荊 銳，亢景付，蔣元成

(1.天津大學建筑工程學院/濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室(天津大學),天津 300072;2.四川省建筑設(shè)計研究院,成都 610000)

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溫度升高20～50 ℃對混凝土彈性模量的影響探究

荊 銳1，亢景付1，蔣元成2

(1.天津大學建筑工程學院/濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室(天津大學),天津 300072;2.四川省建筑設(shè)計研究院,成都 610000)

彈性模量是混凝土的重要力學指標，是混凝土結(jié)構(gòu)計算分析中的關(guān)鍵參數(shù)，不同溫度下混凝土彈性模量如何變化一直是人們比較關(guān)心的問題。本文采用一種加熱保溫裝置，給混凝土試件施加均勻溫度場，在不同溫度下給試件施加壓力；用壓力傳感器測量試件承受壓力，應(yīng)變計測量試件變形，根據(jù)不同溫度下的應(yīng)力和應(yīng)變計算了試件的彈性模量，分析了不同溫度下混凝土彈性模量的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，常溫下當溫度升高為20～50 ℃時，混凝土彈性模量隨溫度變化不明顯，可以近似按常數(shù)處理。

混凝土結(jié)構(gòu)； 彈性模量； 溫度變化； 試驗測定

1 引 言

混凝土的彈性模量是研究該材料性能的重要力學指標，它表明了受外力作用時的混凝土材料內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系；它更是混凝土結(jié)構(gòu)溫度變形計算和限裂設(shè)計計算中不可或缺的因素之一。

混凝土在現(xiàn)代建設(shè)中占有十分重要的地位，在混凝土結(jié)構(gòu)的使用過程中由于溫度變化往往出現(xiàn)較大溫度應(yīng)力。在常溫下，一般混凝土溫度應(yīng)力的計算公式中，都不考慮溫度變化對混凝土彈性模量的影響[1-4]；高溫下(100 ℃以上)[5]，混凝土的彈性模量將隨溫度升高而減小。當常溫內(nèi)溫度變化時，并沒有相關(guān)的試驗研究能夠直接證明混凝土彈性模量隨著溫度的變化保持不變。為了能夠直接觀察混凝土試件在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，本文通過混凝土應(yīng)變計來測量試件的變形，壓力傳感器來感知試件溫度升高后的應(yīng)力變化，探索混凝土在常溫范圍內(nèi)升高幅度為20 ℃至50 ℃時，彈性模量隨溫度的變化規(guī)律。

2 試 驗

2.1 試驗儀器及材料

(1)試驗器材：混凝土應(yīng)變計、千分表、壓力傳感器、溫度傳感器、PVC套筒、電熱帶(天津鵬志電熱帶制造有限公司生產(chǎn))、壓力試驗機。

(2)混凝土配合比見表1。

表1 實驗混凝土配合比

其中，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，普通河沙，Dmax為30mm的石灰?guī)r石子。試件尺寸：φ105×370，試件數(shù)量：3個。

2.2 試件制作與加載方法

圖1是試件的內(nèi)部剖面圖。試件的制作方法如下：

圖1 試件構(gòu)成示意圖Fig.1 The constitution of specimens

(1)以內(nèi)徑為105mm、高度為400mm的PVC厚壁管作為試件內(nèi)混凝土圓柱體的模具，在混凝土澆筑前，將應(yīng)變計和熱電偶各1支并列排放在模具中心處并保證兩支儀器位置不變；

(2)在混凝土澆筑后的第8天，用混凝土切割機將已成型的混凝土試件兩端各切去15mm以保證混凝土試件兩端相互平行且光滑不粗糙，然后拆模并養(yǎng)護；

(3)在混凝土試件28d養(yǎng)護后，為保持混凝土試件內(nèi)濕度不變，對其進行密封：在混凝土試件的圓柱面用電熱帶緊密纏繞后再用塑料薄膜進行包裹，隨后將其放置在內(nèi)徑為200mm的PVC套筒的中央，最后用聚氨酯泡沫填縫劑將混凝土試件與PVC套筒間的縫隙填滿。

此種溫度荷載施加方法的優(yōu)點是試件與加熱保溫裝置形成一體且體積小，可以放在普通壓力機或伺服式試驗機的上下承壓板之間進行溫度變形的研究和測定，也可采用壓力傳感器測量試件的受壓應(yīng)力，而采用水浴或油浴加熱方法卻無法做到。

在試驗過程中施加溫度荷載時，如何保證試件溫度的均勻性和穩(wěn)定性是確保試驗數(shù)據(jù)準確的關(guān)鍵。接通220V電源后，電熱帶給混凝土試件加熱，試件的溫度是沿半徑方向不斷變化的，且熱量是由外側(cè)傳遞至中心處；接電升溫后，試件外側(cè)邊緣的溫度最高，試件中心位置的溫度最低，斷電后試件內(nèi)部溫度自行調(diào)整并逐漸達到均勻狀態(tài)。經(jīng)多次測定，試件內(nèi)部溫度達到均勻穩(wěn)定分布時所需的調(diào)整時間為8～10min[6]。

2.3 應(yīng)變計的工作原理

試驗所用應(yīng)變計是振弦式應(yīng)變計，通過其鋼弦的振動頻率與拉力的變化關(guān)系來測量應(yīng)變計所在處的應(yīng)變。在應(yīng)變計預(yù)埋在混凝土試件后，應(yīng)變計與混凝土成為一個整體，二者變形一致，通過應(yīng)變計的頻率可以計算出混凝土應(yīng)變[7]。由振弦式應(yīng)變計頻率變化計算混凝土應(yīng)變的公式為：

ε1=K(f02-fi2)

(1)

其中，K為靈敏度系數(shù)，f0為初始頻率，fi為受力后的頻率。在有溫度變化時，由于溫度對應(yīng)變計的影響，應(yīng)變計的頻率讀數(shù)不能直接用于計算應(yīng)變，需要對頻率進行修正。本次試驗所用應(yīng)變計的計算公式如下：

1#L1i=3.1624×10-4×(f02-fi2-805)

(2)

2#L2i=3.5080×10-4×(f02-fi2+217)

(3)

3#L3i=3.3153×10-4×(f02-fi2+87)

(4)

其中：

Li-對應(yīng)fi的應(yīng)變量(με);

f0-初始頻率；

fi-溫度漂移后的實測頻率，fi=fi'+k(Ti+T0);

k-溫度漂移修正系數(shù)，1#、2#、3#應(yīng)變計k的取值分別為：0.23、0.20、0.22；

fi'-i時刻的實測頻率；

Ti-i時刻傳感器環(huán)境溫度。

2.4 常溫下試件彈性模量的測定

混凝土彈性模量的測定，相關(guān)規(guī)范上有比較詳細的規(guī)定[8]，由于試件和保溫裝置一體，無法安裝變形測量固定架，因此規(guī)范中的彈性模量測定方法已經(jīng)不適用了。本試驗通過預(yù)埋的混凝土應(yīng)變計來測量試件的應(yīng)變，壓力傳感器測量應(yīng)力，試件的變形和壓應(yīng)力可以直接得到，以此得到混凝土試件的靜力彈性模量。

測量試件彈性模量的步驟為：第1步，實驗前對試件進行十多次的預(yù)壓，直到應(yīng)變計的初始頻率大致相等。第2步，以每秒0.3MPa的加載速度加載，待荷載加到10kN時，保持荷載不變60s，記錄應(yīng)變計的讀數(shù)；第3步，繼續(xù)加載，按照步驟2的加載方式，每加載10kN記錄應(yīng)變計的讀數(shù)，直到荷載加到60kN；最后卸載，試驗結(jié)束，測定5次。

2.5 不同溫度下混凝土試件的彈性模量

為了探索混凝土彈性模量隨溫度變化規(guī)律，試驗過程中通過通電時間的長短來控制升溫幅度，由于保溫裝置的存在，試件的能夠保持溫度穩(wěn)定較長的時間，使試件的溫度從T0升高到Ti(i=1，2，…，15)， 為試驗時室內(nèi)溫度，Ti為通電結(jié)束后試件溫度分布均勻后的中心溫度。 在Ti溫度下，給試件施加壓力，根據(jù)實測的應(yīng)力和應(yīng)變，計算得到了該溫度下試件的彈性模量。需要說明的是，由于三個試件采用了相同的處理方式且通電時間相同，所以取三個試件溫度平均值為代表值。分別計算每個試件在該溫度下的彈性模量。

試驗步驟為：第1步，通電給試件加熱，根據(jù)需要控制加熱時間，停止通電后待試件中心溫度傳感器讀數(shù)穩(wěn)定時，記錄溫度傳感器和應(yīng)變計讀數(shù)；第2步：對試件施加壓力，記錄壓力傳感器和應(yīng)變計的讀數(shù)，試驗結(jié)束。待試件溫度降低至室溫時再進行下次試驗，試驗共進行了15次不同溫度下的測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 常溫下混凝土的靜力彈性模量

本試驗混凝土彈性模量是指3個試件的彈性模量的平均值。一次試驗測定的數(shù)據(jù)如表2，表2中應(yīng)變是通過公式(2)(3)(4)計算得到平均值，將5次測定的平均值作為該試件的彈性模量。其試驗結(jié)果如圖2所示，其中，5次試驗中，混凝土彈性模量最大值為3.14×104MPa，最小值為2.93×104MPa。對5次試驗結(jié)果線性回歸得到，此試件混凝土彈性模量的平均值為3.05×104MPa。

表2 常溫下混凝土彈性模量的測定數(shù)據(jù)

圖2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.2 The stress-strain relationship

圖3 不同溫度下的彈性模量 Fig.3 The concrete elastic modulus at different temperatures

3.2 不同溫度下混凝土彈性模量

根據(jù)應(yīng)變計測得的應(yīng)變和壓力傳感器所測得的應(yīng)力，計算了混凝土試件在 時的彈性模量，總共得到了15組不同溫度下的彈性模量值，如圖3所示。

圖3中，橫軸表示溫度升高，ΔTi=Ti-T0。從圖中可以看出，在各個溫度下的實測彈性模量變化范圍為2.86×104MPa至3.20×104MPa之間，與室溫下測得的彈性模量變化范圍2.93×104MPa至3.14×104MPa吻合較好。

圖4 應(yīng)力的實測值與理論值的關(guān)系 Fig.4 The relationship between calculated and measured value

為了更加直觀的得到溫度變化是否對混凝土彈性模量有影響。按Ti溫度下應(yīng)變計測得的應(yīng)變和 溫度下的彈性模量計算各個溫度下的試件的應(yīng)力，并與實測應(yīng)力相對比，應(yīng)力的理論計算值與實測值的關(guān)系如圖4。從圖中數(shù)據(jù)規(guī)律可以看出，應(yīng)力實測值與理論值線性關(guān)系良好，二者比例系數(shù)為1，表明在溫度升高20～50 ℃時，混凝土的彈性模量與T0時幾乎相等，溫度對混凝土彈性模量的影響可以忽略不計。

3.3 機理分析

混凝土是非勻質(zhì)的多空多相復合材料，由粗骨料、細骨料、水泥石、水、空氣等組成，其彈性模量與其材料組成密切相關(guān)；各組成材料所占體積分數(shù)不同，其彈性模量就不同[9]。對于一個已成形的混凝土試件，其材料組成已定，不考慮其它外界條件影響時其彈性模量就是一個定值。隨著試件溫度升高，微觀上由于各組分材料的熱膨脹性能不同，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個材料所占體積發(fā)生變化，混凝土材料的彈性模量也將隨之改變。當溫度在常溫范圍內(nèi)變化時，混凝土材料微觀上的變化對其宏觀上的彈性模量影響太小，可以忽略不計。隨著溫度繼續(xù)升高(超過100 ℃)，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化比較明顯，溫度的變化將對其彈性模量產(chǎn)生明顯的影響[5]。

本文研究，對傳統(tǒng)的理論計算方法提供了試驗依據(jù)。常溫范圍內(nèi)溫度變化不大時，混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中溫度應(yīng)力的計算時，可以忽略溫度變化對彈性模量的影響。

4 結(jié) 論

(1)本文的試驗方法能夠直接測量混凝土試件在20～50 ℃溫度下的應(yīng)力應(yīng)變;

(2)驗證了溫度在常溫范圍內(nèi)溫度升高20～50 ℃時，混凝土彈性模量基本上保持不變，采用常溫下測得的彈性模量計算試件在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變是可行的。

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Influence of Temperature Rising by 20 ℃ to 50 ℃ onConcrete Elastic Modulus

JING Rui1,KANG Jing-fu1,JIANG Yuan-cheng2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity/KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafety(TianjinUniversity),MinistryofEducation,Tianjin300072,China;2.SichuanProvincialArchitecturalDesignandResearchInstitute,Chengdu610000,China)

Elasticmodulusisanimportantmechanicalindexofconcrete,isakeyparameteronconcretestructurecalculationandanalysis,andthechangelawatdifferenttemperatureshasbeenissuesthatpeopleareconcerningabout.Inthispaper,uniformtemperaturefieldwasappliedontheconcretespecimensbyelectricheatingstrap,theloadwasappliedonspecimensatdifferenttemperatures,thespecimen'sstrainwasgotbystraingauge,andstressofthespecimenwasmeasuredbypressuresensor.Basedonthestressandstrainatdifferenttemperatures,elasticitymodulusofthespecimenwascalculated,andthevariationlawoftheelasticitymodulusofconcreteatdifferenttemperatureswasanalyzed.Thetestresultsshowedthat,innormaltemperature,whenthetemperaturerises20-50 ℃,thechangeofconcreteelasticmoduluswithtemperatureisnegligible，anditsvaluecanbehandledbyaconstant.

concretestructure;modulusofelasticity;temperature;testmeasurement

荊 銳(1987-)，男，博士.主要從事混凝土性能方面的研究.

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1001-1625(2016)12-4207-05