鋼筋對(duì)高強(qiáng)混凝土早期收縮及抗裂性影響研究

段小芳，朱學(xué)佳

（1.南通開放大學(xué)，江蘇 南通 226006；2.南通博創(chuàng)建筑科技有限公司，江蘇 南通 226005）

0 引言

目前，用以評(píng)價(jià)混凝土在約束收縮條件下抗裂性能的試驗(yàn)方法主要有端部約束試驗(yàn)法、圓環(huán)法、側(cè)邊約束試驗(yàn)法三種。

圓環(huán)法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種測(cè)量混凝土約束收縮的試驗(yàn)方法，操作比較簡(jiǎn)單，并且圓環(huán)試件關(guān)于圓心是軸對(duì)稱的，更加便于力學(xué)分析。澆筑在內(nèi)鋼環(huán)外側(cè)的混凝土環(huán)，由于收縮時(shí)受到內(nèi)鋼環(huán)的約束，會(huì)使其中形成可能引發(fā)開裂的環(huán)向拉應(yīng)力。圓環(huán)法可以均勻地約束混凝土的收縮（自收縮和干燥收縮），便于評(píng)價(jià)約束應(yīng)力對(duì)混凝土開裂的影響程度。此外，混凝土在約束收縮時(shí)的應(yīng)力松弛效應(yīng)也可以由圓環(huán)法而更加便捷地反映出來(lái)。所以，用圓環(huán)法可以對(duì)混凝土抗裂性能進(jìn)行更有效地分析和評(píng)價(jià)[1]。

圓環(huán)法最早是應(yīng)用于裂縫寬度及裂縫出現(xiàn)時(shí)間的觀測(cè)，以便對(duì)混凝土在約束收縮時(shí)的抗裂性能進(jìn)行定性分析；后來(lái)采用圓環(huán)法監(jiān)測(cè)內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)表面的壓應(yīng)變，并結(jié)合抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)混凝土在約束收縮時(shí)的開裂風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)力松弛效應(yīng)進(jìn)行定量分析[2]；再后來(lái)，針對(duì)圓環(huán)法的美國(guó)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1581-04[3]也相繼出臺(tái)。這說(shuō)明圓環(huán)法的理論評(píng)價(jià)體系日趨成熟，標(biāo)志著圓環(huán)法已經(jīng)走上了標(biāo)準(zhǔn)化的道路。

端部約束試驗(yàn)法測(cè)試混凝土早期開裂的精確度與可重復(fù)性均較高，試驗(yàn)裝置最早于二十世紀(jì)80年代，用于混凝土的溫度變形和應(yīng)力問(wèn)題的研究。Kovler、Bloom[4-5]等人的試件有效長(zhǎng)度為1 000 mm，截面尺寸按不同需要可以做成40×40 mm2、50×50 mm2、75×75 mm2等，為方便約束荷載的施加，試件端部通常做成局部大頭，一端固定在框架上，另一端安裝在滑道上可以移動(dòng)，移動(dòng)端連接高精度拉力傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量變形和約束應(yīng)力的變化并及時(shí)調(diào)整荷載。

側(cè)邊約束試驗(yàn)主要研究基礎(chǔ)對(duì)混凝土墻體的約束作用。早在1934年和1973年，前蘇聯(lián)的馬斯洛夫、亞歷山大德羅夫斯基應(yīng)用彈性力學(xué)理論分別計(jì)算出了澆筑在無(wú)限剛性基巖上矩形平面墻和一邊嵌固三邊自由的墻體由于均勻溫升引起的溫度應(yīng)力。但是計(jì)算過(guò)程也極其復(fù)雜，計(jì)算非常繁瑣[6]。

1 試驗(yàn)方案及過(guò)程

圓環(huán)試驗(yàn)裝置主要由三個(gè)部分組成：內(nèi)鋼環(huán)、外鋼環(huán)以及底板。圓環(huán)尺寸：內(nèi)環(huán)尺寸為φ326mm×100 mm×34 mm，外環(huán)尺寸為 φ526 mm×104 mm×5 mm；試件尺寸：內(nèi)徑326 mm，外徑526 mm，壁厚100 mm，高度100 mm。圓環(huán)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 圓環(huán)裝置

本次試驗(yàn)采用的水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為高強(qiáng)混凝土C50。共設(shè)計(jì)4個(gè)試件，其中一個(gè)試件不布置鋼筋，另外三個(gè)試件沿環(huán)向中心位置布置1根HRB400螺紋鋼筋，直徑分別為16 mm、20 mm、25 mm，對(duì)應(yīng)試件編號(hào)分別為Y1-0、Y2-16、Y3-20、Y4-25。澆注混凝土之前，先把鋼筋布置到圓環(huán)裝置內(nèi)，并在鋼筋上沿環(huán)向均勻貼4個(gè)應(yīng)變片，測(cè)量?jī)?nèi)部鋼筋和混凝土的應(yīng)變，內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)側(cè)沿環(huán)向均勻貼8個(gè)應(yīng)變片，見(jiàn)圖2。

圖2 鋼筋布置

混凝土澆筑后，用塑料薄膜密封。室內(nèi)溫度20℃，相對(duì)濕度60%，每隔20 min采集一次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中需要實(shí)時(shí)觀察應(yīng)變采集儀的讀數(shù)，記錄初始開裂時(shí)間，并用放大鏡觀察混凝土環(huán)頂部和外側(cè)面的裂縫開展情況，根據(jù)混凝土環(huán)形試件側(cè)面的開裂程度進(jìn)行判定，側(cè)面裂縫寬度越小，開裂出現(xiàn)的時(shí)間越晚，混凝土的抗裂性能越好?；炷翝仓瓿梢?jiàn)圖3。

圖3 混凝土澆筑完成

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變結(jié)果如圖4～7所示。從圖4～7中可以看出，四個(gè)鋼環(huán)內(nèi)部應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)基本相似，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土發(fā)生收縮，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變不斷增大，到達(dá)某個(gè)值后，又突然下降，試件開裂。不配筋試件Y1-0在齡期50 h時(shí)開裂，內(nèi)鋼環(huán)最大應(yīng)變?yōu)?70 με；試件Y2-16在齡期58 h時(shí)開裂，內(nèi)鋼環(huán)最大應(yīng)變?yōu)?75 με；試件Y3-20在齡期67 h時(shí)開裂，內(nèi)鋼環(huán)最大應(yīng)變?yōu)?78 με；試件Y4-25在齡期80 h時(shí)開裂，內(nèi)鋼環(huán)最大應(yīng)變?yōu)?80 με。

2.2 混凝土內(nèi)部鋼筋應(yīng)變

圖4 不配筋試件Y1-0內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖5 配筋試件Y2-16內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖6 配筋試件Y3-20內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖7 配筋試件Y4-25內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制混凝土內(nèi)部鋼筋應(yīng)變隨齡期的發(fā)展曲線圖。由圖中曲線可以看出前3 d鋼筋應(yīng)變發(fā)展劇烈，4～7 d發(fā)展變慢，7 d后應(yīng)變基本不變。齡期3 d，配筋試件Y2-16內(nèi)鋼筋應(yīng)變?yōu)?200～-400 με，Y3-20 內(nèi)鋼筋應(yīng)變?yōu)?100 με 左右，Y4-25 內(nèi)鋼筋應(yīng)變?yōu)?50～100 με 左右；7 d 后試件Y2-16 內(nèi)鋼筋應(yīng)變?yōu)?350～-60 με，Y3-20 內(nèi)鋼筋應(yīng)變?yōu)?150～220 με左右，Y4-25內(nèi)鋼筋應(yīng)變?yōu)?70～170 με左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，配筋率越大，混凝土內(nèi)部應(yīng)變?cè)叫。炷潦湛s引起的內(nèi)部應(yīng)力越小，混凝土越不容易早期開裂（圖8～10）。

圖8 配筋試件Y2-16內(nèi)鋼筋應(yīng)變

圖9 配筋試件Y3-20內(nèi)鋼筋應(yīng)變

圖10 配筋試件Y4-25內(nèi)鋼筋應(yīng)變

3 配筋對(duì)混凝土早期抗裂性能評(píng)價(jià)

（1）不配筋試件Y1-0在50 h發(fā)生初始開裂；配筋試件Y2-16于58 h發(fā)生初始開裂，比不配筋試件的初始開裂時(shí)間延緩了16%；配筋試件Y3-20于67 h發(fā)生初始開裂，比不配筋試件的初始開裂時(shí)間延緩了34%；配筋試件Y4-25于80 h發(fā)生初始開裂，比不配筋試件的初始開裂時(shí)間延緩了60%。開裂前不配筋試件內(nèi)部鋼環(huán)的臨界應(yīng)變值為-70 με；配筋試件Y2-16為-75 με，比不配筋試件的抗裂應(yīng)變提高了7%；配筋試件Y3-20為-78 με，比不配筋試件的抗裂應(yīng)變提高了11%；配筋試件Y4-25為-80 με，比不配筋試件的抗裂應(yīng)變提高了14%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土內(nèi)部布置鋼筋，可以推遲混凝土早期裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土的抗裂性能。

（2）鋼筋應(yīng)變結(jié)果表明，前3 d混凝土內(nèi)部鋼筋應(yīng)變發(fā)展劇烈，4～7 d發(fā)展變慢，7 d后應(yīng)變基本不變。配筋率越大，混凝土內(nèi)部應(yīng)變?cè)叫?，混凝土收縮引起的內(nèi)部應(yīng)力越小，混凝土越不容易早期開裂。