邸元秀

(中國水利水電第十二工程局有限公司施工科學(xué)研究所，浙江 建德 311600)

限制收縮下混凝土斷裂和誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力特性測定法

邸元秀

(中國水利水電第十二工程局有限公司施工科學(xué)研究所，浙江 建德 311600)

采用鋼環(huán)試驗方法測定混凝土在限制收縮下斷裂和誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力特性,以確定不同膠凝材料的拌合物早期斷裂的相對可能性,以及在誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力下拌合物材料變化的相對結(jié)果和斷裂潛在性,為水利水電土建工程混凝土原材料的選擇提供參考。

鋼環(huán)試驗方法;混凝土;限制收縮;斷裂;誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力;斷裂潛在性

1 試驗?zāi)康?/h2>

本試驗方法用于確定不同膠凝材料混凝土拌合物早期斷裂的相對可能性，有助于水泥材料的選擇;同時可用來確定在誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力下混凝土材料變化的相對結(jié)果和斷裂潛在性。

2 試驗設(shè)備(測試裝置)

(1)鋼環(huán)。鋼環(huán)可由鋼管制作而成，鋼環(huán)尺寸要求:壁厚(13±1)m m，外徑(330±3)m m，高度(150±6)m m，測試裝置視圖如圖1所示。鋼環(huán)內(nèi)表面和外表面光滑度要求:紋理1.6 μ m或更細。

圖1 測試裝置視圖

圖示尺寸 尺寸要求/m m A 13±1 B 330±3 C 405±3 D 150±6

(2)應(yīng)變計。至少采用2只電阻應(yīng)變計，以監(jiān)測鋼環(huán)內(nèi)應(yīng)力的發(fā)展變化情況。每只應(yīng)變計應(yīng)配置有1/4電橋的金屬絲。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)與應(yīng)變儀器相配套，每只應(yīng)變計要求獨立自動記錄。系統(tǒng)的分辨率應(yīng)為±0.0000005m/m。該系統(tǒng)要求記錄數(shù)據(jù)的時間間隔不超過30m i n。

(4)基座。用環(huán)氧涂層膠合板或其他無吸附性能及非活性面層制作基座。

(5)外環(huán)。使用下列材料之一作為外環(huán):①聚氯乙烯管——按照A ST M F441/F441M《氯化聚氯乙烯(C P V C)塑料管標準》中表80-18規(guī)定，配置聚氯乙烯管材外環(huán):內(nèi)徑(405±3)m m，高度(150 ±6)m m，如圖1所示。②鋼板——由厚度為3m m的鋼板構(gòu)成:內(nèi)徑(405±3)m m，高度(150±6)m m。③其他材料——無吸附性能和非活性材料構(gòu)成的外環(huán):內(nèi)徑(405±3)m m，高度(150±6)m m。

3 試驗步驟

3.1 拌合物原材料及拌合物性能試驗

(1)水泥性能應(yīng)符合A ST M C 150《硅酸鹽水泥標準》、A ST M C 595《混合水硬性水泥標準》及A ST M C 1157《水硬性水泥性能標準》。

(2)骨料性能應(yīng)符合A ST M C 33《混凝土集料規(guī)程》。粗骨料最大粒徑要求為13m m或以下。

(3)混凝土拌合物應(yīng)進行密度、含氣量和坍落度試驗。密度和含氣量試驗按照 A ST M C 138/ C 138M《混凝土密度、產(chǎn)量及含氣量標準測定方法》進行;坍落度試驗按照A ST M C 143/C 143M《水硬性水泥混凝土坍落度標準試驗方法》進行。

3.2 試樣制備與養(yǎng)護

(1)沿著鋼環(huán)直徑在內(nèi)表面高度中間位置處安裝2個應(yīng)變計(即:2個應(yīng)變計在環(huán)內(nèi)壁高度中間位置處沿直徑相向)。通過旋轉(zhuǎn)應(yīng)變計來測量圓環(huán)周圍方向的應(yīng)變。應(yīng)變計應(yīng)有防水裝置，用導(dǎo)線連接鋼環(huán)與應(yīng)變片。

(2)試模應(yīng)由一個基座，一個內(nèi)鋼環(huán)和一個外鋼環(huán)組成:①為每個試件制做一個基座，每個基座頂面應(yīng)盡量減少與試件的磨擦阻力。②在裝模之前，用螺栓和偏心墊圈將鋼環(huán)和基座固定，如圖1所示，并在鋼環(huán)內(nèi)外表面涂一層隔離劑。③采用螺栓和偏心墊圈固定外鋼環(huán)與基座，試模安裝完成。內(nèi)鋼環(huán)與外鋼環(huán)之間保持(38±1.5)m m的間距。

(3)不同材料的拌合物至少應(yīng)制作并養(yǎng)護3個試件，試驗條件應(yīng)符合A ST M C 192/C 192M《實驗室中混凝土試樣制備和養(yǎng)護的標準操作規(guī)程》的要求。在制作試件時，將試模放置在振動臺上，試模內(nèi)填充大致相等的2層拌合料，用直徑為10m m的振搗棒每層振搗75次，振動每層填充料使拌合物成為一體。

(4)拌合物振實后將試件表面修刮平整，并清除溢出鋼環(huán)內(nèi)側(cè)或外環(huán)外側(cè)的混凝土，以保持基座干凈。試件成型后應(yīng)在10m i n之內(nèi)移至試驗環(huán)境中。

(5)試驗環(huán)境要求溫度為(23±2)℃，相對濕度(50±4)%。

(6)將試件移至測試環(huán)境中，立即松開帶有偏心墊圈的螺栓，并旋轉(zhuǎn)墊圈，避免與鋼環(huán)及外環(huán)接觸。松開帶有偏心墊圈的螺栓后，在2m i n之內(nèi)將應(yīng)變計導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，同時記錄時間，在時間間隔不超過30m i n內(nèi)開始監(jiān)測應(yīng)變計。保持應(yīng)變計連接導(dǎo)線處于自然松馳狀態(tài)。將第一次應(yīng)變測量時間視為試件齡期計時點。

(7)除特殊規(guī)定外，根據(jù) A ST M C 171《養(yǎng)護混凝土用薄板材標準》要求，試件在模具中養(yǎng)護期要用聚乙烯薄膜覆蓋，并鋪上濕麻袋，在(23±2)℃條件下保濕養(yǎng)護24h。第一次應(yīng)變讀數(shù)后5m i n之內(nèi)開始進入養(yǎng)護期。如果養(yǎng)護期大于24h，在養(yǎng)護24h后移去外環(huán)，繼續(xù)進行養(yǎng)護。

(8)在養(yǎng)護末期和測量應(yīng)變之間，按如下步驟準備干燥試件，并要求在15m i n內(nèi)完成試件的準備工作。①移去試件上的外鋼環(huán)、聚乙烯薄膜和麻袋。②如果有松散材料存在，可輕輕地從試件的頂表面清除。③使用下列任意一種方法來密封試件頂表面:石蠟密封法——用熔化的石蠟涂在試件頂表面，應(yīng)采取一定的措施以保證試件外圍不粘石蠟;鋁箔膠帶粘合劑密封法——用鋁箔膠帶粘合劑密封試件頂表面。④ 試件密封之后即為干燥起始點，也視為第一次應(yīng)變讀數(shù)的時間。

3.3 測量程序

(1)按本測試方法前款規(guī)定，記錄應(yīng)變監(jiān)測起始時間。

(2)每天記錄測試環(huán)境的溫度和相對濕度。

(3)在每一次測量時應(yīng)記錄時間和應(yīng)變。監(jiān)測鋼環(huán)內(nèi)應(yīng)變的時間間隔不應(yīng)超過30m i n，分別記錄每個應(yīng)變計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)。一個或兩個應(yīng)變計的壓力應(yīng)變突然下降，表明試件斷裂。時間間隔在3d內(nèi)，檢查應(yīng)變測量情況，并目視檢查試件的斷裂情況。

(4)從試件干燥起始點起，監(jiān)測和記錄鋼環(huán)內(nèi)的應(yīng)變至少持續(xù)28d，試件在28d之前發(fā)生斷裂除外。

(5)繪制每一個應(yīng)變計的鋼環(huán)應(yīng)變與對應(yīng)的試件齡期關(guān)系，如圖2所示。

圖2 鋼環(huán)應(yīng)變與試件齡期關(guān)系

4 試驗結(jié)果及斷裂潛在性分類

4.1 斷裂期

每個試件的應(yīng)變突然下降點確定為斷裂期(從試件成型起開始測量)。每個試件的斷裂期計算結(jié)果精確至0.25d。在試驗期間如試件未發(fā)生斷裂，報告結(jié)果為“未發(fā)生斷裂”，并記錄測試終止期。試件的平均斷裂期計算值精確至天。

4.2 初始應(yīng)變

每個應(yīng)變計的時間與應(yīng)變數(shù)據(jù)關(guān)系圖中，與試件干燥起始點相對應(yīng)的應(yīng)變，記錄為初始應(yīng)變(如圖2所示)。

4.3 最大應(yīng)變

每個試件的各個應(yīng)變計顯示的時間與應(yīng)變數(shù)據(jù)關(guān)系中，與斷裂期或測試終止期相對應(yīng)的應(yīng)變，記錄為最大應(yīng)變。當發(fā)生斷裂時，應(yīng)變突然下降之前的應(yīng)變值即為最大應(yīng)變。

4.4 平均最大應(yīng)變(εmax)

計算每個試件的平均最大應(yīng)變。

4.5 應(yīng)力速率(s)

在試件斷裂期或測試終止期相對應(yīng)的拉伸應(yīng)力變化率，按下列步驟計算。

(1)經(jīng)歷時間(t)。根據(jù)每次記錄的時間與試件干燥起始點的差值，計算每個試件所經(jīng)歷時間。

(2)凈應(yīng)變(εnet)。從試件干燥起始點開始，每次記錄時間時，根據(jù)鋼環(huán)應(yīng)變與初始應(yīng)變的差值，計算試件上每個應(yīng)變計的凈應(yīng)變。

(3)應(yīng)變速率因子(α)。繪制每個測試應(yīng)變計的凈應(yīng)變與所經(jīng)歷時間的平方根關(guān)系圖表，通過數(shù)據(jù)，運用線性回歸分析擬合直線，可以得出應(yīng)變速率因子即為直線的斜率:

式中:εnet—凈應(yīng)變，m/m;α—試件上每個應(yīng)變計的應(yīng)變速率因子(m/m)·d-1/2;t—經(jīng)歷時間，d; k—回歸常數(shù)。

(4)平均應(yīng)變速率因子 αavg。計算每個試件的平均應(yīng)變速率因子。

(5)在試件斷裂或測試終止時計算應(yīng)力速率:

式中:s—單個試件的應(yīng)力速率，MP a/d;G—72.2 G P a，與本測試方法中使用的鋼環(huán)的尺寸相關(guān)的一個常數(shù);—試件的平均應(yīng)變速率因子的絕對值，(m/m)·d-1/2;tr—試件斷裂經(jīng)歷時間，或每個試件測試終止所經(jīng)歷時間，d。

(6)平均應(yīng)力速率S-。試驗結(jié)果取不少于3個試件的應(yīng)力速率平均值，平均應(yīng)力速率計算結(jié)果精確至0.01MP a/d。

4.6 試驗結(jié)果報告

在試驗報告中應(yīng)記錄與變量研究有關(guān)的下列數(shù)據(jù):被測試材料的性能:混凝土拌合物的配合比、含氣量、坍落度、密度;養(yǎng)護方法和養(yǎng)護持續(xù)時間;測試環(huán)境溫度和相對濕度;繪制每個試件的鋼環(huán)應(yīng)變與對應(yīng)的齡期關(guān)系圖;平均斷裂期;在測試期間未發(fā)生斷裂的試樣的測試終止期;平均初始應(yīng)變;平均最大應(yīng)變;繪制每個試件的凈應(yīng)變與對應(yīng)的經(jīng)歷時間的平方根關(guān)系圖;試件斷裂時或測試終止時的平均應(yīng)力速率。

4.7 試驗結(jié)果準確度

單次試驗斷裂期重復(fù)性標準偏差為2d。對于平均應(yīng)力速率等于或小于0.28MP a/d的試件，單次試驗斷裂應(yīng)力速率重復(fù)性標準偏差為0.03MP a/d。對于平均應(yīng)力速率大于0.28MP a/d的試件，單次試驗斷裂應(yīng)力速率重復(fù)性標準偏差為0.08MP a/d。

4.8 斷裂潛在性分類

根據(jù)試件的有效抗裂期和平均應(yīng)力速率測定值對斷裂潛在性進行分類。斷裂潛在性分類見表1。

(1)有效抗裂期(tcr)。根據(jù)試件斷裂期與干燥起始點的差值，計算試件的有效抗裂期，如果在養(yǎng)護期斷裂(即干燥起始之前)，則抗裂期為零。

(2)斷裂潛在性?；谟行Э沽哑诤蛿嗔鸦驕y試終止時的平均應(yīng)力速率，所作出的斷裂潛在性分類表，有助于材料的選擇比較。

(3)表1中有效抗裂期分類可用于評估在測試期間斷裂的材料的相對性能。

(4)在測試期間沒有發(fā)生斷裂的且平均應(yīng)力速率低于0.10MP a/d的材料，平均應(yīng)力速率的大小可用來比較評估斷裂相對潛在性。由于時間限制不允許試驗進行至斷裂發(fā)生的情況下，平均應(yīng)力速率可用于材料的比較選擇。

5 結(jié)語

本試驗方法適用于非膨脹性材料以及骨料最大公稱粒徑為13m m或以下的的混凝土拌合物?；炷猎牧系淖兓ǖ幌抻?骨料來源、骨料級配及含水量，水泥品種及用量，輔助性膠凝材料，或化學(xué)外加劑。對于在試驗過程中沒有發(fā)生斷裂的材料，在試驗終止時的拉伸應(yīng)力變化率可作為材料選擇的依據(jù)。本試驗方法可測定原材料及配制比例的變化對混凝土在限制收縮下發(fā)生斷裂的影響結(jié)果，僅為水利水電土建工程混凝土原材料的選擇提供參考。

［1］ASTM C1581/C1581M～2009a.Standard Testmethod forDeterminingAgeatCracking and Induced TensileStressCharacteristicsofmortarandConcreteunderRestrained Shrinkage.

T V 41

B

1008-1305(2016)05-0025-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.011

2016-04-14

邸元秀(1972年—)，女，高級工程師。