鋼筋混凝土早齡期約束收縮試驗研究

侯景鵬，史　巍，袁　勇

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林　132012；2.同濟大學土木工程學院，上?！?00092)

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鋼筋混凝土早齡期約束收縮試驗研究

侯景鵬1，史巍1，袁勇2

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林132012；2.同濟大學土木工程學院，上海200092)

針對現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)早期變形開裂問題，設(shè)計了適用于軸向配筋試件的剛性框架端部約束收縮試驗裝置，進行不同配筋率和不同鋼筋布置方式下C30混凝土干燥約束收縮試驗，并以素混凝土試件和配筋試件端部自由收縮試驗作為對比。測試配筋試件和素混凝土試件收縮變形、約束荷載、內(nèi)部相對濕度隨齡期的發(fā)展變化。結(jié)果表明：端部自由情況下，配筋試件干燥收縮小于素混凝土試件，約束率隨配筋率增加而增大；端部約束情況下，配筋試件約束荷載遠小于素混凝土試件，僅為素混凝土試件的1/8～1/17；干燥收縮過程中混凝土內(nèi)部相對濕度呈“3階段”規(guī)律變化。研究結(jié)果為混凝土早期變形開裂及防裂措施的研究提供參考。

鋼筋混凝土； 早齡期； 干燥收縮； 約束； 相對濕度

1　引　言

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)早齡期開裂是工程中存在的普遍現(xiàn)象。裂縫導致結(jié)構(gòu)滲漏、鋼筋銹蝕、加速老化，對建筑物正常使用、承載能力和耐久性都產(chǎn)生不利影響。

由于混凝土早齡期溫度變化、收縮等體積改變引起的變形裂縫占全部裂縫80%以上[1,2]。變形裂縫機理復(fù)雜、影響因素多，加之早齡期水泥水化作用未充分進行，強度、剛度未充分發(fā)展，結(jié)構(gòu)處于相對“柔弱”階段，危害性較大。

國內(nèi)外的研究側(cè)重于素混凝土材料自由收縮，實際工程中混凝土通常是配筋的，混凝土收縮總會受到鋼筋、模板、相鄰構(gòu)件、地基基礎(chǔ)的約束限制[3-5]。進行配筋混凝土早期約束收縮試驗研究，對于認識混凝土變形開裂機理，并在一定程度上預(yù)測并控制早期開裂，具有重要意義。

2　試　驗

2.1試驗原理

借鑒國外TSTM(Thermalstresstestmachine)試驗機[6]，針對軸向配筋試件，設(shè)計專門的剛性框架端部約束收縮試驗裝置，借助框架剛度約束混凝土收縮。測試不同配筋率下試件的收縮變形、約束荷載、混凝土內(nèi)部相對濕度等隨齡期的發(fā)展變化。

為對比分析，在約束收縮試驗同時，進行素混凝土和配筋試件在無端部約束情況下的自由收縮試驗，兩個對比的自由收縮試件與約束收縮試件的有效尺寸相同，均為100mm×100mm×1000mm。每個自由收縮試件兩端安設(shè)高精度LVDT(Linearvoltagedisplacementtransducer)測量收縮變形。鋼筋上貼應(yīng)變片測量鋼筋應(yīng)力?；炷羶?nèi)部埋設(shè)溫濕度一體數(shù)字傳感器測量干燥過程混凝土相對濕度的變化。剛性框架上連接荷載傳感器測量約束荷載。每組試驗3個試件：1個端部約束收縮試件，另2個是配筋和素混凝土的自由收縮試件，見示意圖1。

圖1　約束收縮試驗示意圖Fig.1　Schematic diagram of the restrained shrinkage test

2.2約束框架剛度設(shè)計

框架剛度是約束收縮試驗中考慮的首要問題。若截面太小，框架自身變形大，達不到約束目的；若截面過大，會產(chǎn)生一系列制作、運輸、安裝、摩擦等難題。

約束框架的縱桿和橫梁采用Q235工字鋼25b型鋼，8.8級精致A級高強螺栓連接，局部焊接加強肋板，以增大剛度。

框架變形包括縱桿軸向變形、橫梁彎曲變形和螺栓連接變形，組成串連系統(tǒng)，系統(tǒng)總剛度ks為：

(1)

其中ks1、ks2、ks3分別為縱桿軸向變形剛度、橫梁彎曲變形剛度、螺栓連接變形剛度。

對于C30混凝土，經(jīng)計算框架對收縮的約束程度達95%以上，可近似認為完全約束[7]。

2.3試驗材料

C30混凝土配合比見表1，強度等級42.5的小野田普通硅酸鹽水泥(C)，河砂(S)，碎石(G)，粒徑范圍為5～30mm，自來水(W)。設(shè)計水灰比0.58，強制式攪拌機攪拌，塌落度135mm，150mm×150mm×150mm立方體試件28d抗壓強度37.33MPa。

表1　C30混凝土配合比

2.4試驗方案

考慮4種不同的配筋率分別為：0(不配筋)、1.1%、2.0%、4.5%；2種鋼筋布置方式：4根鋼筋分布和1跟鋼筋集中布置。試驗方案見表2。

表2　混凝土約束收縮試驗方案表

*C30混凝土等級；0、1、2、3代表配筋率為0、1.1%、2.0%、4.5%；d分布配筋，c集中配筋。

2.5試驗過程

干燥條件為溫度(20±3) ℃、環(huán)境相對濕度RH40%±5%，試驗在密封的恒溫恒濕實驗室中進行，溫度和環(huán)境濕度分別由空調(diào)和抽濕機控制。

圖2　混凝土約束收縮試驗圖片F(xiàn)ig.2　Photo of concrete restrained shrinkage test

約束收縮試件直接在剛性框架的模板上澆注，兩個自由收縮試件在自制鋼模內(nèi)澆注，澆注后不再挪動，避免早期強度較差情況下對試件造成干擾和破壞。實驗如圖2所示。

混凝土收縮試驗中，如何減小試件底面和支撐底板的摩擦非常重要，摩擦過大限制自由收縮并使約束荷載測量不準確。在試件和底板之間放置0.5mm厚的聚四氟乙烯板并涂抹油膏做為減摩層；在連接荷載傳感器和試件的金屬夾具與底板之間鋪一層碳粉，靠碳粉的潤滑作用減小金屬之間摩擦，效果良好。

預(yù)先在模板內(nèi)安放綁扎好的鋼筋網(wǎng)以及應(yīng)變片引線，混凝土手工振搗，避免鋼筋變位及損壞應(yīng)變片和引線。試件澆注后20h拆模并開始連續(xù)自動測量，每組試驗進行至齡期30～60d左右，視收縮發(fā)展情況而定，收縮穩(wěn)定時停止。

3　結(jié)果與討論

3.1收縮應(yīng)變

試件兩端LVDT測得的變形總和除以試件長度，即為干燥收縮應(yīng)變。

C30素混凝土28d齡期干燥收縮應(yīng)變在436～554μ之間，平均值511μ；1、3、7、14d齡期收縮分別為28d收縮的15.7%、24.4%、48.0%、72.5%。

混凝土收縮機制復(fù)雜，目前達成共識的是認為混凝土收縮源于內(nèi)部水分遷移和物理化學變化。通常認為，混凝土收縮很難用單一機制解釋清楚，而是多種原因重疊交錯造成的，不同情況下不同機制起主導作用，有如下幾種觀點：毛細管張力理論、拆開壓力理論、表面自由能理論、層間水散失理論等。鋼筋的約束使配筋試件收縮比素混凝土低，約束效應(yīng)用“約束率”衡量：

(2)

圖3，4為收縮應(yīng)變隨齡期的變化，經(jīng)計算知，約束率在混凝土澆注后1～7d逐漸增加，這是由于鋼筋和混凝土粘結(jié)增強的結(jié)果，7d后趨于穩(wěn)定，4φ8配筋試件約束率約為18%。

圖3　試件C30-2d (4φ8)干燥收縮Fig.3　Drying shrinkage of C30-2d (4φ8)

圖4　試件C30-3c (1φ24)干燥收縮Fig.4　Drying shrinkage of C30-3c (1φ24)

由于試驗組數(shù)限制以及混凝土試驗固有的離散性，未能得到約束率和配筋率之間的定量關(guān)系。但總的趨勢是：配筋率越高約束越強，相同配筋率下分布配筋比集中配筋約束效果好，這是由于分布配筋增加了鋼筋和混凝土接觸面積，相互咬合和握裹作用增強。

3.2約束荷載

圖5　 素混凝土試件C30-0約束荷載Fig.5　Restrained load of plain concrete C30-0

圖6　 配筋試件C30-2d (4φ8)約束荷載Fig.6　Restrained load of C30-2d (4φ8)

圖7　 約束荷載和干燥收縮應(yīng)變C30-0Fig.7　Restrained load versus drying shrinkage C30-0

圖5，6為約束荷載隨齡期的變化：約束荷載隨齡期逐漸增大；素混凝土試件約束荷載最大，齡期35d時達最大值0.6t(ton)，相應(yīng)混凝土拉應(yīng)力為0.6N/mm2；此后約束荷載略有降低，可能由于混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋或徐變發(fā)展導致約束釋放所致，試件表面未現(xiàn)可見裂縫；配筋構(gòu)件約束荷載遠小于素混凝土試件，不同配筋率下為0.04～0.07t之間，僅為素混凝土試件的1/8～1/17，且隨配筋率增加而降低。

圖7為素混凝土試件約束荷載隨干燥收縮應(yīng)變的變化，約束荷載隨收縮應(yīng)變線性增加。

3.3混凝土內(nèi)部相對濕度

圖8，9為干燥收縮過程中混凝土內(nèi)部相對濕度隨齡期變化，經(jīng)歷3個階段：第1階段，從澆注開始至2～3d齡期內(nèi)，相對濕度幾乎不隨齡期變化，濕度值在RH95%以上，曲線呈平臺，這是由于早期濕度測孔內(nèi)含有較多游離水導致的；第2階段，2～3d至35d齡期，相對濕度隨齡期線性下降，該階段是濕度變化和收縮發(fā)展的主要時段，且相對濕度變化和干燥收縮應(yīng)變之間具有明顯的線性相關(guān)性；第3階段，35d齡期后，相對濕度變化趨于平緩并達到穩(wěn)定，中心點相對濕度為RH80%。距試件表面15mm處，由于受外界干燥環(huán)境影響大，相對濕度值較中心點低RH3%～5%。

圖8　 混凝土內(nèi)部相對濕度C30-0Fig.8　Relative humidity of concrete C30-0

圖9　 混凝土內(nèi)部相對濕度C30-3cFig.9　Relative humidity of concrete C30-3c

4　結(jié)　論

(1)針對現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)早期變形開裂問題，設(shè)計了適用于軸向配筋試件的剛性框架端部約束收縮試驗裝置，利用該裝置進行了不同配筋率和不同鋼筋布置方式下C30混凝土干燥約束收縮試驗;

(2)在溫度(20±3) ℃、環(huán)境相對濕度RH40%±5%的干燥條件下，C30混凝土28d齡期平均干燥收縮應(yīng)變?yōu)?11μ，40d齡期收縮應(yīng)變600μ，1、3、7、14d收縮分別為28d收縮值的15.7%、24.4%、48.0%、72.5%;

(3)鋼筋限制混凝土的干燥收縮，配筋試件收縮小于素混凝土試件，約束率隨配筋率增加而增大；4φ8配筋試件，穩(wěn)定后約束率約為18%;

(4)約束荷載隨齡期和收縮發(fā)展而增大，素混凝土試件約束荷載最大， 35d齡期達0.6t；配筋試件約束荷載遠小于素混凝土試件，僅為素混凝土試件的1/8～1/17;

(5)干燥收縮過程中混凝土內(nèi)部相對濕度呈“3階段”規(guī)律變化。2～35d齡期混凝土內(nèi)部相對濕度和干燥收縮之間具有線性相關(guān)性。

[1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:1-8.

[2] 陸斌.工程施工中混凝土裂縫的成因與控制[J].硅酸鹽通報,2013,32(1):85-88．

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[4]NewlandsMD,PaineKA.Alineartestmethodfordeterminingearly-ageshrinkageofconcrete[J].Magazine of Concrete Research,2008,60(10):747-757．

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[6]SuleM,BreugelKV.Crackingbehaviorofreinforcedconcretesubjectedtoearlyageshrinkage[J].Materials and Structures,2005,34(7):284-292．

[7] 侯景鵬.鋼筋混凝土早齡期約束收縮性能研究[D].上海:同濟大學博士學位論文,2006.

RestrainedShrinkageExperimentsofReinforcedConcreteatEarlyAge

HOU Jing-peng1,SHI Wei1,YUAN Yong2

(1.SchoolofArchitecturalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.SchoolofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Aspecialrigidframedevicewasdevelopedthatcanbeusedfortestinguniaxialrestraineddryingshrinkageofreinforcedconcrete.RestrainedshrinkagetestseriesofC30concretewasperformedatdifferentreinforcementratioandconfigurations,inparallelwiththefreeshrinkagetestforcomparison.Themeasuredvaluesarethefreeshrinkage,therestraintloads,andtherelativehumidityinsideofconcrete.Theresultsshowthatfortheend-freecondition,theshrinkageofreinforcedconcreteissmallerthanplainconcrete,therestraintrateincreasingalongwiththereinforcementratio;andthatfortheend-restrainedcondition,therestrainedloadinreinforcedconcreteismuchsmallerthaninplainconcreteduetotheeffectofreinforcement,andisonly1/8-1/17ofplainconcrete，andthattheinternalrelativehumiditypresents"3-stage"curve.Theseresultsaregoodreferencesforanalyzingthedeformation-causedcrackingandforanti-crackingmeasuresinconcretestructures.

reinforcedconcrete;earlyage;dryingshrinkage;restrained;relativehumidity

吉林省自然科學基金(20130101049JC)；吉林市杰出青年基金(201262506)

侯景鵬(1973-)，男，工學博士.主要從事混凝土結(jié)構(gòu)與材料性能方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0292-05