不同養(yǎng)護溫度下高強混凝土早齡期拉伸 徐變的試驗研究

倪彤元， 楊 楊， 吳炎平， 顧春平， 劉金濤

(1.浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 浙江 杭州 310014； 2.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310014； 3.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室， 浙江 杭州 310014； 4.江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院， 江西 南昌 330001)

高強混凝土(HSC)具有很多普通混凝土不具備的優(yōu)點，如強度高、耐久性好，使用外加劑還能實現其高工作性等特點，使其得到了越來越多的應用.但由于其水膠比小，因此由水泥水化熱引起的溫度變形，尤其是自干燥所造成的自收縮較大.在約束條件下，這些變形產生的自身應力易導致高強混凝土早期開裂[1-3].徐變是混凝土固有的一種時變性能，混凝土結構在受荷載作用時，主要處于壓應力狀態(tài)，因此通?？紤]其壓縮徐變特性[4].但在非荷載作用下的變形導致混凝土處于拉應力狀態(tài)，因此與壓縮徐變相比，拉伸徐變在高強混凝土早期開裂預測和控制研究中更符合其實際應力狀態(tài).高強混凝土早齡期的拉伸徐變作為一項必須把握的重要材料特性，近年來開始得到關注，也取得了一些研究成果[5-8].

溫度是影響混凝土徐變最主要的外部因素之一.一方面，徐變與水泥石中水的運動有關.Ruetz[9]認為水的運動對于混凝土徐變影響顯著，溫度升高時，由于膠體粒子聚合度的變化，較多的粒子能夠進行滑移，也就是說，液體分子的定向運動受到溫度干擾，在較高溫度時就可能發(fā)生黏性流動，水的黏滯性降低，徐變增加.另一方面，溫度的提高也間接促進了混凝土內部的水化反應，從而加快了混凝土強度的發(fā)展，在一定程度上減小了混凝土的徐變，使其徐變隨著溫度的升高而降低.Umehara等[10]的研究表明，當加載齡期為3.000d時，對于水灰比*文中涉及的水灰比、減水率等均為質量比或質量分數.為0.56的混凝土，養(yǎng)護溫度越高，其拉伸徐變越大.因此研究溫度對高強混凝土早齡期拉伸徐變的影響就更為重要，這對于正確評價混凝土早期開裂來說意義重大.然而涉及溫度對高強混凝土早齡期拉伸徐變影響的研究近年來僅偶有報道[11-12]，研究有待加強和深入.

為進一步研究養(yǎng)護溫度對高強混凝土早齡期拉伸徐變特性的影響，本文以高強混凝土與外界無濕度交換條件下的早齡期拉伸基本徐變(以下簡稱拉伸徐變)為研究對象，以養(yǎng)護溫度和加載齡期為試驗參數，通過試驗研究在4種養(yǎng)護溫度和5種加載齡期下高強混凝土的拉伸徐變特性，為研究高強混凝土拉伸徐變的溫度依存性打下基礎.

1 試驗

1.1 原材料

本文所采用的混凝土強度等級為C60，水灰比(mW/mC)為0.30.采用52.5級普通硅酸鹽水泥(C)；硅粉(SF)摻量為膠凝材料(B)總質量的10%；細骨料為中砂(S)；粗骨料為粒徑范圍為5～20mm的碎石(G)；減水劑為聚羧酸鹽系高效減水劑(SP)，減水率在25%以上，用量以其占膠凝材料的質量分數計.所用混凝土配合比如表1所示，混凝土拌和物坍落擴展度控制為(500±20) mm.

表1 混凝土配合比

1.2 試驗參數

考慮到實際混凝土在施工時常處于不同季節(jié)的環(huán)境溫度下，并考慮試驗的可操作性，混凝土養(yǎng)護溫度設定為：10，20，28，35℃.加載齡期(即施加荷載時混凝土的齡期)設定時以養(yǎng)護溫度20℃時的0.750，0.875，1.000，3.000，7.000 d為基準，考慮到溫度對于水化反應速度的影響，加載齡期在養(yǎng)護溫度10℃時為1.250，1.600，2.000，3.000， 7.000 d； 28℃時為0.540，0.750，1.000，3.000，7.000 d；35℃時為0.500，0.750，1.000，3.000，7.000 d.

1.3 試驗方法

為實現養(yǎng)護溫度的控制，本文試驗在可控制環(huán)境溫濕度的走入式多功能環(huán)境模擬箱(型號為ZHS-028)中進行.高強混凝土拉伸徐變的測試采用本團隊設計開發(fā)的拉伸徐變加載裝置[5,12](圖1).

圖1 拉伸徐變加載裝置示意圖Fig.1 Sketch map of loading device for tensile creep

為了使?jié)仓r的混凝土入模溫度與養(yǎng)護目標溫度接近，本文通過事先對原材料加熱或(和)調節(jié)拌和水溫的方法來控制混凝土拌和物的初始溫度，4種養(yǎng)護溫度下混凝土入模溫度與目標溫度的最大差值控制在2℃以內.

拉伸徐變試件包括荷載作用下的混凝土拉伸試件以及非荷載作用下的自由收縮試件，兩者尺寸均為100mm×100mm×400mm.各試件在設定的養(yǎng)護溫度下成型后靜置于多功能環(huán)境模擬箱中保濕養(yǎng)護；拆模后，立即用保鮮膜、膠帶紙包裹使之處于密封狀態(tài)，保證拆模后的試件與外界沒有水分交換，滿足測定拉伸基本徐變的要求.在拉伸徐變試驗的同時，進行自由變形(包括自收縮與溫度變形)試驗，其測定裝置如圖2所示.不同養(yǎng)護溫度下自由變形試件的初始測試齡期如表2所示.

圖2 自由變形的測定裝置示意圖Fig.2 Sketch map of measuring device for auto-shrinkage

Temperature/℃10202835Initial measuring age/d0.7500.6700.5400.390

高強混凝土的徐變變形通過在試件兩側設置的π型變位計測量獲得，自由變形由試件兩端設置的位移傳感器進行采集.混凝土溫度采用在試件中埋入的熱電偶來測定，加載應力則采用荷載傳感器進行測定.所有的數據均由數據采集儀和計算機在設定的齡期自動采集并儲存記錄.

2 結果與討論

2.1 早齡期拉伸徐變試驗基本參數與混凝土相關力學性能

本文采用的試驗參數主要有5個加載齡期和4個養(yǎng)護溫度，所施加荷載的應力比控制為0.4，每組試驗持荷時間(施加荷載完成并保持荷載恒定所持續(xù)的時間)21d以上.拉伸徐變試驗基本參數與混凝土相關力學性能如表3所示.其中，當養(yǎng)護溫度為10℃時，由于較低的溫度會使混凝土力學性能的發(fā)展較為緩慢，故特別測試了持荷時間為50d的試件拉伸徐變，其變化趨勢與持荷時間21d時一致，表3不再列出.圖3為養(yǎng)護溫度20℃條件下試驗全程拉伸荷載變化曲線.由圖3可見，荷載在測試的全過程中基本保持不變，滿足試驗要求.其他溫度條件下試驗全程拉伸荷載變化也呈現同樣的結果.

表3 拉伸徐變試驗基本參數與混凝土相關力學性能

圖3 養(yǎng)護溫度20℃條件下試驗全程拉伸荷載變化Fig.3 Variation curves of tensile load during whole experiment under 20℃

2.2 非荷載作用下的自由變形

在與外界無濕度交換條件下，持續(xù)荷載作用下的混凝土變形還包含自收縮和溫度變形，因此需同時測定非荷載作用下的自由變形，并在荷載作用下的總變形中將其扣除才能獲得徐變變形.

圖4給出了不同養(yǎng)護溫度下的混凝土內部溫度.由圖4可見：在10，20，28，35℃的養(yǎng)護溫度下，混凝土內部溫度達到峰值的齡期分別為0.800，0.710，0.620，0.440d；與混凝土入模時溫度相比，溫度變化量分別為3.5，4.8，5.0，5.4℃.由于本研究的混凝土試件斷面較小，因此其內部溫度上升不高.但是從圖4中仍可發(fā)現，養(yǎng)護溫度越高，混凝土內部溫度變化量越大，達到峰值的齡期越早.

圖4 不同養(yǎng)護溫度下的混凝土內部溫度Fig.4 Internal concrete temperature under different curing temperatures

圖5為不同養(yǎng)護溫度下高強混凝土自收縮隨時間的變化.從圖5中可以發(fā)現，在所測齡期范圍內，高強混凝土自收縮在成型后的3.000d之內發(fā)展很快.在35℃下養(yǎng)護時，高強混凝土3.000d自收縮約占其28.000d自收縮的30%；在28℃下養(yǎng)護時，這一比值為25%；在20℃下為24%；在10℃下為22%.在3.000d齡期之后，高強混凝土自收縮增長的趨勢逐漸減緩.由圖5還可發(fā)現，在較高養(yǎng)護溫度下，高強混凝土自收縮表現出較快的增長速度和較大的收縮值.

圖5 不同養(yǎng)護溫度下高強混凝土的自收縮Fig.5 Self-shrinkage of high strength concrete under different curing temperatures

2.3 加載齡期對拉伸徐變特性的影響

通常采用比徐變、徐變系數與徐變速度等基本特征參數對拉伸徐變特性進行評價.本文采用的比徐變定義為單位應力作用下的徐變應變，徐變系數定義為徐變應變與加載時刻瞬時彈性應變的比值，徐變速度定義為單位持荷時間內比徐變的增量.

不同養(yǎng)護溫度下混凝土試件各加載齡期的拉伸比徐變與徐變系數分別如圖6，7所示.

以養(yǎng)護溫度為20℃為例，由圖6，7可見，對于加載齡期為0.750d的混凝土在持荷21d后，其比徐變和徐變系數分別高達436μm/(m·MPa)和6.4，而加載齡期為7.000d時混凝土的比徐變和徐變系數分別只有54μm/(m·MPa)和1.7，由此可見，由于加載齡期不同造成的混凝土拉伸徐變特性差異很大，比徐變和徐變系數均隨著加載齡期的增大而急速減小.在其他養(yǎng)護溫度條件下混凝土拉伸徐變特性均表現出同樣的變化規(guī)律.惠榮炎等[13]的試驗表明，加載齡期為28.000d時混凝土拉伸徐變小于加載齡期為 7.000d 時，前者僅為后者的60%左右；Bissonnette等[14]認為加載齡期為7.000d的混凝土拉伸徐變小于加載齡期為1.000d時.本文在早齡期內進行的研究呈現與文獻[13-14]相似的結果，而且本文研究結果表明加載齡期對早齡期混凝土拉伸徐變的影響更為顯著.

不同養(yǎng)護溫度下加載齡期對拉伸比徐變與徐變系數的影響如圖8，9所示.由圖8，9可見，高強混凝土的比徐變和徐變系數隨著加載齡期的延長均呈現指數衰減的趨勢.如在養(yǎng)護溫度20℃下，加載齡期為0.750d的高強混凝土比徐變和徐變系數大約是加載齡期為7.000d時的8.00倍和3.75倍.

圖6 不同養(yǎng)護溫度下混凝土試件各加載齡期的拉伸比徐變Fig.6 Tensile specific creep of concrete specimens at different loading ages under different curing temperatures

圖7 不同養(yǎng)護溫度下混凝土試件各加載齡期的徐變系數Fig.7 Creep coefficient of concrete specimens at different loading ages under different curing temperatures

圖8 加載齡期對于拉伸比徐變的影響Fig.8 Effect of loading age on tensile specific creep

圖9 加載齡期對于徐變系數的影響Fig.9 Effect of loading age on creep coefficient

為了考察加載齡期在不同持荷時間段對徐變發(fā)展的影響規(guī)律，將持荷時間段分為3個階段：0～3d(徐變快速發(fā)展期，stage 1)，3～7d(徐變衰減期，stage 2)和7～21d(徐變趨于穩(wěn)定期，stage 3).圖10給出了不同持荷時間段混凝土的徐變速度.由圖10可見：加載齡期越晚，曲線越靠近橫坐標軸，各條擬合曲線均呈指數函數線形；即高強混凝土的徐變速度越??；隨著持荷齡期的增長，徐變速度呈現指數衰減的趨勢；隨著持荷時間段的延長，徐變速度急速減慢，在10.000d齡期之后(即加載齡期為7.000d并持荷3d)，加載齡期對徐變速度影響微弱.

圖10 不同持荷時間段高強混凝土的徐變速度Fig.10 Creep speed of HSC in different holding load periods

2.4 養(yǎng)護溫度對拉伸徐變的影響

由圖8～10可知，高強混凝土早齡期拉伸徐變，無論是比徐變、徐變系數，還是徐變速度，均隨養(yǎng)護溫度的提高而減小.進一步比較同一加載齡期、不同養(yǎng)護溫度下持荷時間分別為7，14，21d的高強混凝土比徐變，其結果如圖11所示.由圖11可以看出：在相同加載齡期下，高強混凝土拉伸比徐變總體上均隨著溫度的升高而降低；但是隨著加載齡期的推遲，其降低幅度減小，至7.000d加載齡期時各溫度下高強混凝土的比徐變基本持平.產生該現象的原因可能是：在早齡期加載，尤其是3.000d以前加載時，混凝土的內部結構尚未成熟、強度較低，此階段對徐變發(fā)展起主要作用的是混凝土的強度因素，因此養(yǎng)護溫度越高，混凝土強度發(fā)展越快，其比徐變越小；但隨著水化反應的繼續(xù)，不同養(yǎng)護溫度下混凝土強度都有增長，強度差異對徐變造成的影響不再起主導作用，隨著加載齡期推遲，影響混凝土拉伸徐變的主要因素變成了凝膠體中水的黏滯性，在強度差異和凝膠體中水的黏滯性共同作用下，隨養(yǎng)護溫度升高，比徐變降低幅度減小.因此，可以認為養(yǎng)護溫度升高對高強混凝土比徐變的降低作用主要體現在早齡期(0～3d)，隨著加載齡期的推遲，高強混凝土比徐變隨溫度升高而降低的幅度減小.上述早齡期拉伸徐變的溫度效應特征與成熟混凝土徐變研究中所得到的溫度提高會增大混凝土徐變的認知[15]不同，值得進一步關注.

由圖11還可以看出，無論持荷時間是7，14d還是21d，在相同持荷時間下，不同加載齡期之間高強混凝土的比徐變差異隨著養(yǎng)護溫度的提高而減小.例如：在持荷時間為7d條件下，加載齡期為0.750d與7.000d時高強混凝土的比徐變差異在養(yǎng)護溫度 20℃ 時為253μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護溫度 28℃ 時為 122μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護溫度 35℃ 時為116μm/(m·MPa)；在持荷時間為14d條件下，加載齡期為 0.750 d 與7.000d時高強混凝土的比徐變差異在養(yǎng)護溫度 20℃ 時為 345μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護溫度 28℃ 時為155μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護溫度35℃時為113μm/(m·MPa)；在持荷時間為21d條件下，加載齡期為0.750 d與7.000 d時高強混凝土的比徐變差異在養(yǎng)護溫度20，28,35℃時分別為399，180，109μm/(m·MPa).也就是說，在相同持荷時間下，養(yǎng)護溫度越高，高強混凝土的比徐變隨加載齡期延遲而減小的速率越慢.

圖11 不同持荷時間下養(yǎng)護溫度對高強混凝土拉伸比徐變的影響Fig.11 Effect of curing temperature on tensile specific creep of HSC under different holding times

3 結論

(1)無論是在何種養(yǎng)護溫度條件下，高強混凝土自收縮在成型后的3d之內均發(fā)展較快，而3d后其自收縮增長趨勢逐漸減緩；隨著養(yǎng)護溫度的提高，高強混凝土自收縮表現出更快的增長速度和更大的收縮值.

(2)由于加載齡期不同造成高強混凝土的徐變差異很大，隨著加載齡期的延長，比徐變、徐變系數和徐變速度均呈指數衰減的趨勢，并且隨著持荷時間的延長，不同加載齡期之間高強混凝土徐變速度差異越來越小，不同養(yǎng)護溫度條件下均表現出同樣的傾向.

(3)與養(yǎng)護溫度對成熟齡期混凝土徐變的影響不同，在相同加載齡期下，高強混凝土早齡期拉伸比徐變隨著養(yǎng)護溫度的升高而降低，但是隨著加載齡期的推遲，其降低幅度減小，至加載齡期為7.000d時各養(yǎng)護溫度下高強混凝土的拉伸比徐變基本持平.無論持荷時間是7，14d還是21d，在持荷時間相同時，不同加載齡期高強混凝土之間的比徐變差異隨著養(yǎng)護溫度的提高而減小.