加速干燥條件下混凝土徐變試驗研究

彭晉軒 孫 璨 鄭海鵬 鄭錦燦

加速干燥條件下混凝土徐變試驗研究

彭晉軒 孫 璨*鄭海鵬 鄭錦燦

（東莞理工學院 建筑工程系，廣東東莞 523808）

徐變效應是混凝土材料的長期固有特性，通過短期試驗難以分析混凝土構件強度、含水率等因素對徐變效應的影響規(guī)律。在混凝土試件加速干燥試驗的基礎上，進行了一系列加速干燥和未加速干燥混凝土試件的長期同步加載試驗，探討了加速干燥條件下混凝土徐變效應的變化規(guī)律。初步研究表明，加速干燥試驗能減緩混凝土試件徐變效應的開展程度及發(fā)展速率，從而縮短混凝土長期徐變效應試驗的觀測周期。

混凝土；徐變；加速干燥；長期試驗

徐變、收縮效應是混凝土的長期固有特性，自混凝土結構及構件施工生成直至長期使用期內(nèi)不斷發(fā)展變化［1］。目前，關于混凝土徐變及收縮效應的各種成因、機理及預測模型種類多樣，尚未形成統(tǒng)一［2］。綜合較權威的美國ACI209委員會建議［3］、歐洲混凝土-預應力協(xié)會CEB-FIP90規(guī)范［4］以及Bazant等［5］學者長期研究成果，一般認為，徐變是混凝土受長期壓應力作用而產(chǎn)生的效應，其變形機理主要包括水泥膠體的粘稠變形和滯后彈性變形、吸附水滲流或層間水轉移等；收縮則與外荷載作用無關，主要是混凝土干燥失水和碳化兩種作用所引起的收縮變形的疊加。

一般地，混凝土構件長期徐變、收縮總變形可達初始彈性變形的2～3倍以上，對結構及構件的長期工作性能有著重要影響，因而有必要深入研究混凝土長期徐變、收縮效應及其影響因素。然而，混凝土構件的徐變、收縮變形通常在最初的1～3年內(nèi)發(fā)展較快，隨后變化速率逐漸降低，總的變形發(fā)展可持續(xù)20～30年以上，且變形量始終維持在較微小的量級（長期應變極限值僅300～800個微應變），因此，受時間、觀測精度等條件限制，針對混凝土徐變、收縮效應的研究難度較高、周期較長，現(xiàn)有理論成果多是基于中短期觀測數(shù)據(jù)擬合預測長期發(fā)展情況。那么，能否采用加速試驗合理縮短徐變、收縮效應的發(fā)展進程，當前國內(nèi)外尚少見報道。

本文在混凝土試件加速干燥失水試驗的基礎上，重點開展了加速干燥的混凝土試件同未加速干燥的試件長期同步加載的試驗對比研究，初步探討了在加速干燥條件下混凝土徐變效應的變化規(guī)律及主要影響因素，并考察了通過加速干燥試驗縮短混凝土徐變效應試驗觀測周期的可行性。

1 混凝土加速干燥試驗

制作多組棱柱體試件（100 mm×100 mm×400 mm），混凝土標號C30，配合比中水的初始含量為8.75%。在養(yǎng)護28天后，對AL組（3根）試件通過烘箱進行連續(xù)干燥。通過多次稱重對比，發(fā)現(xiàn)在160℃溫度下連續(xù)干燥58 h左右，混凝土試件質量基本不再變化（表1），此時可測得28天齡期混凝土試件從開始加速干燥至完全干燥，試件失水量占加速干燥前試件重量的7.76%。

表1 試件連續(xù)干燥質量變化情況/kg

在表1測試數(shù)據(jù)的基礎上，采用同樣的烘箱條件，對AH組混凝土試件進行定時加速干燥測試，分別獲得在干燥4 h內(nèi)不同時段的試件質量變化規(guī)律，如表2及圖1所示?？梢?，試件加速干燥失水量同時間基本呈線性關系，而加速干燥4 h后，試件失水量平均約占試件初始質量的0.41%。

表2 加速干燥時間對應質量變化/kg

圖1 各試件加速干燥的質量變化趨勢

2 加速干燥混凝土長期加載試驗研究

基于混凝土試件失水速率的測試結果，另取四組混凝土棱柱體試件進行長期加載試驗，其中BH-1組不進行加速干燥，BH-2組、BH-3組、BH-4組分別在160℃烘箱內(nèi)加速干燥0.5 h、1 h、1.5 h。然后，四組試件采用自制的多套自平衡加載裝置同步進行長期加載測試，初始加載齡期7天，如圖2所示：

圖2 自平衡長期加載裝置

該長期加載裝置中，BH-1、BH-4組在同一加載設備中，初始荷載為36.02噸；BH-2、BH-3組在同一套加載設備中，初始荷載為37.72噸；采用千分表定期讀取長期變形量，采用鋼弦式應變計跟蹤長期荷載變化情況，當觀測到長期荷載卸載超過5%時進行復加載；另取未加速干燥、加速干燥1 h及基本干燥完全等各1組試件同步進行未加載的收縮變形量觀測，120天收縮變形觀測結果（環(huán)境相對濕度平均為82%）如表3所示：

表3 收縮變形120天觀測結果平均值

對不同加速干燥程度的試件進行長期加載的變形觀測結果如圖3所示：

圖3 各組試件長期加載變形實際觀測數(shù)據(jù)

由圖3可見，在已進行的250天加載觀測周期內(nèi)，各組試件包含收縮及徐變效應的長期變形增量的平均值有不同程度的發(fā)展變化，試件加速干燥時間越長，長期變形發(fā)展水平則越低；其中，BH-2組、BH-3組長期變形發(fā)展規(guī)律較符合理論模型，而BH-1、BH-4組長期變形觀測值有較大波動，特別是BH-4組出現(xiàn)變形反向增長，數(shù)據(jù)基本失效，與試驗精度有限、測試儀器失真等因素有關。

3 試驗結果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)計算對比

結合收縮變形同步觀測時間（120天），從長期加載觀測結果中選取前120天長期變形增量，扣除相應的混凝土收縮變形值后，得到試件的徐變應變（如式（1））及徐變系數(shù)（如式（2））。具體如表4所示：

表4 加載120天徐變系數(shù)計算

上式中，t0-初始加載時刻；tsh-收縮起始時刻；t-計算時刻；Δεl（t0，t）-長期應變增量；εcr（t0，t）-徐變應變；εsh（tsh，t）-收縮應變；φ（t0，t）-徐變系數(shù)；εe（t0）-初始彈性變形。

表4試驗數(shù)據(jù)同CEB-FIP90理論模型［4］計算所得徐變系數(shù)發(fā)展曲線（圖4）對比可知，未加速干燥的試件120天徐變系數(shù)1.79較高于理論計算值（1.56）；從初步試驗結果來看，通過加速干燥，混凝土徐變、收縮效應的發(fā)展趨勢出現(xiàn)不同程度的減緩，初步表明加速干燥試驗能夠不同程度地減緩混凝土徐變效應的量級及發(fā)展速率。

圖4 CEB-FIP90模型徐變系數(shù)理論曲線

3.2 影響因素分析

一般來說，影響混凝土試件徐變效應的因素主要包括混凝土的強度、含水率、應力水平、加載齡期、持荷時間、環(huán)境相對濕度等。

本試驗中，各組試件在相對封閉的試驗間內(nèi)同步制作、養(yǎng)護、加載，并基本保持各組試件長期應力水平相近；同時，跟蹤觀測所處環(huán)境的濕度條件變化可知，實驗環(huán)境相對濕度的變化范圍在72%～85%之間，平均相對濕度約為80%。綜合上述可見，本試驗中影響混凝土各組試件徐變效應差異的主要因素是混凝土的含水率。

由表4可知，分別加速干燥0.5 h、1 h的試件120天徐變系數(shù)分別為未加速干燥試件徐變系數(shù)的67%和35%左右。從直觀數(shù)據(jù)判斷，混凝土徐變效應發(fā)展的減緩幅度受加速干燥時間的影響及含水率的變化較為敏感，究其原因，除含水率的變化外，還不能忽視以下幾個重要因素：

1）高溫條件下試件干燥的同時也不同程度地加速了混凝土碳化及水泥膠體的水化作用；

2）試驗測試條件的限制及測量精度誤差可能較大；

3）試驗過程中自平衡持荷裝置隨著試件變形的增長存在卸荷的趨勢，復加的那部分荷載加載齡期同初始加載時不同，也會產(chǎn)生一定的誤差；

4）目前已有的有效試驗數(shù)據(jù)資料尚且不足。

本次試驗探討了加速干燥條件下混凝土徐變效應發(fā)展變化的基本規(guī)律，初步表明通過加速干燥的方式加快混凝土徐變效應發(fā)展進程的可行性及可控性，但相關試驗數(shù)據(jù)及發(fā)展規(guī)律的可靠性，以及干燥條件、時長等因素同長期徐變效應發(fā)展的對應關系等問題，尚需更多長期試驗數(shù)據(jù)進一步驗證及研究。目前，以上各組試件仍在持續(xù)加載觀測中。

4 結語

本文在采用加速干燥失水的方法調節(jié)混凝土試件含水率的試驗基礎上，進行了不同干燥程度及未加速干燥的混凝土試件長期同步加載對比試驗研究，初步探討了混凝土試件不同干燥程度下徐變效應發(fā)展的基本規(guī)律，為實現(xiàn)有效縮短長期效應試驗觀測周期奠定了一定的基礎。

已有試驗數(shù)據(jù)初步表明，在混凝土強度、應力水平、加載時間及環(huán)境相對濕度等因素均基本保持一致的情況下，混凝土試件含水率的加速降低對其徐變效應的發(fā)展影響較為顯著。

然而，受到試驗周期、試驗精度等復雜因素條件的限制，目前已有試驗成果尚顯不足。因此，在下一步研究工作中，一方面要繼續(xù)觀測仍在持續(xù)加載的混凝土試件長期變形數(shù)據(jù)，另一方面需在優(yōu)化試驗條件及精度的基礎上，從混凝土含水率、碳化程度、強度、彈模變化等多方面開展更為豐富的試驗及理論研究，獲取更多參數(shù)、更長周期的分析數(shù)據(jù)，以進一步摸清混凝土徐變效應的長期發(fā)展規(guī)律，并建立完善混凝土加速干燥條件同徐變效應發(fā)展的對應關系。

［1］ 周履，陳永春.收縮徐變［M］.北京：中國鐵道出版社，1994：35-46.

［2］ 孫璨.鋼筋混凝土結構長期徐變收縮效應研究及應用［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文，2010.

［3］ ACICommittee209.Prediction of Creep，Shrinkage and Temperature Effect in Concrete Structure［S］.American Concrete Institute，1992：15 -21.

［4］ Comite’E’uro-International du Beton-Fe’de’ration International de la Pre’contrainte（CEB-FIP）.Model Code for Concrete Structure［C］.Thomas Telford Services Ltd，1990：51-58.

［5］ ZP Bazant，WPMurphy.Creep and Shrinkage Prediction Model for Analysis and Design of Concrete Structure-model B3［J］.Materials and Structures.1995，28（1）：21-32.

An Experimental Research on Creep Effect of Concrete after Accelerated Drying

PENG Jin-x uan SUN Can ZHENG Ha i-p eng ZHENG Jin-c an

（Department of Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Creep effect is one of the long-term and inherent rualities of concrete.Generally，it is difficult to study the influences of concrete strength and moisture content only by short-term experimental research.A series of long-term loading experiments of concrete members after accelerated drying are designed and developed to compare with undried members，based on the accelerated drying experiment.The creep effect of concrete after accelerated drying is explored and the initial results show that accelerated drying experiment can slow down the development degree and rate of creep effect of concrete，shortening the test period of creep experiment.

concrete；creep，accelerate drying；long-term experiment

TU528

A

1009-0312（2014）03-0097-05

2014-06-03

廣東省省級“質量工程”大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（2012）。

*通訊作者：孫璨（1980—），男，江蘇淮安人，講師，博士，主要從事新型建筑材料研究。