秦 煜，劉來君，支喜蘭，張柳煜

（長安大學(xué)a.公路學(xué)院；b.特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064）

混凝土橋梁構(gòu)件早期開裂一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重要問題。受到自身或外界約束時，早齡期混凝土應(yīng)變（由水化反應(yīng)、收縮等內(nèi)因和環(huán)境溫度、濕度等外因產(chǎn)生）會產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土開裂，進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至安全性。現(xiàn)澆混凝土橋梁構(gòu)件早期開裂現(xiàn)象尤為多見。

早齡期混凝土應(yīng)變問題已有較多研究成果。Aitcin等提出混凝土自收縮主要發(fā)生在初凝至1d齡期內(nèi)，之后自收縮增加速率趨于緩慢[1]。Nassif等認(rèn)為對于非常低的w／c＋p，粉煤灰輕集料提高了混凝土自收縮性能[2]。高小建等認(rèn)為其他配合比參數(shù)不變時混凝土早期自收縮與水灰質(zhì)量比的關(guān)系近似成二次方程[3]。張武滿和孫偉[4]指出高性能混凝土早期自收縮隨測試時間、砂率和針片狀骨料含量的增加而增大，隨骨料最大粒徑的增大而減小。已有研究工作主要集中在混凝土早期收縮的影響因素[1，3－6]、收縮試驗 研 究[7－8]、各種混凝土早齡期收縮特性[9－11]等。但早齡期混凝土在大氣溫度下應(yīng)變隨時間變化的試驗研究尚未見報道。

通過早齡期混凝土應(yīng)變隨溫度、時間變化的模擬試驗，采集混凝土試件應(yīng)變及重量變化數(shù)據(jù)，分析不同配合比混凝土在溫度影響下的應(yīng)變差異，探討在日氣溫連續(xù)變化影響下早齡期混凝土應(yīng)變隨時間變化的規(guī)律。

1 試驗方案設(shè)計

試驗?zāi)康模和ㄟ^中國北方（指淮河、秦嶺和昆侖山以北的廣大區(qū)域[12]）7月份日氣溫變化模擬環(huán)境下的應(yīng)變試驗，得出早齡期混凝土在日氣溫連續(xù)變化影響下的應(yīng)變時變規(guī)律。受氣候影響，夏季是中國北方橋梁施工的主要季節(jié)。故選取7月作為模擬試驗的時間點。

試驗流程：

1）制作2組（每組6個）不同配合比的混凝土試件，規(guī)格尺寸為100mm×100mm×400mm。

3）環(huán)境箱內(nèi)溫度設(shè)為18.5℃，在試件移入之前預(yù)熱1h。待試件移入后，保持環(huán)境箱內(nèi)恒溫18.5℃。恒溫1h之后，確定位移傳感器初始值，開始模擬環(huán)境下的應(yīng)變試驗。

4）環(huán)境箱內(nèi)溫度隨時間變化歷程安排見表1，升溫（降溫）速率恒定為±1.4℃／h。一個完整的溫度變化歷程為T0～T12，共計24h。

表1 溫度隨時間變化歷程

1951—2000年間中國北方[12－13]7月平均日最高氣溫35℃，平均日最低氣溫18.5℃；夏季（6－8月）平均最高氣溫28.9℃，平均最低氣溫17.4℃。中國北方夏季（6－8月）日最低氣溫與最高氣溫出現(xiàn)時間之間相差10～12h，試驗取12h。

5）環(huán)境箱內(nèi)溫度、試件應(yīng)變數(shù)據(jù)采集周期為2min。應(yīng)變數(shù)據(jù)采集持續(xù)2個歷程，共計48h。在試驗開始前、第1個24h結(jié)束、第2個24h結(jié)束等3個時間點，采集試件重量數(shù)據(jù)。

2 試驗材料及方法

2.1 原材料及配合比

水泥，采用陜西秦嶺水泥廠生產(chǎn)的“秦嶺”牌P.042.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)集料，采用乳山市徐家村砂場的中砂。粗集料，采用煙臺市利龍石子廠的石灰?guī)r碎石。減水劑，采用徐州市超力建筑材料有限公司生產(chǎn)的CUF-3引氣緩凝高效減水劑。混凝土試件的配合比見表2。

表2 混凝土試件配合比

2.2 試驗儀器及方法

試驗儀器為長安大學(xué)公路學(xué)院支喜蘭教授和胡宗文自主研制的“材料收縮變形測試儀”，如圖1所示。

圖1 材料收縮變形測試儀

材料收縮變形測試儀由：（1）環(huán)境箱（1為圖中編號，下同）、（2）套管、（3）溫度傳感器、（4）傳導(dǎo)桿、（5）膠木墊、（6）位移傳感器支架、（7）套管、（8）位移傳感器、（9）保溫層、（10）冷凝管、（11）玻璃墊板、（12）試件支架、（13）支架、（14）壓縮機管、（15）打印機、（16）工業(yè)控制計算機、（17）A／D轉(zhuǎn)換器、（18）壓縮機、（19）減震墊、（20）橫梁、（21）稱重傳感器、（22）加熱帶、（23）試件、（24）風(fēng)扇聯(lián)接構(gòu)成。

回望來路，不改初心；牢記使命，不負(fù)重托。改革開放40年來，云南舉全省之力，守護(hù)“山水林田湖草”生命共同體，呵護(hù)青山綠水，藍(lán)天白云，努力爭當(dāng)全國生態(tài)文明建設(shè)排頭兵。

環(huán)境箱的上頂面安裝有6個位移傳感器支架，每個支架上配置一個通過導(dǎo)線與A／D轉(zhuǎn)換器相連接的位移傳感器。其型號為WYD，位移測試分辨率達(dá)到萬分之3，精度為0.1μm，可確保測試結(jié)果的精度。位移傳感器將接收到的位移信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出到A／D轉(zhuǎn)換器，后者將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出到工業(yè)控制計算機。

環(huán)境箱底面的橫梁固定在支架上。橫梁上用螺紋緊固聯(lián)接件安裝有6個稱重傳感器，型號為BK－5系列。稱重傳感器通過導(dǎo)線與A／D轉(zhuǎn)換器相連接。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 收縮應(yīng)變分析

圖2為以t1為零點的24h內(nèi)，A、B 2組試件應(yīng)變隨溫度、時間的變化。試件放入養(yǎng)生室時間設(shè)為t0，時刻t1＝t0＋9h（8h養(yǎng)生＋1h恒溫），t2＝t1＋24h。圖中應(yīng)變數(shù)據(jù)為每組6個試件應(yīng)變的算術(shù)平均值。膨脹應(yīng)變?yōu)檎担湛s應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。圖3為以t2為零點的24h內(nèi)，A、B 2組試件應(yīng)變隨溫度、時間的變化。

圖2 時刻t1為起點的試件應(yīng)變

由圖2—3可見，第1個24h內(nèi)的收縮應(yīng)變大于第2個24h，但膨脹應(yīng)變小于后者。這是因為隨著齡期增長（水泥水化程度提高），混凝土中孔隙率減小，相同環(huán)境溫度影響下混凝土的收縮應(yīng)變減小、膨脹應(yīng)變增大。

18.5 ～35℃升溫過程中（即0～12h之間），混凝土應(yīng)變整體呈膨脹走勢，但出現(xiàn)數(shù)次膨脹收縮交替變化，其中有2次劇烈收縮的應(yīng)變差值（即1次劇烈收縮的應(yīng)變變化幅度）可達(dá)600×10－6以上，見圖4。35～18.5℃降溫過程中（即12～24h之間），混凝土應(yīng)變整體呈收縮走勢，并伴隨著幅度較小的膨脹收縮交替且頻次較高，但仍會出現(xiàn)較為劇烈的收縮，其應(yīng)變差值可達(dá)500×10－6以上，見圖5。這主要是因為：1）混凝土內(nèi)部溫度對環(huán)境溫度的響應(yīng)過程為具有一定滯后性的熱傳導(dǎo)過程。2）混凝土中毛細(xì)孔水、吸附水、層間水散失引起的干燥收縮。而且環(huán)境溫度升高將導(dǎo)致混凝土干燥收縮增大。因為溫度越高，水泥石中托勃莫來石凝膠的層間水失去越多，水泥石收縮越大。3）混凝土中干燥收縮與溫度的擴(kuò)散速度不同。溫度擴(kuò)散速度比干縮擴(kuò)散要快大約1000倍。

圖3 時刻t2為起點的試件應(yīng)變

圖4 升溫過程中劇烈收縮應(yīng)變

圖5 降溫過程中劇烈收縮應(yīng)變

圖2—3顯示，混凝土并非在35℃（即溫度最高點）膨脹應(yīng)變達(dá)到最大，而是在最高溫度過后約1h。在膨脹應(yīng)變達(dá)到最大值后，將會出現(xiàn)降溫過程中的第1次劇烈收縮?；炷羶?nèi)部溫度對環(huán)境溫度是具有一定滯后性的熱傳導(dǎo)響應(yīng)過程。響應(yīng)過程取決于兩個方面：1）作為驅(qū)動力的混凝土內(nèi)外溫差或溫度梯度；2）表征混凝土熱物性的導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)叵禂?shù)的大小。試驗環(huán)境箱內(nèi)升降溫速率恒定，所以較低的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度對環(huán)境溫度的滯后響應(yīng)。

同時應(yīng)注意到，在整個試驗過程中，混凝土應(yīng)變增加或減小的變化速率大致相同。這是受到試驗環(huán)境箱內(nèi)恒定升降溫速率的影響。出現(xiàn)應(yīng)變變化速率不相同的原因可能是環(huán)境箱內(nèi)溫度變化速率與混凝土中溫度擴(kuò)散速度的差值發(fā)生變化（水分散失等引起），從而混凝土內(nèi)外溫度梯度產(chǎn)生變化，導(dǎo)致應(yīng)變變化速率改變。

3.2 混凝土重量變化

表3為各階段試件的平均重量。w0為試驗開始前各組試件重量的平均值。w1為t1＋24h時刻各組試件重量的平均值。w2為t2＋24h時刻各組試件重量的平均值。由Δ1、Δ2可知，混凝土試件重量減小。這是由于混凝土中的水和環(huán)境空氣處于某一平衡狀態(tài)，如果周圍介質(zhì)空氣的濕度降低或溫度升高，混凝土就會發(fā)生水分散失。存在于硬化水泥漿體中的水包括毛細(xì)孔水、吸附水、層間水和化學(xué)結(jié)合水。除化學(xué)結(jié)合水存在于水化反應(yīng)的水化物晶體中不可散失外，其余3種水在環(huán)境濕度低于一定值時都可散失。

表3 試件混凝土重量 kg

表4為2組混凝土試件的重量變化率?？梢?，隨著齡期增長，重量變化率減小。第1個24h的混凝土重量變化率大約是第2個24h的2倍。在相對濕度較大或濕混凝土開始干燥時，混凝土重量變化由毛細(xì)管水散失引起；在相對濕度較小時，重量變化是由于先后散失了吸附水和層間水。毛細(xì)管水與固相的聯(lián)系力很小，吸附水、層間水與水泥石固相之間是物理吸附作用。所以隨著混凝土不斷干燥及水分散失難度增大，混凝土重量變化率會逐漸減小。

同時可看到，A組試件重量變化率小于水灰比相對較大的B組試件。這是因為水灰比小的混凝土微觀結(jié)構(gòu)密實、毛細(xì)孔平均孔徑小，不易與環(huán)境進(jìn)行水分交換，水分散失難度較大。

表4 混凝土重量變化率

3.3 配合比的影響

由圖2—3可見，相同水用量、砂率、減水劑摻量，不同水灰比的混凝土，應(yīng)變隨溫度、時間變化規(guī)律基本相同。表5為2組試件應(yīng)變的算術(shù)平均值?？梢?，水灰比越小，收縮應(yīng)變越大、膨脹應(yīng)變越小。這是因為水灰比較小的混凝土微觀結(jié)構(gòu)致密，平均孔徑??；毛細(xì)孔徑越小，內(nèi)部相對濕度迅速降低，從而產(chǎn)生越大的應(yīng)力和收縮。

表5 應(yīng)變的算術(shù)平均值

表6為2組試件之間最大應(yīng)變差值。εA、εB分別為A組、B組試件的應(yīng)變。在溫度最高點附近，不同水灰比混凝土之間的膨脹應(yīng)變差值達(dá)到最大。在之后出現(xiàn)的降溫過程中第1次劇烈收縮時，收縮應(yīng)變差值達(dá)到最大。因為水灰比是影響早齡期混凝土應(yīng)變的重要因素。用水量對混凝土收縮的影響比水泥用量更大。在用水量一定的條件下，混凝土干縮隨水泥用量的增加而增大，但增大幅度較小。

表6 最大應(yīng)變差值

4 結(jié) 論

1）在3d齡期內(nèi)，日氣溫變化影響下，混凝土多次出現(xiàn)量級達(dá)100×10－6的劇烈收縮。以中國北方7月典型日氣溫（18.5℃～35℃）變化影響為例，劇烈收縮至少出現(xiàn)4次，應(yīng)變差值可達(dá)600×10－6以上。

2）隨齡期增長，混凝土重量變化率明顯減小。僅水灰比不同的2種混凝土，其應(yīng)變隨溫度、時間變化的規(guī)律基本相同。但不同水灰比混凝土之間的膨脹應(yīng)變差值達(dá)100×10－6以上，收縮應(yīng)變差值達(dá)200×10－6以上。

3）在受到自身或外界約束時，劇烈收縮應(yīng)變將會產(chǎn)生極易使混凝土開裂的應(yīng)力。為減少混凝土橋梁構(gòu)件早期開裂，應(yīng)高度重視日氣溫變化對早齡期混凝土應(yīng)變的巨大影響。

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