李兆宇,張錦濤

(中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710016)

1 研究背景

混凝土抗裂性問題是土木工程界長期關注的熱點問題,是影響混凝土構筑物安全性和耐久性的關鍵因素。在實際工程中,原材料性能及配比、施工質量、溫控措施、環(huán)境條件等均影響混凝土的抗裂性能。而利用試驗方法客觀的評價混凝土抗裂性能,是有效降低開裂風險的前提[1]。

常見的混凝土抗裂性評價試驗方法為圓環(huán)法、平板法和溫度-應力試驗架法。ASTM C1581—2018a[2]中均采用圓環(huán)法,以開裂齡期、裂縫寬度等參數(shù)作為指標,評價均勻約束條件下混凝土干燥收縮對開裂的影響。圓環(huán)法約束程度普遍不高,試樣開裂敏感性較低,ASTM C1581—2018a試驗中約束程度最高約為75%。CECS 01—2004，GB 50082—2009[3]中采用平板法,通過測量裂縫長度和寬度,以每條裂縫的開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)量和單位面積的總開裂面積作為指標,評價平板薄壁結構混凝土塑性收縮和干燥收縮對混凝土開裂的影響。由于裂縫位置隨機、裂縫數(shù)量及寬度測量準確性差,導致試驗結果重復性差。溫度-應力試驗法適用于評價大體積混凝土溫度場變化及強約束條件下的抗裂性,可綜合反映各因素的相互作用,但試驗設備昂貴、過程復雜,應用極少[4-7]。

為提高圓環(huán)約束程度,增加開裂的敏感性,學者開展了不同方式的圓環(huán)約束裝置改進試驗[8-12]。我國部分學者采用外方內圓的偏心約束裝置,通過增加可預知位置的開裂,有效提高了混凝土開裂的敏感性[13-16]。Barrett[17]通過引入溫度應力,采用雙環(huán)約束結合圓環(huán)外部循環(huán)控溫系統(tǒng)的試驗方法,研究了溫度收縮和自收縮條件下粉煤灰預濕骨料砂漿的抗裂性。Briffaut et al[18]采用流體循環(huán)系統(tǒng)控制銅環(huán)的溫升,研究混凝土環(huán)溫升條件下的早期開裂敏感性(銅環(huán)的熱膨脹系數(shù)是混凝土環(huán)的3倍)。

綜上所述,圓環(huán)法雖然應用普遍,但其約束程度較低,試驗結果不理想。本文開展了基于彈性力學理論、綜合考慮溫度收縮條件下的圓環(huán)實驗裝置理論分析,計算不同參數(shù)對圓環(huán)約束度的影響;根據(jù)分析結果設計了新型混凝土抗裂性能評價試驗系統(tǒng),并驗證了其有效性。

2 實驗裝置理論分析和數(shù)值計算

2.1 理論分析

約束圓環(huán)裝置(如圖1所示)以彈性力學[19]為理論基礎,遵循彈性力學五大基本假定(連續(xù)性、線彈性、均勻性、各向同性、小變形),在此基礎上,采用極坐標處理方式,可得到直角坐標系下的平衡方程、幾何方程以及物理方程，見式(1)～式(3)。

平衡方程:

(1)

幾何方程:

(2)

物理方程:

(3)

其中，E為材料的彈性模量,MPa;fr為體力,N;ur為徑向位移,mm;εr為徑向應變,mm;εθ為環(huán)向應變,mm;ν為材料的泊松比；σr為徑向應力,MPa;σθ為環(huán)向應力,MPa。

溫降條件下,平衡方程和幾何方程同等溫情況一致。彈性體的應變將由彈性體內部之間相互約束所引起的應變和溫度作用產生的溫度應變兩者疊加構成,因此溫度應力條件下,試驗裝置的物理方程式可表示為:

(4)

其中，T為溫度變化值;α為材料的線膨脹系數(shù)。

(5)

對式(5)微分方程求解、代入幾何方程可得到徑向應力σr和環(huán)向應力σθ的表達式:

(6)

因此分別建立約束鋼環(huán)和混凝土環(huán)的表達式如下:

約束鋼環(huán):

(7)

混凝土環(huán):

(8)

其中，c1c,c2c均為混凝土環(huán)參數(shù);c1s,c2s均為鋼環(huán)參數(shù)。

取鋼環(huán)內半徑為a,鋼環(huán)外半徑為b,混凝土環(huán)內半徑為b,混凝土環(huán)外半徑為c。混凝土環(huán)邊界條件r=b時,σrs=σrc;r=c時,σrc=0。鋼環(huán)邊界條件r=a時,σra=0。聯(lián)立求解得:

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 解析與數(shù)值計算結果分析

通過參數(shù)c1c,c2c,c1s,c2s建立鋼環(huán)和混凝土環(huán)的應力、應變、位移的解析表達式,分別分析鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、約束鋼環(huán)厚度、溫降大小等因素對混凝土抗裂性的影響。

2.2.1 參數(shù)設計

分析不同參數(shù)對混凝土環(huán)的約束程度時,除研究參數(shù)外,混凝土環(huán)外半徑c=212.5 mm,內半徑b=152.5 mm,彈性模量Ec=3×104MPa,泊松比νc=0.2,線膨脹系數(shù)αc=10×10-6/℃;鋼環(huán)厚度6 mm,其內半徑a=146.5 mm,彈性模量Es=1.42×105MPa,泊松比νs=0.3,線膨脹系數(shù)αs=1×10-6/℃;溫降為40 ℃。

2.2.2 不同因素對混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應力的影響

由于混凝土所承受的抗拉強度大于其極限抗拉強度時,混凝土產生開裂。因此本文研究了不同參數(shù)對混凝土環(huán)環(huán)向拉應力的影響。

1)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)對混凝土和鋼環(huán)應力的影響。

鋼環(huán)線膨脹系數(shù)分別采用αs=0，αs=2×10-6/℃,αs=4×10-6/℃,αs=6×10-6/℃,αs=8×10-6/℃,αs=10×10-6/℃。用解析法和ABAQUS有限元數(shù)值分析法分別計算不同鋼環(huán)線性膨脹系數(shù)條件下混凝土環(huán)與鋼環(huán)環(huán)向應力,計算結果見圖2。

由圖2可知,鋼環(huán)、混凝土環(huán)環(huán)向應力解析解與數(shù)值計算結果趨勢一致,驗證了理論分析的準確性。

溫降條件下,當鋼環(huán)和混凝土環(huán)線膨脹系數(shù)均為10×10-6/℃時,兩者隨溫度的下降共同收縮,不產生環(huán)向應力;當鋼環(huán)與混凝土環(huán)線膨脹系數(shù)不同時,鋼環(huán)產生環(huán)向壓應力,混凝土環(huán)產生環(huán)向拉應力。隨鋼環(huán)線膨脹系數(shù)的不斷降低,兩者產生的應力逐漸增大,當鋼環(huán)線膨脹系數(shù)降低至0×10-6/℃時,混凝土環(huán)內側產生的環(huán)向拉應力達4.4 MPa。因此溫降條件下,鋼環(huán)的線膨脹系數(shù)越低,混凝土環(huán)所受約束度越高?；炷镰h(huán)環(huán)向拉應力最大值出現(xiàn)在混凝土環(huán)內側,隨半徑的增加略有下降。

2)鋼環(huán)厚度對混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應力的影響。

采用不同鋼環(huán)厚度(6 mm,8 mm,10 mm,12 mm),分別計算混凝土和鋼環(huán)的環(huán)向應力,見圖3。

由圖3可知,溫降條件下,混凝土環(huán)的環(huán)向拉應力隨鋼環(huán)厚度的增加有增加趨勢,鋼環(huán)厚度為12 mm時混凝土環(huán)產生的環(huán)向拉應力為6 mm的1.46倍;混凝土環(huán)的環(huán)向拉應力隨鋼環(huán)厚度的增加有降低趨勢,鋼環(huán)厚度為12 mm時鋼環(huán)產生的環(huán)向拉應力為6 mm的0.72倍。隨鋼環(huán)厚度的增加,混凝土環(huán)所受約束度越高,鋼環(huán)自身產生應變的敏感性越低。

3)溫降幅度對混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應力的影響。

采用不同溫降幅度(20 ℃,30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃)計算混凝土和鋼環(huán)的環(huán)向應力,見圖4。

由圖4可知,混凝土環(huán)、鋼環(huán)的環(huán)向拉應力與溫降幅度成正相關,溫降幅度越大,鋼環(huán)、混凝土環(huán)的環(huán)向應力越大,混凝土環(huán)拉應力隨溫降幅度的增加迅速增加,溫降60 ℃混凝土最大環(huán)向拉應力是溫降20 ℃的3倍。

4)混凝土早期彈性模量對混凝土環(huán)和鋼環(huán)環(huán)向應力的影響。

采用不同的混凝土環(huán)彈性模量Ec(1×104MPa,2×104MPa,3×104MPa,4×104MPa)分別計算混凝土和鋼環(huán)的環(huán)向應力,見圖5。

由圖5可知,溫降條件下,混凝土環(huán)環(huán)向應力隨混凝土早期彈性模量的增加呈逐漸增加趨勢,混凝土早期彈性模量4×104MPa時混凝土環(huán)最大環(huán)向拉應力是1×104MPa的約1.97倍。

根據(jù)不同影響因素對混凝土環(huán)的約束程度的數(shù)值計算可以看到,鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、溫降幅度對混凝土約束度影響顯著;鋼環(huán)厚度、混凝土早期彈性模量對混凝土約束程度有一定程度的影響;鋼環(huán)厚度的增加對鋼環(huán)的應變靈敏度有不良影響。

3 約束圓環(huán)裝置試驗驗證

3.1 試驗設計

3.1.1 裝置設計

1)根據(jù)理論與數(shù)值計算結果,選用低線膨脹系數(shù)銦鋼鋼環(huán)(0.254×10-6/℃,0 ℃～80 ℃),彈性模量142 GPa、鋼環(huán)尺寸φ305 mm×δ6 mm×100 mm、厚度6 mm,提高其對混凝土環(huán)約束程度的同時,保證鋼環(huán)應變檢測的靈敏度。

2)設計可編程控制養(yǎng)護箱,引入溫度應力,增加混凝土環(huán)的開裂敏感性、縮短試驗周期、提高試驗成功率。

3)采用DH3816N型靜態(tài)應變儀器,BE120-40A型應變片(電阻120 Ω,-30 ℃～80 ℃)。

3.1.2 方法設計

1)應變片校準:在鋼環(huán)內側粘貼應變片,采用不同溫度分別進行應變校準。2)試件成型:將混凝土拌和物裝入試模,振搗抹平,預埋熱電偶溫度計,一組三塊,同時成型標準抗壓試件,用以同條件樣品強度的測定。3)試件養(yǎng)護:養(yǎng)護箱初始溫度60 ℃,濕度為95%,帶模養(yǎng)護至拆模強度(5 MPa),繼續(xù)養(yǎng)護至試驗所需強度。4)溫降試驗:保持濕度不變,以15 ℃/h的速率降溫,記錄鋼環(huán)應變及混凝土內部溫度(5 min/次),至鋼環(huán)應變發(fā)生突變時停止。5)數(shù)據(jù)處理:取出試件,觀察裂縫情況,記錄開裂溫差及最大應變。

3.1.3 原材料及配合比設計

1)原材料。

水泥:P.Ⅱ52.5;硅灰:SiO2質量分數(shù)94.6%,比表面積19 m2/g;外加劑:聚羧酸減水劑,固含量25%。

2)配合比設計。

試驗采用的配合比見表1。

表1 混凝土配合比 kg

3)試驗設計。

按表1配合比拌和混凝土,采用3.1.2試驗方法,分別養(yǎng)護至5 MPa，15 MPa，25 MPa,評價不同抗壓強度時混凝土抗裂性。

3.2 結果分析

混凝土試件開裂破壞形態(tài)見圖6,混凝土開裂試驗結果見表2。

表2 混凝土開裂試驗結果匯總表

由圖6可知,混凝土環(huán)在溫降條件下均出現(xiàn)貫穿性裂縫,裂紋細小,增加了開裂的敏感性。由表2可知,混凝土環(huán)的開裂溫差隨抗壓強度的提高有降低趨勢,鋼環(huán)峰值應變有增高趨勢,5.8 MPa的混凝土開裂溫差較15.7 MPa和25.3 MPa分別提高了15.7%，24.0%。由于混凝土早期強度和彈性模量較低,塑性變形能力強,混凝土抗裂性較后期好。

4 結論

1)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)對鋼環(huán)、混凝土環(huán)環(huán)向應力的影響的解析解與數(shù)值分析結果相近、趨勢一致,驗證了溫度應力條件下理論分析的準確性。

2)鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、溫降幅度對混凝土約束度影響顯著;鋼環(huán)厚度、混凝土早期彈性模量對混凝土約束程度有一定程度的影響。

3)綜合利用銦鋼鋼環(huán)、可編程溫控養(yǎng)護箱及應變采集裝置,提供了一種混凝土抗裂的新型試驗裝置,可有效提高混凝土環(huán)的約束程度,增加其開裂敏感性。

4)利用新型試驗裝置進行不同強度下混凝土的抗裂性評價試驗,混凝土環(huán)均出現(xiàn)貫穿性裂縫,混凝土環(huán)的開裂溫差隨抗壓強度的提高有降低趨勢,5.8 MPa的混凝土開裂溫差較15.7 MPa和25.3 MPa分別提高了15.7%，24.0%,驗證了試驗裝置的有效性,為混凝土溫降條件下抗裂性評價提供了一種有效方法。