈性行為對其早齡期約束應(yīng)力具有松弛作用，可改善混凝土的抗裂能力。且使用張濤的早齡期徐變數(shù)據(jù)建立了早齡期徐變的流變模型，來對早齡期的應(yīng)力松弛進行模擬，并建立了混凝土黏彈性指標(biāo)與早齡期徐變松弛系數(shù)之間的關(guān)系，其所作不同水膠比的混凝土的平均松弛系數(shù)見圖4[25]。

圖4　混凝土平均應(yīng)力松弛系數(shù)[18]

4結(jié)語

高摻量粉煤灰混凝土作為綠色環(huán)?；炷?，具有可持續(xù)發(fā)展性。其早齡期各項物理力學(xué)性能測試存在一定的困難，特別是拉應(yīng)力狀態(tài)下的徐變與應(yīng)力松弛，國內(nèi)外的研究非常稀少。為更好地了解高摻量粉煤灰混凝土早齡期的開裂敏感性和其在結(jié)構(gòu)中的耐久性，其早期徐變和應(yīng)力松弛的分析研究必不可少且需深入。

參 考 文 獻

[1]吳中偉.高性能混凝土及其礦物細(xì)摻料[J].建筑技術(shù),1999,30(3):160-163.

[2]American Concrete Institute. Report on high-volume fly ash concrete for structural applications[R].ACI232.3R-14,2014.

[3]Zhao Z F, Mao K K, Ji SW, et al. Adiabatic temperature rise model of ultra-high-volume fly ash conventional dam concrete and FEM simulation of the temperature history curve[C]// Vienna, Austria: Proceedings of the 10th International Conference on Mechanics and Physics of Creep, Shrinkage, and Durability of Concrete and Concrete Structures. ASCE. 2015:1410-1419.

[4]楊楊,許四法,葉德艷,等.早齡期高強混凝土拉伸徐變特性[J].硅酸鹽學(xué)報,2009,36(7):1124-1129.

[5]Neville A M, Dilger W H, Brooks J J. Creep of plain and structural concrete[M]. Construction Press, London and New York, 1983.

[6]Bazant Z P, Ferretti D. Asymptotic temporal and spatial scaling of coupled creep, aging, diffusion and fracture processes[C]// Creep, Shrinkage, and Durability Mechanics of Concrete and Other Quasi-Brittle Materials, Proceedings of the Sixth International Conference, Elsevier, Cambridge, MA.2001:121-145.

[7]CEB-FIP. Model Code for Concrete Structure Comite Euro-International du Beton[M]. Paris:[s.n.],1978.

[8]Bazant Z P, Panula L. Practical prediction of time dependent deformations of concrete[J].Materials and Structures,1978,11(65):307-328.

[9]Bazant Z P, Panula L. Simplified prediction of concrete creep and shrinkage from strength and mix[J]. Structural Engineering Report,1978(78-10):6405.

[10]209 ACI. PREDICTION OF CREEP, SHRINKAGE, AND TEMPERATURE EFFECTS IN CONCRETE STRUCTURES[S]. Aci Special Publication, 1992.

[11]朱伯芳.關(guān)于混凝土徐變理論的幾個問題[J].水利學(xué)報,1982(3):35-40.

[12]朱伯芳.混凝土的彈性模數(shù)、徐變度與應(yīng)力松弛系數(shù)[J].水利學(xué)報,1985(9):54-61.

[13]Pane I, Hansen W. Early age creep and stress relaxation of concrete containing blended cements[J]. Materials & Structures, 2002,35(2):92-96.

[14]Kovler K. Testing system for determining the mechanical behavior of early age concrete under restrained and free uniaxial shrinkage[J]. Materials and structures, 1994,27(170):324-330.

[15]Springenschmid R, Breitenbücher R, Mangold M. Development of the cracking frame and the temperature-stress testing machine[C]//RILEM Proceedings. Chapman & Hall,1995:137-137.

[16]林志海，覃維祖，張士海，等．混凝土早期溫度應(yīng)力發(fā)展與抗裂性能評價[J].建筑技術(shù),2003,34(1):34-35.

[17]張濤.混凝土早期開裂敏感性的影響因素研究[D].北京:清華大學(xué),2006.

[18]李飛.混凝土早期約束應(yīng)力發(fā)展與松弛過程研究[D].北京:清華大學(xué),2009.

[19]Altoubat S A, David A Lange. Tensile basic creep: Measurements and behavior at early Age[J]. ACI Mater J, 2001,98(5):386-393.

[20]Lennart ?stergaard, David A Lange,et al. Tensile basic creep of early-age concrete under constant load[J]. Cem Concr,2001,31:1895-1899.

[21]Gutsch A W. Properties of early age concrete-Experiments and modeling[J]. Materials and Structures, 2002,35:76-79.

[22]Umehara H, Uehara T, Iisaka T, et al. Effect of creep in concrete at early ages on thermal stress[C]//RILEM Proceedings. Chapman & Hall,1995:76-79.

[23]Hauggaard A B, Damkilde L, Hansen P F. Transitional thermal creep of early age concrete[J]. Eng Mech,1999,125(4):458-465.

[24]Atrushi D S. Tensile and compressive creep of early age concrete: Testing and Modelling[D]. The Norwegian University of Science and Technology, 2003.

[25]Brooks J J, Neville A M. Relaxation of stress in concrete and Its relation to creep[J]. ACI Mater J, 1976,73(4):227-232.

[26]Hossain A B, Weiss J. Assessing residual stress development and stress relaxation in restrained concrete ring specimens[J]. Cement and Concrete Composites, 2004,26(5):531-540.

收稿日期：2016-03-08

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51479178)；浙江省自然科學(xué)基金(LY14E090006)

作者簡介：趙志方(1970—)，女，河南洛陽人，教授，研究方向為混凝土材料與結(jié)構(gòu)。

中圖分類號：TU528

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1008-3707(2016)07-0044-04

Study on the Slowly Change at the Early Age and StressRelaxation for the Concrete with High Flyash Content

ZHAO Zhifang, LIN Wangcheng