王仁振，汪泓吉，楊曉翔

(1.中國(guó)一冶集團(tuán)有限公司，武漢 430070；2.新材料力學(xué)理論與應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))，武漢 430070)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)施或構(gòu)筑物不斷增多?；炷劣捎谄鋬r(jià)廉物美、施工方便、承載力大、可裝飾等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為上述大型設(shè)施或構(gòu)筑物的重要組成部分，特別是水利水電工程建筑中，如渡槽等?；炷翞榇嘈圆牧希以谝恍┐篌w積的構(gòu)筑物中通常不配筋，因此在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)拉應(yīng)力或只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。而在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)行過程中，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，混凝土由于其較差的導(dǎo)熱性能，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均，進(jìn)而發(fā)生變形。當(dāng)該變形受到限制時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力：受外界約束而產(chǎn)生的外約束溫度應(yīng)力[1-5]及材料內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間相互約束產(chǎn)生的溫度自約束應(yīng)力[6,7]。研究表明溫度變化特別是驟然降溫時(shí)，混凝土表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂縫，表面裂縫在周而復(fù)始的溫度作用下將不斷延伸，這將直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能及使用壽命。因此控制溫度應(yīng)力、防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[8,9]是提高混凝土耐久性的可靠途徑之一。

目前對(duì)于混凝土溫度應(yīng)力的研究以理論和數(shù)值模擬為主[10,11]，而驟然降溫下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可忽視的溫度自約束應(yīng)力的理論與實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究較少。因此，該文以混凝土平板為例，通過改變其單面環(huán)境溫度，詳細(xì)分析了驟然降溫時(shí)混凝土溫度自約束應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，并設(shè)計(jì)兩步法實(shí)驗(yàn)方案，開展混凝土板溫度自約束應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究，考察不同降溫速率對(duì)混凝土溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響，分析其分布規(guī)律，為采用數(shù)值模擬方法計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力提供驗(yàn)證依據(jù)。

1 混凝土溫度自約束應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理及測(cè)試方法

ε約束=ε總-ε自由

(1)

自由收縮應(yīng)變不會(huì)引起應(yīng)力，要計(jì)算混凝土溫度自約束應(yīng)力，則需知道混凝土內(nèi)部自約束應(yīng)變。由于ε自由是混凝土板內(nèi)外溫度下降至一致時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變，需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。因此，ε總與ε自由不太可能在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)得。故文中采用兩步法進(jìn)行測(cè)量：先通過兩次實(shí)驗(yàn)分別測(cè)得總應(yīng)變?chǔ)趴偤妥杂蓱?yīng)變?chǔ)抛杂?，再根?jù)式(1)，得到混凝土的內(nèi)部自約束應(yīng)變?chǔ)偶s束，再根據(jù)胡克定律即可得到不同降溫速率下的混凝土溫度自約束應(yīng)力。其技術(shù)路線如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試設(shè)備

2.1 原材料配合比

此次實(shí)驗(yàn)選用的原材料如下：水泥：華新P·O42.5級(jí)水泥，細(xì)度為0.67，比表面積為350 m2/kg；細(xì)骨料：平均細(xì)度模數(shù)是2.35，堆積密度為1 400 kg/m3(細(xì)砂)；粗骨料：粒徑5～20 mm的碎石，堆積密度為1 450 kg/m3；減水劑：課題組自制的高效減水劑；水：武漢自來水。

參照J(rèn)GJ55—2011《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)C50混凝土，其配合比如表1所示。

表1 C50混凝土配合比

2.2 試件設(shè)計(jì)及制作

混凝土平板尺寸為0.5 m×0.5 m×0.05 m，將攪拌制好的混凝土裝入模具振搗密實(shí)，并將其放置在溫度為21 ℃的室內(nèi)靜置一晝夜。拆模后放置于溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

2.3 溫度應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)

采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有大型環(huán)境溫度控制箱WSD-01，動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，熱電阻溫度傳感器pt 100，應(yīng)變片BX120-30AAA(XX)(電阻為(120±0.8)Ω，熱輸出靈敏系數(shù)為0.5 με/℃)等。

實(shí)驗(yàn)前將混凝土平板進(jìn)行預(yù)處理，在平板上下面分別固定一個(gè)熱電阻溫度傳感器，以便測(cè)量上下面的溫度變化。該測(cè)試中混凝土平板較薄，為使混凝土內(nèi)外表面溫差達(dá)到最大值，在混凝土四周及下表面分布粘貼三聚氰胺泡沫保溫材料。分別選取距離混凝土平板邊緣0.07 m及正中心三點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)布置0°、45°、90°的三向應(yīng)變花，使得0°方向上的應(yīng)變片沿混凝土橫向布置，90°方向上的應(yīng)變片沿混凝土板縱向布置，如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同降溫速率對(duì)混凝土板溫度場(chǎng)的影響

該實(shí)驗(yàn)通過大型環(huán)境溫控箱對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置5 ℃的初始溫度，將C50混凝土靜置一定時(shí)間，直至混凝土總體溫度達(dá)到5 ℃左右。設(shè)定不同降溫速率，利用溫度傳感器對(duì)混凝土外表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而研究不同降溫速率對(duì)混凝土上下表面溫度的影響。圖3分別為初始溫度為5 ℃，混凝土平板在1 h內(nèi)降溫5 ℃和10 ℃時(shí)上下表面溫度隨時(shí)間變化曲線。

由圖3可知當(dāng)環(huán)境溫度按照一定降溫速率發(fā)生變化時(shí)，混凝土平板上下表面溫度均隨時(shí)間逐漸降低，由于保溫材料的作用，單位時(shí)間內(nèi)平板下表面的降溫幅度小于上表面的降溫幅度，混凝土平板上下表面溫差逐漸增大。不同降溫速率下，混凝土平板上下表面溫度及溫差各不同，降溫速率越大，混凝土平板外表面的降溫幅度越大，上下表面的溫差也越大，其數(shù)值結(jié)果如表2所示。

表2 不同降溫速率下混凝土板上下表面溫度

3.2 不同降溫速率對(duì)混凝土板總應(yīng)變的影響

為了研究混凝土結(jié)構(gòu)上下表面溫差對(duì)混凝土自約束應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)過程中分別測(cè)定了混凝土平板表面不同測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變。

圖4、圖5分別為測(cè)點(diǎn)A、B、C在初始溫度為5 ℃，降溫速率分別為5 ℃/h和10 ℃/h時(shí)，0°、45°、90°方向的應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線，降溫1 h時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值如表3所示。

表3 混凝土板總應(yīng)變

由圖4，圖5及表3數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，混凝土表面產(chǎn)生收縮變形，環(huán)境溫度降溫速率越大，這種收縮變形越明顯，同一時(shí)刻混凝土平板表面的應(yīng)變絕對(duì)值也越大；在相同降溫速率下，A、B、C三個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變-時(shí)間曲線很相似，同一時(shí)刻的應(yīng)變值也較接近，說明混凝土板的整個(gè)上表面是近似均勻的應(yīng)變場(chǎng)。

3.3 不同降溫速率對(duì)混凝土板自約束應(yīng)變及應(yīng)力的影響

以上測(cè)試得到的應(yīng)變是總應(yīng)變?chǔ)趴?，按照?shí)驗(yàn)方案第二步，還需測(cè)試混凝土自由收縮ε自由。以環(huán)境降溫速率為10 ℃/h，降溫1 h時(shí)混凝土上表面溫度作為目標(biāo)值，直至混凝土上表面溫度與混凝土下表面分別達(dá)到目標(biāo)值，記錄此時(shí)測(cè)點(diǎn)A，測(cè)點(diǎn)B，測(cè)點(diǎn)C的自由應(yīng)變平均值，見圖6。

采取同樣的方法測(cè)試降溫速率為5 ℃/h時(shí)混凝土由于自由收縮所產(chǎn)生的自由應(yīng)變，結(jié)果如表4所示。

將表3及表4數(shù)據(jù)代入公式(1)可得混凝土平板在不同降溫速率下的自約束應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表4 混凝土板自由收縮應(yīng)變

表5 混凝土板自約束應(yīng)變

在降溫過程中測(cè)得的表面應(yīng)變?yōu)榫鶠樨?fù)值，自約束應(yīng)變值均為正，說明混凝土在降溫時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。根據(jù)三個(gè)方向上的自約束應(yīng)變分量，按下述公式可以計(jì)算出溫度自約束主應(yīng)變和主應(yīng)力，如表6所示。

(2)

(3)

式中，E為混凝土的彈性模量；ν是泊松比。

表6 混凝土板表面的溫度自約束第一主應(yīng)力

可知，環(huán)境溫度降低時(shí)，混凝土板表面由于內(nèi)部自約束作用產(chǎn)生了拉應(yīng)力。降溫速率相同時(shí)，A、B、C三個(gè)測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大小相近，混凝土板表面的溫度自約束應(yīng)力的大小和測(cè)點(diǎn)的空間分布無關(guān)，說明混凝土板上表面具有近似均勻的自約束應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)降溫速率不同時(shí)，降溫速率越大，混凝土板表面的溫度自約束應(yīng)力越大。

4 結(jié) 論

該文研究了驟然降溫下混凝土板溫度自約束應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)了驟然降溫時(shí)混凝土板溫度自約束應(yīng)力的“兩步法”測(cè)試方案。通過大型環(huán)境溫度控制箱控制降溫速率，獲得了混凝土板外表面溫度自約束應(yīng)變變化曲線，得到了混凝土板外表面溫度主應(yīng)力隨降溫速率的變化規(guī)律，獲得了如下結(jié)論：

1)當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，混凝土板上下表面溫度隨時(shí)間逐漸降低，環(huán)境溫度降溫速率越快，混凝土板上下表面溫差越大。

2)混凝土板不均勻的溫度分布使得混凝土板產(chǎn)生不均勻變形，降溫幅度越大，同一時(shí)刻的變形也越大。在相同降溫速率下，混凝土板上表面A、B、C三點(diǎn)的應(yīng)變值相差較小，表明混凝土板上表面是近似均勻的應(yīng)變場(chǎng)。

3)當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，三個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算所得的溫度應(yīng)力值為正，即混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部自約束作用產(chǎn)生了拉應(yīng)力，且三個(gè)測(cè)點(diǎn)所得應(yīng)力值較接近，即混凝土板上表面具有近似均勻的溫度自約束應(yīng)力場(chǎng)，降溫速率越大，混凝土板表面的溫度自約束應(yīng)力也越大。

[1] 燕 喬,張勝利.基于ANSYS的冷卻水與混凝土對(duì)流換熱模擬研究[J].人民長(zhǎng)江,2015(5)：50-53.

[2] 馮曉波,王長(zhǎng)德,管光華.大型渡槽溫度場(chǎng)的邊界條件計(jì)算方法[J].南水北調(diào)與水利科技,2008,6(1):170-173.

[3] 張亮亮,趙艷青,楊 磊.基于ANSYS的混凝土箱梁日照溫度應(yīng)力數(shù)值分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011,31(s1):177-180.

[4] 孫紅運(yùn),方從啟,蔡 蔚,等.凍融循環(huán)下混凝土熱應(yīng)力影響因素的研究[J].混凝土,2017(5):29-32.

[5] AMIN M N,KIM J S,YUN L,et al.Simulation of the Thermal Stress in Mass Concrete Using a Thermal Stress Measuring Device[J].Cement & Concrete Research,2009,39(3):154-164.

[6] 季日臣,唐 艷.混凝土箱形渡槽日照溫度場(chǎng)及縱向溫度應(yīng)力研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(4):7-11.

[7] 柏文文,季日臣,徐志強(qiáng)等.冬季停運(yùn)期倒虹吸橫向溫度應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算[J].南水北調(diào)與水利科技,2015,13(3):601-605.

[8] 劉 銳.聚脲凃?qū)釉诖髩位炷撩姘宸罎B加固中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2016,47(4):47-49.

[9] 尚 層.高寒地區(qū)碾壓混凝土壩上游面保溫方案比選[J].人民長(zhǎng)江,2016,47(1):79-82.

[10] 周立江，范 進(jìn)，丁建國(guó).氣云爆炸下鋼筋混凝土板毀傷的數(shù)值分析[J].爆破，2017,34(4)：143-148.

[11] 褚懷保，葉紅宇，楊小林，等.高強(qiáng)混凝土試塊爆破損傷累積規(guī)律試驗(yàn)研究[J].爆破，2016,33(1)：1-5.