基于溫度應(yīng)力試驗(yàn)的大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)力松弛的研究

趙志方,蔡金濤

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

1 研究背景

為了研制綠色高性能的混凝土,使混凝土工業(yè)能走可持續(xù)發(fā)展的道路,探究摻量超過50%的粉煤灰混凝土就有了重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。研究高性能的粉煤灰混凝土,提高粉煤灰利用水平,不僅可以大大減少粉煤灰對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來的不利影響,還可能提高其在不同環(huán)境不同條件使用下的性能表現(xiàn),改善其抗裂性,延長(zhǎng)混凝土使用壽命,從而使其全壽命周期的綜合成本降低,產(chǎn)生巨大的環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3]。相對(duì)于普通混凝土,高摻量粉煤灰混凝土能大量減少混凝土中水泥的用量,使混凝土的溫升降低,同時(shí)使內(nèi)部水化反應(yīng)的速率降低,這有利于混凝土內(nèi)部的溫度控制,能夠很好地防止大體積混凝土早期的開裂。但是要想準(zhǔn)確科學(xué)地評(píng)價(jià)混凝土的開裂敏感性,必須要考慮混凝土應(yīng)力松弛的作用。混凝土在持續(xù)荷載作用下,除了初始瞬時(shí)的彈性應(yīng)變,徐變也會(huì)隨著時(shí)間而逐步發(fā)展,為保持應(yīng)變?yōu)槌?shù),就須減小施加的荷載,減小的這部分荷載就是松弛掉的應(yīng)力,這個(gè)現(xiàn)象就是應(yīng)力松弛。

相關(guān)研究表明,一般情況下,應(yīng)力松弛能松弛掉構(gòu)件60%以上的應(yīng)力,說明應(yīng)力松弛能在很大程度上減小約束拉應(yīng)力,大大提高了混凝土構(gòu)件的抗開裂能力[4-5]。實(shí)驗(yàn)室里面常規(guī)測(cè)定應(yīng)力松弛的方法是通過對(duì)混凝土施加恒定變形,接著用儀器測(cè)得隨試驗(yàn)齡期變化的應(yīng)力,然后與初始應(yīng)力的比值來反映其應(yīng)力松弛；但是，對(duì)于約束混凝土傳統(tǒng)的方法測(cè)定應(yīng)力松弛是不科學(xué)、不準(zhǔn)確的,它不能很好地反映約束構(gòu)件的受力狀態(tài)。首先,一般受約束的混凝土的初始應(yīng)力為零,直到混凝土構(gòu)件收縮變形受到約束才產(chǎn)生約束拉應(yīng)力,并且隨著齡期的增大發(fā)生應(yīng)力松弛,約束應(yīng)力被削弱；其次,約束混凝土早期變形和力學(xué)性能變化很快,用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法來測(cè)混凝土的應(yīng)力松弛誤差很大。因此,本次試驗(yàn)采用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)( Temperature-Stress Testing Machine,簡(jiǎn)稱TSTM)對(duì)應(yīng)力松弛展開研究,因?yàn)門STM能夠直接準(zhǔn)確地測(cè)定混凝土受約束而產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力[6]。

2 早期應(yīng)力松弛的計(jì)算方法

本文采用的溫度應(yīng)力試驗(yàn)可以直接準(zhǔn)確地測(cè)出受松弛作用后的應(yīng)力,測(cè)得的約束應(yīng)力就是松弛作用的應(yīng)力σr(t)。如若不考慮松弛作用,那么t時(shí)刻(t>t0)的計(jì)算彈性應(yīng)力為σe(t)=E(t)·εr(t),其中εr(t)是約束收縮,即自由試件的變形,由溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)直接測(cè)出,E(t)是彈性模量,見圖1。

圖1 早期應(yīng)力松弛示意圖

基于圖1定義應(yīng)力松弛度ζ(t)來反映混凝土應(yīng)力松弛的能力,將計(jì)算所得彈性應(yīng)力與實(shí)測(cè)約束應(yīng)力的差值與彈性應(yīng)力做比值計(jì)算即可以得到應(yīng)力松弛度。

(1)

式(1)中：ζ(t)為應(yīng)力松弛度；

σe(t)為計(jì)算彈性應(yīng)力;

σr(t)為實(shí)測(cè)約束應(yīng)力。

為了估算混凝土的彈性模量,本文引入Kanstad[7]改良彈性模量發(fā)展模型,此模型不僅適用于普通混凝土,也適用于粉煤灰混凝土。Kanstad改良彈性模量發(fā)展模型如下。

(2)

式(2)中：t0為初凝時(shí)間；

te為等效齡期；

Ect,28為28 d的拉伸彈性模量；

nE為表征拉伸彈性模量發(fā)展的系數(shù)；

S為常數(shù),對(duì)于快硬高強(qiáng)水泥取0.20,普通水泥取0.25。

nE的值在CEB-FIP 1990模型匯編中一般取0.5,可經(jīng)過Kanstad分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況中取值應(yīng)在0.3～0.4之間,基于本次試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,近似取nE為0.4。對(duì)于公式中常數(shù)S,普通摻量粉煤灰混凝土取0.28,大摻量粉煤灰混凝土取0.38。普通摻量粉煤灰混凝土和大摻量粉煤灰混凝土的初凝時(shí)間根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得出,分別為8.3 h和28.6 h。兩者28 d的彈性模量經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)測(cè)得,分別為23.0 GPa和27.8 GPa。

3 溫度應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)定早期應(yīng)力松弛

根據(jù)已用于某雙曲拱壩施工的35%摻量粉煤灰的混凝土作為參照混凝土(以下簡(jiǎn)稱“基準(zhǔn)混凝土”,混凝土組號(hào)HF1),對(duì)照組采用其設(shè)計(jì)配制方法和原材料,根據(jù)等漿體理論[8],配制出強(qiáng)度發(fā)展與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)?shù)?0%摻量粉煤灰的大摻量粉煤灰混凝土(以下簡(jiǎn)稱“大摻量混凝土”,混凝土組號(hào)HF2),兩種混凝土的配合比見表1。

表1 兩種粉煤灰混凝土的配合比

試驗(yàn)采用兩種模式，即匹配模式和絕熱模式來對(duì)兩種粉煤灰混凝土的應(yīng)力松弛進(jìn)行研究。對(duì)TSTM試驗(yàn)機(jī)的絕熱模式和匹配模式介紹如下[9]：

3.1 絕熱模式

絕熱模式下的溫度自補(bǔ)償試件一旦與外界進(jìn)行熱交換,試驗(yàn)機(jī)就會(huì)通過溫控措施對(duì)進(jìn)行熱交換的試件進(jìn)行補(bǔ)償。試驗(yàn)采用絕熱模式進(jìn)行試驗(yàn),主要是研究基準(zhǔn)混凝土和大摻量混凝土兩者因?yàn)樗艧岵煌a(chǎn)生的應(yīng)力差異,通過對(duì)比來評(píng)價(jià)兩種混凝土的應(yīng)力松弛能力。試驗(yàn)時(shí)混凝土入模溫度與實(shí)驗(yàn)室溫度相同,控制在(20±1) ℃,當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到溫峰后維持24 h,然后以1 ℃/ h的速率降溫至試件開裂或達(dá)到試驗(yàn)機(jī)低溫臨界值。

3.2 溫度匹配模式(TMC)

溫度匹配模式以現(xiàn)有大壩內(nèi)部實(shí)測(cè)與計(jì)算溫度場(chǎng)模擬的溫度歷程曲線為引導(dǎo),通過試驗(yàn)機(jī)的溫控系統(tǒng)對(duì)混凝土試件的內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制監(jiān)測(cè),使混凝土內(nèi)部的溫度與溫度歷程曲線的溫度保持一致。通過溫度匹配模式可以模擬實(shí)際工程中混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)性能,具有實(shí)際意義地評(píng)價(jià)混凝土的開裂敏感性。本試驗(yàn)采用該雙曲拱壩的35%摻量粉煤灰混凝土的實(shí)測(cè)溫升數(shù)據(jù)和經(jīng)有限元計(jì)算確定的80%摻量粉煤灰的大摻量粉煤灰混凝土的溫度歷程曲線見圖2。使用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)用所得溫度歷程曲線做溫度匹配(TMC)模式和絕熱模式下的大摻量粉煤灰混凝土的早期抗裂性研究。分析基準(zhǔn)粉煤灰混凝土和大摻量粉煤灰混凝土的早期應(yīng)力松弛的發(fā)展,比較兩種混凝土早期抗裂性能的優(yōu)劣[10]。

圖2 兩種混凝土TMC模式下的實(shí)測(cè)約束應(yīng)力

普通摻量混凝土和大摻量混凝土的約束試件在匹配模式和絕熱模式下的在本次溫度應(yīng)力試驗(yàn)中實(shí)際溫度歷程見圖3。

圖3 兩種混凝土在TMC和絕熱模式下的實(shí)際溫度歷程

1)溫度匹配(TMC)模式下的早期應(yīng)力松弛。

兩種混凝土實(shí)測(cè)約束應(yīng)力結(jié)果見圖3。由圖3a)看出兩種混凝土約束拉應(yīng)力于降溫階段(HF1和HF2分別于168 h和222 h開始)才開始出現(xiàn)并持續(xù)增長(zhǎng)直到試驗(yàn)結(jié)束停止增長(zhǎng)。溫度變形造成的約束拉應(yīng)力的不斷增大是導(dǎo)致大體積混凝土開裂的最主要原因[7],因此本節(jié)應(yīng)力松弛研究的重點(diǎn)是從降溫階段開始至試驗(yàn)結(jié)束。兩種混凝土從降溫階段至試驗(yàn)結(jié)束的實(shí)測(cè)約束應(yīng)力與計(jì)算彈性應(yīng)力見圖4。由此可得兩種混凝土的應(yīng)力松弛度,見圖5。

圖4 兩種混凝土TMC模式下的實(shí)測(cè)約束應(yīng)力與計(jì)算彈性應(yīng)力

圖5 兩種混凝土TMC模式下的應(yīng)力松弛度

由圖5可見：降溫階段早期,應(yīng)力松弛度隨齡期增加而增加,之后逐漸趨于穩(wěn)定。HF1于降溫點(diǎn)后32 h即200 h拉斷,HF1拉斷時(shí)的應(yīng)力松弛度為0.52,HF2同樣取降溫點(diǎn)后的32 h即254 h作為比較,HF2的應(yīng)力松弛度為0.49。這意味在該階段普通摻量混凝土HF1最大能松弛掉約52%的約束拉應(yīng)力,超高摻量混凝土HF2此時(shí)松弛49%的約束拉應(yīng)力。這可能由于超高摻量混凝土拉應(yīng)力發(fā)展較遲在HF1降溫點(diǎn)之后經(jīng)歷相同時(shí)間以后,雖HF2混凝土的應(yīng)力松弛能力低于HF1混凝土,但已逐漸接近HF1混凝土的應(yīng)力松弛能力。又因TSTM降溫最低只能降到-15 ℃,但HF2并未拉斷,不過此時(shí)其約束拉應(yīng)力已十分接近該時(shí)刻的抗拉強(qiáng)度,可認(rèn)為試件已近開裂。由圖5b)可見HF2在臨近開裂時(shí)的應(yīng)力松弛度為0.54,這表明HF2最大能松弛掉超過54%的約束拉應(yīng)力。說明隨粉煤灰摻量增大,混凝土的應(yīng)力松弛度提高,受拉階段拉應(yīng)力松弛能力略有提高。大摻量混凝土HF2松弛的拉應(yīng)力略高于普通摻量混凝土HF1,對(duì)混凝土早期抗裂有利。

2)絕熱模式下的早期應(yīng)力松弛

兩種混凝土實(shí)測(cè)約束應(yīng)力結(jié)果見圖6。由圖6看出兩種混凝土約束拉應(yīng)力與TMC模式一樣于降溫階段(HF1和HF2分別于71 h和99 h開始)才開始出現(xiàn)并持續(xù)增長(zhǎng)直到試驗(yàn)結(jié)束停止增長(zhǎng)。兩種混凝土從降溫階段至試驗(yàn)結(jié)束的實(shí)測(cè)約束應(yīng)力與計(jì)算彈性應(yīng)力見圖7。由圖7可知,在降溫階段,計(jì)算彈性應(yīng)力并沒有直接開始變?yōu)榧s束拉應(yīng)力,而是略大于0的約束壓應(yīng)力。這是由于自由試件在絕熱模式下溫峰較高,產(chǎn)生的膨脹變形量大,壓應(yīng)力儲(chǔ)備較多,而降溫產(chǎn)生的收縮變形在降溫初始階段并沒有使混凝土從膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)化為收縮狀態(tài)。因此,取圖7計(jì)算彈性應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力的時(shí)間點(diǎn)開始,計(jì)算兩種混凝土的應(yīng)力松弛度,結(jié)果見圖8。

圖6 兩種混凝土絕熱模式下的約束應(yīng)力

圖7 兩種混凝土絕熱模式下的實(shí)測(cè)約束應(yīng)力與計(jì)算彈性應(yīng)力

圖8 兩種混凝土絕熱模式下的應(yīng)力松弛度

由圖8可見：在降溫階段,當(dāng)計(jì)算彈性應(yīng)力也進(jìn)入拉應(yīng)力狀態(tài)后,應(yīng)力松弛度隨齡期增加而快速增加,之后增長(zhǎng)速度減慢,逐漸趨于穩(wěn)定。HF1于80 h應(yīng)力松弛度開始增長(zhǎng),在52 h即132 h拉斷,HF1拉斷時(shí)的應(yīng)力松弛度為0.59,HF2在106 h進(jìn)入計(jì)算拉應(yīng)力狀態(tài),經(jīng)歷41 h后試件拉斷,此時(shí)HF2的應(yīng)力松弛度為0.65。這意味著在該階段基準(zhǔn)摻量混凝土HF1最大能松弛掉約59%的約束拉應(yīng)力,大摻量混凝土HF2此時(shí)松弛65%的約束拉應(yīng)力。說明隨粉煤灰摻量增大,混凝土的應(yīng)力松弛度增加,受拉階段拉應(yīng)力松弛能力有所提高。大摻量混凝土HF2松弛的拉應(yīng)力高于普通摻量混凝土HF1,說明大摻量混凝土比普通摻量混凝土在降溫拉伸階段能松弛掉更多的約束拉應(yīng)力,從而降低混凝土試件的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)比兩種模式下的應(yīng)力松弛：1)在TMC模式下,先同樣取降溫開始后32 h,即HF1拉斷時(shí)作對(duì)比,HF1此時(shí)能最大松弛52%約束拉應(yīng)力要略大于HF2的49%,但是在HF2臨近拉斷時(shí),即HF2在291 h已經(jīng)能夠最大松弛掉超過54%的約束拉應(yīng)力。2)在絕熱模式下,HF1和HF2拉斷時(shí)分別能最大松弛59%和65%的約束拉應(yīng)力。但是絕熱模式下,HF1溫升快溫峰高(溫峰遠(yuǎn)大于TMC模式),導(dǎo)致拉應(yīng)力儲(chǔ)備大,雖然能松弛更多的約束應(yīng)力,但是其拉應(yīng)力基數(shù)大,造成其最終的約束應(yīng)力要大于TMC模式。但是從這兩種模式下的應(yīng)力松弛表現(xiàn)看,HF2的抗裂性能比HF1要好。結(jié)果表明：隨粉煤灰摻量的增大,大摻量粉煤灰混凝土比普通摻量混凝土能松弛更多的約束應(yīng)力,能降低混凝土早期的開裂敏感性,對(duì)抗裂有利。

4 結(jié) 語

本文基于溫度-應(yīng)力試驗(yàn)的特點(diǎn),研究了匹配模式和絕熱模式下基準(zhǔn)粉煤灰混凝土和大摻量粉煤灰混凝土降溫階段應(yīng)力松弛的發(fā)展規(guī)律,分別對(duì)比了兩種不同摻量粉煤灰混凝土在兩種不同模式下的開裂敏感性,結(jié)果表明：

TMC模式下,大摻量混凝土應(yīng)力松弛度為0.54，要大于普通摻量混凝土0.52,表明多松弛了2%的約束拉應(yīng)力。絕熱模式下,大摻量混凝土的應(yīng)力松弛度為0.65,比普通摻量混凝土0.59高,表明多松弛6%的約束拉應(yīng)力,兩種模式下大摻量混凝土比普通摻量混凝土在同等約束條件下能夠松弛更多的約束拉應(yīng)力,降低了混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此,相對(duì)于已經(jīng)投入實(shí)際工程使用的35%基準(zhǔn)混凝土,80%大摻量粉煤灰混凝土隨粉煤灰摻量的提高,混凝土的抗裂性能得到改善,能降低開裂的風(fēng)險(xiǎn),為今后在大體積混凝土工程中的運(yùn)用打下基礎(chǔ)。