寒冷地區(qū)海洋環(huán)境下高性能混凝土?xí)r變特性試驗(yàn)研究

馮 博，朱 海，錢永久

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

混凝土的時(shí)變性能受多方面因素的綜合影響,其定量分析較復(fù)雜。目前,針對混凝土?xí)r效特性的探索關(guān)鍵主要從兩個(gè)方面展開:①由材料自身本構(gòu)關(guān)系起始探索混凝土?xí)r效周期的表現(xiàn)形式;②從物理試驗(yàn)角度出發(fā),尋找一種實(shí)用有效的預(yù)測模型[1]。目前尚未找到一種準(zhǔn)確分析理論或有效預(yù)測模型來準(zhǔn)確量化所有類型混凝土的時(shí)變特性[2]。由于具有高度不確定性,收縮徐變對結(jié)構(gòu)的后期承載力有極大影響,是混凝土?xí)r變最重要的特性,但要精準(zhǔn)預(yù)估其對橋梁的長期性能影響仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。針對混凝土構(gòu)件的徐變影響探索,主要通過近似模擬進(jìn)而逼近真實(shí)變化情況進(jìn)行[3-5]。

目前,我國工程建設(shè)中混凝土材料的關(guān)鍵指標(biāo)以及時(shí)變性能主要依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范確定,但規(guī)范中混凝土參數(shù)取值并未考慮不同自然環(huán)境對其的影響。然而,真實(shí)的工程結(jié)構(gòu)位于復(fù)雜的場地自然環(huán)境下,混凝土產(chǎn)品的原始性能、功效演化機(jī)制都和標(biāo)準(zhǔn)的理想化預(yù)測模型有很大的差異,再加上收縮緩慢變化干擾條件的不確定性,這些都使得混凝土?xí)r變特性具有極強(qiáng)的不確定性,實(shí)際情況與規(guī)范中的預(yù)測模型符合程度較差。與此同時(shí),常用的預(yù)估模型普遍運(yùn)用于常規(guī)混凝土,測試環(huán)境也大部分在較為規(guī)范的實(shí)驗(yàn)室中,測試條件相對理想,在此環(huán)境下獲取的試驗(yàn)結(jié)果與天然環(huán)境下的高性能混凝土的實(shí)際性能有一定偏差,結(jié)論普適性不高[13-14]。如何讓基于標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)估數(shù)值,或者室內(nèi)試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)值與實(shí)際工程場地下橋梁的時(shí)效特征較好的符合,一直以來都是研究者們的難題和探索目標(biāo)。

綜上,由于實(shí)際場地環(huán)境條件和橋梁建設(shè)進(jìn)程互相融合,在橋梁建設(shè)過程中展開同位同標(biāo)準(zhǔn)的混凝土?xí)r效特征試驗(yàn)研究,是解決以上難題行之有效的方法,獲取的成果對橋梁的前期設(shè)計(jì)與運(yùn)營期服役養(yǎng)護(hù)均有指導(dǎo)作用。鑒于此,本研究采用同位同條件試驗(yàn)對寒冷地區(qū)海洋環(huán)境下高性能混凝土的時(shí)效機(jī)能演化機(jī)制實(shí)施探究,可為該地區(qū)同類橋梁結(jié)構(gòu)施工以及運(yùn)營服役長期收縮徐變控制提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

1 混凝土?xí)r變特性基本理論

1.1 混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變理論

混凝土的抗壓強(qiáng)度為其最重要的性能參數(shù),因而對構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行時(shí)效機(jī)制探索和預(yù)估十分必要。為了簡化分析過程,學(xué)者們制定了不同的時(shí)效演化機(jī)制規(guī)范,而CEB-FIP規(guī)范[15-16]被普遍運(yùn)用于混凝土性能時(shí)效演化的預(yù)測。CEB-FIP—2010[16]對混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了修正,即

fcm(t)=βcc(t)fcm,28

(1)

(2)

式中:fcm(t)為齡期t時(shí)為混凝土平均抗壓強(qiáng)度;fcm,28為齡期為28 d時(shí)混凝土的平均抗壓強(qiáng)度;t為混凝土的齡期;βcc(t)為與齡期相關(guān)的系數(shù);s為水泥種類的相關(guān)系數(shù),在CEB-FIP—1990[15]中取0.25,CEB-FIP—2010[16]中取0.20。

區(qū)分于常見混凝土,由于高性能混凝土中摻合料和添加劑的干擾,應(yīng)基于真實(shí)場地環(huán)境條件對s的取值進(jìn)行修正。修正后的HPC抗壓強(qiáng)度計(jì)算式[16]為

(3)

1.2 混凝土彈性模量時(shí)變理論

彈性模量作為混凝土材料的另外一個(gè)重要參數(shù),通常受服役環(huán)境和時(shí)間的影響,呈現(xiàn)較為顯著的時(shí)變特性,考慮CEB-FIP—2010規(guī)范[16]要求,對混凝土的彈性模量隨時(shí)間的變化進(jìn)行預(yù)測,即

Eci(t)=[βcc(t)]0.5·Eci,28

(4)

式中:Eci(t)為齡期為t時(shí)的彈性模量;Eci,28為混凝土齡期為28 d時(shí)的彈性模量。

1.3 混凝土收縮特性時(shí)變理論

在實(shí)際工程案例中,不一樣的構(gòu)件位于相同的服役場景中,能夠把環(huán)境因素作為控制變量,主要區(qū)別為構(gòu)件大小對其收縮特征的影響,所以精準(zhǔn)地預(yù)估模型應(yīng)該可以與不同尺寸構(gòu)件的收斂進(jìn)度保持高度的統(tǒng)一性。同樣基于CEB-FIP—2010[16]的要求,考慮構(gòu)件尺寸效應(yīng),預(yù)測模型的相關(guān)參數(shù)計(jì)算式為

(5)

式中:βds為參考收斂的抗壓強(qiáng)度伴隨時(shí)間進(jìn)展系數(shù);h為混凝土試件理論厚度,h=2A/u,A為構(gòu)件的橫截面面積,u為截面周長,ts為混凝土干燥開始時(shí)的齡期。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土的時(shí)效特性發(fā)展規(guī)律受多因素干擾影響,為便于分析,試驗(yàn)中通常采用單一變量依次探究方法,經(jīng)過控制其他變量來探究單一變量的時(shí)變特性。因場地條件、混凝土自身參數(shù)普遍存在較高的隨機(jī)性,且其對混凝土?xí)r效本質(zhì)的干擾明顯,常見理想狀態(tài)下的室內(nèi)測驗(yàn)很難精確復(fù)現(xiàn)橋梁橋位的真實(shí)場地因素。本文利用同位同參數(shù)維護(hù)部件的專業(yè)“同位維護(hù)”,通過控制變量保證測試的構(gòu)件與實(shí)際橋梁構(gòu)件位于相同的外部環(huán)境中,降低外部偏差。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)研究對象為納潮河2#大橋,該橋位于唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū),此地域橋梁的場地環(huán)境溫度受季節(jié)干擾較大,長期以來年平均氣溫低于13 ℃,最高氣溫達(dá)39 ℃,極限最低氣溫為-20 ℃,晝夜溫差大,而且該地區(qū)的相對濕度穩(wěn)定在66%左右,是較為典型的寒冷海洋環(huán)境。試驗(yàn)試件的混凝土用料配合比設(shè)計(jì)及參數(shù)指標(biāo)見表1、表2。

表1 高性能混凝土配合設(shè)計(jì)

表2 高性能混凝土參數(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)同步采用橋梁施工中所用的高性能混凝土,試件與橋梁段施工混凝土同期澆筑,并將其放置于橋梁施工段附近專門的同位養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)場,與橋梁構(gòu)件同時(shí)養(yǎng)護(hù)。本區(qū)多年平均氣溫12.5 ℃,最高氣溫32.9 ℃,最低氣溫-14.8 ℃。該地區(qū)多年平均降雨量764.2 mm,年最大降雨量1 219.6 mm,年最小降雨量412.0 mm。當(dāng)高性能混凝土達(dá)到要求的凝期后,對選取的構(gòu)件開展抗壓強(qiáng)度、彈性模量、收縮以及徐變試驗(yàn)研究。

1)強(qiáng)度試件

制作6組強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試件,每組6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件,混凝土標(biāo)號為C50,試件與大橋主跨T構(gòu)同時(shí)施工澆筑。各組試件的試壓齡期見表3。按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14],選取尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方試件進(jìn)行抗壓測試。

表3 強(qiáng)度試件分組

2)彈性模量試件

彈性模量測試部件同樣為6組,每組6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件,仍選用C50混凝土,構(gòu)件大小采用抗壓彈性模量標(biāo)準(zhǔn)部件尺寸。試件在試壓測試時(shí)的養(yǎng)護(hù)齡期如表4所示。

表4 彈性模量試件分組情況

3)收縮試件

收縮試件分為兩種尺寸:100 mm×100 mm×515 mm、300 mm×300 mm×2 500 mm,每種6個(gè)。由于縱筋與橫筋交叉布置會對混凝土收縮產(chǎn)生約束作用,該部分均采用素混凝土試件,不內(nèi)置鋼筋。為精確獲取應(yīng)變值,應(yīng)變傳感器安裝于試件內(nèi)部并整體澆筑。分段對試件進(jìn)行測量:第一階段測試開始于拆模后,隨后每天一次,直到齡期滿足28 d;然后開始第二階段,每兩天進(jìn)行測試,直到齡期滿足60 d;最后為第三階段,每周進(jìn)行一次測試,直至試驗(yàn)結(jié)束。

4)徐變試件

徐變混凝土試件澆筑9個(gè),每個(gè)試件內(nèi)配置4根直徑10 mm的縱筋,并選用直徑6 mm的箍筋間距300 mm布置。試件尺寸為300 mm×300 mm×3 500 mm。預(yù)應(yīng)力的鋼束選用單束7φ15.2。振弦式傳感器整體澆筑于試件內(nèi)部兩側(cè)?；炷笼g期滿足3、5、28 d時(shí)對每組試件進(jìn)行張力測試。檢測周期為:拆模檢測一次,隨后每天固定檢測一次,直到張力施加環(huán)節(jié);在張力測試階段實(shí)驗(yàn)前后各進(jìn)行一次檢測,實(shí)驗(yàn)后每天都進(jìn)行檢測直到28 d齡期;然后每2 天進(jìn)行一次測試,直到滿足60 d齡期;最后每周檢測一次,一直到測試完結(jié),徐變試件尺寸大小見圖1,本研究中徐變試件應(yīng)力水平為0.35 MPa。

圖1 徐變試件尺寸(單位:cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5,由表5可知,6組混凝土構(gòu)件的立方體抗壓強(qiáng)度平均值。對于ST3試件,其抗壓強(qiáng)度測試的平均值為45.93 MPa,滿足GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中對混凝土試件強(qiáng)度所要求數(shù)值;對于ST28試件,其抗壓強(qiáng)度平均值為70.60 MPa,遠(yuǎn)高于規(guī)范中所要求的標(biāo)準(zhǔn)值,因此滿足C50的設(shè)計(jì)等級要求。

表5 抗壓強(qiáng)度實(shí)測平均值及發(fā)展比例

為了對比分析本文寒冷環(huán)境高性能混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與常溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)值的異同,本文通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料,依據(jù)試驗(yàn)工況設(shè)置條件,給出文獻(xiàn)[17]的試驗(yàn)值作為對照,具體對比分析見表6。

表6 寒冷與常溫環(huán)境高性能混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對比

從表6中結(jié)果來看,試件齡期分別為3、5 d時(shí),寒冷環(huán)境高性能混凝土抗壓強(qiáng)度本文試驗(yàn)值小于常溫環(huán)境文獻(xiàn)[17]試驗(yàn)值,說明常溫環(huán)境下高性能混凝土初凝更為迅速,但之后隨著試件齡期的增大,寒冷環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸大于常溫環(huán)境,這可能是由于隨著齡期的增加,溫度效應(yīng)作用逐漸減弱,最終強(qiáng)度與混凝土試件添加劑及其配合比有關(guān)。但兩者總體偏差較小,基本在10%以內(nèi)。

試件實(shí)測抗壓強(qiáng)度及基于CEB-FIP—1990[15]和CEB-FIP—2010[16]的預(yù)測抗壓強(qiáng)度時(shí)變特征值見圖2。

圖2 抗壓強(qiáng)度時(shí)變特性曲線

從圖2可以看出:高性能混凝土抗壓強(qiáng)度在初期(7 d內(nèi))進(jìn)展迅猛,隨著齡期延長(7 d后)而放緩。雖然從第14 天起,實(shí)測強(qiáng)度和預(yù)估值吻合程度很高,然而在3、5、7 d時(shí)的實(shí)測值都遠(yuǎn)超出預(yù)估值。以上結(jié)果與混凝土所取用的摻合料品質(zhì)、減水劑的添加、外部場地溫度,以及維護(hù)養(yǎng)護(hù)手段都有很大關(guān)系。分別將CEB-FIP—1990[15]和CEB-FIP—2010[16]的抗壓強(qiáng)度預(yù)測值與試驗(yàn)實(shí)測值對比可以看出,CEB-FIP—2010[16]的預(yù)測結(jié)果在初期明顯優(yōu)于CEB-FIP—1990[15],隨著時(shí)間的推移,兩個(gè)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的混凝土抗壓強(qiáng)度估計(jì)量逐漸接近實(shí)際指標(biāo)。整體對比結(jié)果表明,采取現(xiàn)存規(guī)范機(jī)制預(yù)估高性能混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變趨勢時(shí),會低估其初期(7 d前)抗壓強(qiáng)度。

CEB-FIP—1990[15]和CEB-FIP—2010[16]中水泥影響因子s分別取0.25和0.20,對高性能混凝土?xí)r變性能而言,s是對抗壓強(qiáng)度十分關(guān)鍵的影響因素,且該參數(shù)與混凝土摻合料和添加劑有著密切的聯(lián)系。針對本橋的高性能混凝土,需把實(shí)測部件作為標(biāo)尺,通過不同周期實(shí)測抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)施解析回歸,進(jìn)行參數(shù)s修訂。修訂后的s取0.16,得抗壓強(qiáng)度時(shí)變表達(dá)式為

(6)

根據(jù)式( 6 )得到抗壓強(qiáng)度預(yù)測趨勢曲線的修訂結(jié)果,其與抗壓強(qiáng)度實(shí)測值的對比見圖3。從圖3可以看出,當(dāng)s=0.16時(shí),預(yù)測曲線與實(shí)測值吻合得很好,表明針對本橋高性能混凝土的特點(diǎn),采用修正后的抗壓強(qiáng)度解析表達(dá)式能夠很好地預(yù)測高性能混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變規(guī)律。

圖3 修正后的強(qiáng)度曲線

3.2 彈性模量

彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表7,其給出了6組不同測試齡期混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的平均值。由表7可知,當(dāng)試件齡期為3 d時(shí),其實(shí)測彈性模量平均值為32.33 GPa,略低于文獻(xiàn)[14]中的標(biāo)準(zhǔn)值34.5 GPa;逐步增加混凝土測試齡期,其彈性模量實(shí)測值與齡期呈線性關(guān)系;當(dāng)測試齡期達(dá)到28 d時(shí),實(shí)測彈性模量平均值達(dá)到了48.45 GPa,遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[14]中的標(biāo)準(zhǔn)值。

表7 試件彈性模量平均值及發(fā)展比例

同樣地,為了對比分析寒冷環(huán)境下高性能混凝土彈性模量試驗(yàn)值與常溫環(huán)境彈性模量的異同,仍以文獻(xiàn)[17]的試驗(yàn)值作為對照,給出了兩種試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)值,具體試驗(yàn)結(jié)果對比分析見表8。

表8 寒冷與常溫環(huán)境高性能混凝土彈性模量試驗(yàn)對比

從表7中可看出,其與高性能混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律一致,當(dāng)試件齡期分別為3、5 d時(shí),寒冷環(huán)境下的彈性模量試驗(yàn)值小于常溫環(huán)境[17]的試驗(yàn)值,同樣由于常溫環(huán)境下混凝土初凝更為迅速,此后,隨著齡期增加,寒冷環(huán)境下混凝土彈性模量試驗(yàn)值逐漸大于常溫環(huán)境[17]混凝土彈性模量試驗(yàn)值。

表9為3種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范關(guān)于高性能混凝土彈性模型的預(yù)測值,并將該預(yù)測值和實(shí)測值進(jìn)行比較分析。從表9中可以看出,JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]、CEB-FIP—2010[16]以及EN 1992-2—2005[18]規(guī)定的C50混凝土彈性模量分別為34.5、36.3、35.0 GPa,如考慮時(shí)變特性,28 d齡期按照3種規(guī)范推算得到的彈性模量預(yù)測值分別為37.01、39.79、38.28 GPa。如若出現(xiàn)添加引氣劑,或者較高砂率的泵送混凝土且無實(shí)測數(shù)據(jù)的情況,3種規(guī)范均采用乘以0.95的折減系數(shù)應(yīng)對。28 d齡期的高性能混凝土彈性模量實(shí)測平均值為48.45 GPa,由此得出:采用3種規(guī)范推算得到的28 d齡期混凝土彈性模量雖遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值,但仍小于實(shí)測數(shù)據(jù),這表明既有標(biāo)準(zhǔn)對于高性能混凝土的能力預(yù)估存在一定的不足,亟待改進(jìn)。

表9 規(guī)范推算彈性模量與實(shí)測值對比結(jié)果 GPa

根據(jù)表7的混凝土試件彈性模量試驗(yàn)結(jié)果,參照式( 3 ),同樣取s=0.16,則高性能混凝土彈性模量隨齡期發(fā)展的實(shí)測值,以及根據(jù)文獻(xiàn)[16]得得到的預(yù)測值見圖4。從圖4中可以得出,當(dāng)混凝土試件齡期低于9 d時(shí),混凝土彈性模量預(yù)測值大于實(shí)測值,隨著時(shí)間的持續(xù)變化,預(yù)測值與實(shí)際值基本吻合。

圖4 彈性模量曲線

(7)

修正后彈性模量預(yù)測曲線與實(shí)測值的對比見圖5。由圖5可知,修正后的彈性模量預(yù)測曲線與各齡期測試值能夠很好吻合,表明早期彈性模量發(fā)展滯后的不足可以通過式( 7 )進(jìn)行修正彌補(bǔ)。

圖5 彈性模量修正曲線

3.3 收縮特性

實(shí)際工程中,工作環(huán)境對不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料參數(shù)影響不大,但不同尺寸引起的尺度效應(yīng)會導(dǎo)致實(shí)際結(jié)果與預(yù)測模型有顯著差異。由此可見,有效的混凝土收縮預(yù)測模型理應(yīng)能夠與不同尺寸部位構(gòu)件的收縮變化保持較高的一致性。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究截面邊長a取100、300 mm時(shí)試件收縮應(yīng)變實(shí)測值隨齡期發(fā)展規(guī)律,兩者的收縮對比見圖6。從圖6中可以得出,a=100 mm時(shí)試件收縮應(yīng)變明顯大于a=300 mm時(shí),收縮應(yīng)變受構(gòu)件尺度效應(yīng)影響顯著。

圖6 不同構(gòu)件收縮曲線

圖6還反應(yīng)了兩種尺寸試件的收縮應(yīng)變發(fā)展趨勢,兩者都呈現(xiàn)出30 d前快速增長,30 d后發(fā)展減緩的趨勢。與常用的混凝土有所不同,雖然高性能混凝土前10 d齡期收縮發(fā)展趨勢迅猛,但收縮應(yīng)變的收斂區(qū)域也出現(xiàn)得相對較早。小尺寸的混凝土構(gòu)件擁有更短的收縮前期,且收縮終值較大,但其收縮的發(fā)展收斂區(qū)域更為狹小,這一現(xiàn)象的形成是因?yàn)槌叽缧〉幕炷翗?gòu)件擁有更大的暴露于環(huán)境的外表面,這使得混凝土內(nèi)部水分迅速揮發(fā),較早收縮以致收斂。

同樣地,為了對比分析寒冷條件及常溫條件下高性能混凝土收縮應(yīng)變的差異,依據(jù)試驗(yàn)條件參數(shù),取a=100 mm,并考慮高性能混凝土配合比等試驗(yàn)參數(shù)的匹配性,選用文獻(xiàn)[19]中常溫環(huán)境下編號C3的試驗(yàn)組作為對照進(jìn)行對比分析,見圖7。

圖7 寒冷環(huán)境與常溫環(huán)境高性能混凝土收縮應(yīng)變實(shí)測值對比(a=100 mm)

從圖7可以看出,常溫環(huán)境下收縮應(yīng)變試驗(yàn)值在整個(gè)齡期內(nèi)均大于寒冷環(huán)境下的試驗(yàn)值,且隨著試件齡期增大,二者差距進(jìn)一步增大,但總體來看當(dāng)試件齡期大于120 d以后,兩種試驗(yàn)收縮應(yīng)變均趨于穩(wěn)定。從對比結(jié)果可知,溫度對高性能混凝土收縮應(yīng)變試驗(yàn)值的影響較為顯著,寒冷環(huán)境能夠抑制高性能混凝土收縮應(yīng)變的發(fā)展。

由于現(xiàn)有收縮徐變預(yù)測模型都屬于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?所考慮的影響因素不盡相同。作為對比,本文選擇CEB-FIP—1990[15]、2010[16]、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1992-2—2005[18],以及GL 2000[20]模型和實(shí)測值進(jìn)行比較,對所選的4類模型的適用性進(jìn)行研究,模型考慮的各影響因素如表10所示,分析結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 實(shí)測值與不同預(yù)測模式對比(a=100 mm)

圖9 實(shí)測值與不同預(yù)測模式對比(a=300 mm)

表10 預(yù)測模型考慮的影響因素

由圖8和圖9可以分析得到:CEB-FIP—1990[15]標(biāo)準(zhǔn)模型的收縮應(yīng)變在各齡期均為最小,整體收縮區(qū)間預(yù)測值偏小。按照規(guī)范[14]要求,我國橋梁設(shè)計(jì)選用該計(jì)算模型,這會導(dǎo)致對混凝土徐變收縮的預(yù)測不足。從早期的收縮發(fā)展趨勢來看,幾類模型的短齡期內(nèi)的應(yīng)變值均低于實(shí)測值,低估了收縮發(fā)展趨勢;當(dāng)試件邊長a=100 mm時(shí),CEB-FIP—2010[16]以及GL 2000[20]模型于160 d齡期時(shí)超越了實(shí)測值,高估了收縮的后期發(fā)展;4類預(yù)測模型對于不同尺寸試件收縮的預(yù)估值具有一定差距,這是由于各預(yù)測模型均高估了小尺寸構(gòu)件全齡期內(nèi)的徐變收縮而低估了大尺寸構(gòu)件的收縮變化導(dǎo)致的。高性能混凝土具有早期收縮迅速且收斂區(qū)間窄的特性,直接使用上述幾種預(yù)測模型對高性能混凝土進(jìn)行收縮預(yù)估可能產(chǎn)生較大的偏差。

鑒于以上研究,若不對上述幾種預(yù)測模型進(jìn)行一定修正,其對高性能混凝土的收縮預(yù)測將難以滿足相關(guān)要求。為此,依托對納潮河2#大橋的實(shí)測數(shù)據(jù),以CEB-FIP—2010[16]預(yù)測模型為基礎(chǔ),對影響混凝土徐變收縮的相關(guān)時(shí)間參數(shù)以及構(gòu)件尺寸參數(shù)進(jìn)行修正,得出適用于本試驗(yàn)高性能混凝土收縮發(fā)展的預(yù)測模型。修正后的預(yù)測公式為

(8)

(9)

(10)

從收縮試驗(yàn)值與規(guī)范的預(yù)測值比較可以看出,在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)收縮的發(fā)展過程試驗(yàn)值和規(guī)范預(yù)測值都存在明顯差異。所以選用CEB-FIP—2010[16]收縮模型進(jìn)行參數(shù)擬合修正時(shí),需要考慮收縮隨時(shí)間的發(fā)展系數(shù)。

修正后的預(yù)測情況如圖10所示。

圖10 實(shí)際收縮應(yīng)變與修正預(yù)測模型比較

混凝土收縮主要表現(xiàn)為水泥硬化過程的體積收縮,其中水泥的礦物成分主要為硅酸三鈣(3CaO·SiO2),其與水相遇時(shí)能夠迅速抓住水分子螯合為結(jié)晶水,然后晶體不斷發(fā)展,形成強(qiáng)度,放出熱量的同時(shí)體積收縮。

就修正的結(jié)果而言,整體效果良好,然而要符合各種尺寸部件仍有困難。從圖10可以看出:當(dāng)齡期不足20 d時(shí),修正后的預(yù)測應(yīng)變大于實(shí)測值;當(dāng)齡期大于20 d時(shí),修正的預(yù)測模型對收縮變化后期的發(fā)展預(yù)估可能偏大。從整體來看,修正后的預(yù)測模型對HPC全齡期的收縮預(yù)測是有效的。

3.4 徐變特性

對于具有不同齡期、應(yīng)力的雙變量影響的混凝土徐變應(yīng)變對比試驗(yàn)是難以直接獲得明顯變化規(guī)律的,因此各國均通過選用不同的徐變影響系數(shù)對徐變發(fā)展規(guī)律展開研究[23-24]。根據(jù)加載時(shí)構(gòu)件的彈性模量以及不同加載時(shí)間節(jié)點(diǎn),本試驗(yàn)選取相應(yīng)的徐變系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算,圖11給出各載荷齡期的徐變系數(shù)發(fā)展趨勢。

圖11 各載荷齡期的徐變系數(shù)發(fā)展趨勢

由圖11可以看出:對于不同的加載時(shí)間,徐變系數(shù)在發(fā)展初期都變化較快。隨著時(shí)間進(jìn)程的增加(10 d齡期后),變化趨勢逐步放緩。試件于28 d加載得到的徐變系數(shù)的齡期收斂區(qū)間較短,3 d加載的齡期收斂區(qū)間較長。當(dāng)加載時(shí)的齡期節(jié)點(diǎn)相同時(shí),構(gòu)件的加載應(yīng)力變化對于徐變系數(shù)影響較小。

為對比分析寒冷條件以及常溫條件下高性能混凝土徐變系數(shù)的差異,依據(jù)試驗(yàn)條件參數(shù),選取加載時(shí)間為5 d的工況,并考慮高性能混凝土配合比等試驗(yàn)參數(shù)的一致性,選用文獻(xiàn)[25]的中編號3#的試驗(yàn)組作為對照,然后將本文寒冷環(huán)境下收縮應(yīng)變與常溫環(huán)境下的徐變系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,如圖12所示。

圖12 寒冷與常溫環(huán)境徐變系數(shù)試驗(yàn)值對比(5 d加載)

從圖12中可以看出,常溫環(huán)境下高性能混凝土徐變系數(shù)試驗(yàn)值[25]在整個(gè)齡期內(nèi)均大于寒冷環(huán)境試驗(yàn)值,當(dāng)試件齡期大于180 d以后,兩種試驗(yàn)應(yīng)變值均趨于穩(wěn)定。同樣從對比結(jié)果可知,溫度對高性能混凝土收縮應(yīng)變試驗(yàn)值的影響同樣較為顯著,寒冷環(huán)境能夠減緩和抑制高性能混凝土徐變系數(shù)的發(fā)展。

本文選用了CEB-FIP[15-16]系列、EN1992-2[18]、GL 2000[20]、 ACI 209R[21]以及AASHTO[22]模型和實(shí)測徐變系數(shù)進(jìn)行對比分析,見圖13。

圖13 徐變系數(shù)與各模型對比

由圖13可以看出:各模型預(yù)測的徐變系數(shù)發(fā)展趨勢與試驗(yàn)得到的實(shí)測值吻合較好。當(dāng)齡期小于10 d時(shí),徐變系數(shù)處于迅速上升階段;當(dāng)齡期大于10 d時(shí),徐變系數(shù)發(fā)展逐漸放緩。從加載的時(shí)間節(jié)點(diǎn)來看,加載的時(shí)間越早對徐變的影響越大。從圖13中還可以明顯的得到:GL 2000預(yù)測模型的計(jì)算結(jié)果于各齡期都明顯偏高,且ACI 209、CEB-FIP系列以及歐洲規(guī)范EN 1992-2均大于本試驗(yàn)的實(shí)測值,AASHTO模型的預(yù)測結(jié)果明顯偏小。

當(dāng)加載齡期為28 d時(shí),CEB-FIP—2010模型與本實(shí)驗(yàn)實(shí)測值有較高的擬合程度,但當(dāng)加載齡期為3 d或5 d時(shí),該模型的徐變系數(shù)均高于實(shí)測值。對于預(yù)測模型本身而言,結(jié)果總體呈現(xiàn)GL 2000>ACI 209>CEB-F2P—1990>EN 1992-2>CEB-FIP—2010>AASHTO的關(guān)系。從上述結(jié)論中可以看出,CEB-F2P—1990模型對于加載齡期敏感度較高,其早齡期加載時(shí)與EN 1992-2模型一致,而晚齡期加載時(shí)與ACI 209模型一致。

考慮各個(gè)預(yù)測模型在實(shí)際設(shè)計(jì)案例中的運(yùn)用程度,本文選用了與實(shí)測值吻合程度較高的EN 1992-2預(yù)測模型,即GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]對于混凝土結(jié)構(gòu)所采用的預(yù)測模型進(jìn)行修正,即

(11)

(12)

(13)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測模型對比可以發(fā)現(xiàn),徐變偏差與28 d強(qiáng)度有一定的相關(guān)性,且不同試驗(yàn)段偏差也不同,表明偏差還與理論厚度及加載應(yīng)力比有關(guān)。影響徐變的因素多而復(fù)雜,鑒于本次試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與完全修正一種預(yù)測模型尚有差距,本次修正僅考慮了混凝土強(qiáng)度和加載齡期對名義徐變的影響,以及加載齡期對徐變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)的影響。

修正后的預(yù)測模型與實(shí)測值比較如圖14所示。

圖14 修正預(yù)測模型與實(shí)測徐變系數(shù)對比

徐變的本質(zhì)是混凝土硬結(jié)以后,骨料之間的水泥漿,部分變?yōu)榻Y(jié)晶體,部分成為晶體間的凝膠體,具有黏性流動(dòng)的性質(zhì)。初始對混凝土施加外荷載時(shí),在加荷的瞬時(shí),結(jié)晶體與凝膠體共同承受外荷載;其后,隨著時(shí)間的推移,凝膠體由于其黏性流動(dòng)而逐漸卸荷,此時(shí)晶體承受了更多的外力,并產(chǎn)生彈性變形,從而使混凝土徐變增加,即這是由水泥凝膠體與水泥結(jié)晶體間應(yīng)力重新分布所產(chǎn)生的結(jié)果。

從圖14可以得出:校正后預(yù)測曲線的總體趨勢與實(shí)測值吻合較好,可以用來預(yù)測本研究所用的HPC徐變發(fā)展規(guī)律。不足之處在于,載荷初期徐變進(jìn)展有著些許的差異,不過在實(shí)際施工中該誤差在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

高性能混凝土受混凝土骨料、添加劑等材料因素影響,其主要特性時(shí)變規(guī)律與普通混凝土有較大的區(qū)別,因而現(xiàn)有規(guī)范中針對普通混凝土?xí)r變特性的預(yù)測理論及方法對高性能混凝土?xí)r變特性的適配性不足。鑒于此,本文采取橋梁施工同步進(jìn)行的同位同條件試驗(yàn),研究了寒冷地區(qū)海洋環(huán)境下高性能混凝土的時(shí)變特性,提出適用于高性能混凝土?xí)r變特性預(yù)測模型的簡便修正公式。主要結(jié)論如下:

1)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度在初期(7 d內(nèi))發(fā)展迅速,之后隨著時(shí)間的推進(jìn)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)展緩慢,最后趨于平穩(wěn);高性能混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展明顯高于規(guī)范預(yù)測值,表明采取現(xiàn)有規(guī)范預(yù)測高性能混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展走向時(shí),會低估其初期的抗壓強(qiáng)度值。究其原因,高性能混凝土受自身材料、添加劑等因素影響,早期凝結(jié)及其強(qiáng)度發(fā)展迅速。

2)采用我國橋規(guī)JTG 3362—2018、CEB-FIP—2010以及EN 1992-2—2005規(guī)范推算得到的28 d齡期高性能混凝土彈性模量雖遠(yuǎn)大于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值,但仍小于混凝土試塊彈性模量實(shí)測值,這表明采用既有的規(guī)范強(qiáng)度預(yù)測方法來推算高性能混凝土的彈性模量參數(shù)不盡合理,仍然會低估其彈性模量參數(shù),需要就高性能混凝土針對該參數(shù)進(jìn)行專門研究。

3)高性能混凝土早期收縮發(fā)展迅速,在短時(shí)間內(nèi)收縮應(yīng)變急劇增大;此外混凝土構(gòu)件尺寸不僅影響收縮應(yīng)變的終值,而且影響收縮應(yīng)變隨時(shí)間的發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)直接套用現(xiàn)有規(guī)范公式預(yù)測方法會低估高性能混凝土收縮應(yīng)變,最后針對高性能混凝土的收縮發(fā)展特性,發(fā)展了基于CEB-FIP—2010模型的參數(shù)修正預(yù)測模型。

4)高性能混凝土徐變發(fā)展特性加載后短時(shí)期內(nèi)急劇增大,之后增長趨勢隨齡期增加逐漸減緩;而且加載應(yīng)力越大,加載齡期越早,則徐變系數(shù)越大;高性能混凝土實(shí)測徐變發(fā)展規(guī)律與已有規(guī)范模型的預(yù)測規(guī)律存在一定的差別,具體來看,GL 2000模型預(yù)測結(jié)果偏大,AASHTO模型預(yù)測結(jié)果偏小。為了便于實(shí)際應(yīng)用,本文針對相關(guān)研究參數(shù),提出了基于歐洲規(guī)范EN 1992-2—2005修正的高性能混凝土徐變預(yù)測修正公式。

高性能混凝土?xí)r變性能演化機(jī)理與精確預(yù)測由于受多種不確定復(fù)雜因素影響,一直是研究的熱難點(diǎn)。本研究主要從試驗(yàn)角度出發(fā)研究其性能時(shí)變發(fā)展規(guī)律,并基于現(xiàn)有規(guī)范提出了相應(yīng)的修正預(yù)測公式,但對于該部分內(nèi)容演化機(jī)理理論層面的推導(dǎo)還不夠系統(tǒng)和深入,有待再后續(xù)工作中持續(xù)開展。