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        早齡期混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

        2018-03-29 19:27:28徐國強(qiáng)劉玲玉黑智濤
        四川水泥 2018年4期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能混凝土研究

        徐國強(qiáng) 劉玲玉 黑智濤

        (1華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 河北 唐山 063009;2河北省地震工程研究中心, 河北 唐山 063009)

        早齡期混凝土不單指時(shí)間上的早,而用來指混凝土水化程度或者說混凝土的成熟度比較合適[1]。在早齡期養(yǎng)護(hù)階段,混凝土水化反應(yīng)進(jìn)行的比較快,內(nèi)部微結(jié)構(gòu)快速形成,即使沒有外力的作用,早齡期混凝土快速水化產(chǎn)生的較大水化熱及水化過程中混凝土的自干燥現(xiàn)象使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫,這些在早齡期形成的裂縫可能對混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性產(chǎn)生一定影響[2]。在澆筑初期,由于混凝土材料的離散性較大,混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量隨時(shí)間的變化是一個(gè)不斷強(qiáng)化發(fā)展的過程,為保證施工和使用階段混凝土力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求,首先要保證混凝土在澆筑后有充足的養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)條件[3]。但在實(shí)際工程中,為了加快施工進(jìn)度,往往混凝土在早齡期就要處于服役狀態(tài),這需要我們調(diào)節(jié)好混凝土早齡期力學(xué)性能和施工進(jìn)度的關(guān)系,并掌握好混凝土在早齡期階段何時(shí)能夠承受荷載。因此,研究混凝土的早齡期力學(xué)性能對滿足施工中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用要求、保證結(jié)構(gòu)安全、合理提高施工速度具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

        1 早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度研究

        實(shí)際工程中,混凝土結(jié)構(gòu)在早齡期階段就會(huì)處于服役狀態(tài),為確?;炷两Y(jié)構(gòu)在早期階段服役的安全性,有必要深入了解早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律。

        李曉芬[4]通過對比不同強(qiáng)度等級的混凝土在3d、7d、14d、28d的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律,得到不同強(qiáng)度等級的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大,特別是7d前抗壓強(qiáng)度增長較快,7d~28d的抗壓強(qiáng)度增長較緩慢。沈毅[5]通過對比研究普通混凝土(C40)和高強(qiáng)混凝土(C80)在早齡期抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律,結(jié)果表明,C40混凝土抗壓強(qiáng)度在早齡期增長較為緩慢,養(yǎng)護(hù)7d時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的63%,而C80混凝土抗壓強(qiáng)度在早齡期增長較快,養(yǎng)護(hù)2d時(shí)達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的67%,其后增長速率變緩。Kahouadji、Qstergaard等[6-7]對早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律以及影響因素進(jìn)行分析,得出7d前混凝土抗壓強(qiáng)度增長速率較快,隨后逐漸變緩;而早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律受多種因素影響,不僅與混凝土配合比有關(guān),還與養(yǎng)護(hù)溫度有關(guān),較高的初期養(yǎng)護(hù)溫度可以加速水化反應(yīng),提高早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度。

        混凝土作為一種復(fù)合材料,其摻合料與外加劑的摻量對早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展具有一定影響,在配制混凝土?xí)r,摻入適量的摻合料與外加劑可以有效的提高早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度。曹雄[8]研究了沸石粉摻合料對早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的額影響,研究表明,摻入20%的沸石粉可以明顯增強(qiáng)混凝土28d前抗壓強(qiáng)度,且3d前抗壓強(qiáng)度增長速率最快。吳浪[9]在配制混凝土?xí)r摻入高效減水劑,研究混凝土抗壓強(qiáng)度在3d、7d、14d、28d的增長規(guī)律,并與不添加減水劑的普通混凝土進(jìn)行對比,研究表明,高效減水劑可以有效的提高早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度,摻高效減水劑的混凝土養(yǎng)護(hù)3d時(shí)抗壓強(qiáng)度與普通混凝土極為接近,7d齡期時(shí)比普通混凝土抗壓強(qiáng)度平均增大5%,14d和28d齡期平均增大10%~15%,且增長幅度較為穩(wěn)定。趙劍等[10]對摻有15%、25%、35%粉煤灰的混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,不同粉煤灰摻量的混凝土在7d前抗壓強(qiáng)度增長速率較快,7d后增長較平緩;同一齡期下,當(dāng)粉煤灰摻量為25%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度最大,粉煤灰摻量為35%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度最小,說明適量的粉煤灰有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。楊超越[11]針對C60高強(qiáng)混凝土,通過試驗(yàn)研究了摻入50%礦粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,研究表明,摻入50%礦粉的高強(qiáng)混凝土,7d前抗壓強(qiáng)度小于基準(zhǔn)混凝土(未摻礦粉),7d~28d抗壓強(qiáng)度大于基準(zhǔn)混凝土,且增長速率明顯大于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長速率。

        2 早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度研究

        在早齡期階段,混凝土抗拉強(qiáng)度相對于抗壓強(qiáng)度而言非常小,但是抗拉強(qiáng)度的增長速度要比抗壓強(qiáng)度快[12]。早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度不僅發(fā)展規(guī)律相似,其影響抗拉強(qiáng)度發(fā)展的因素也大致相同,包括混凝土強(qiáng)度等級、膠凝材料種類、養(yǎng)護(hù)條件等[13]。

        從國內(nèi)外研究中得知,早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度一般采用劈裂法和軸心拉伸法檢測,但劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系還沒有確切的定論。李曉芬[4]分別用軸心法和劈裂法對早齡期混凝土進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d的混凝土,其劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度均隨齡期的增長而逐漸增大,且7d前增長速率較快,后期較為平緩;劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度之比隨齡期增長而增大,當(dāng)齡期為3d、7d時(shí),二者之比小于1,齡期為14d、28d時(shí),二者之比大于1;此外,李曉芬提出,對于普通混凝土結(jié)構(gòu)而言,用劈裂抗拉強(qiáng)度代替軸心抗拉強(qiáng)度是可行的,可以滿足工程需要,但是對于早齡期混凝土,由于早期抗拉強(qiáng)度較低,用劈裂抗拉強(qiáng)度代替軸心抗拉強(qiáng)度是不安全的。

        在鋼筋混凝土工程中,早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度大多數(shù)是采用劈裂法,主要是由于軸心受拉試驗(yàn)難度較大[4]。徐仲卿[14]以C40混凝土為研究對象,測其12h、13h、7d、14d、28d的劈裂抗拉強(qiáng)度,研究表明,7d前劈拉強(qiáng)度較7d后增長速率快,且表現(xiàn)為非線性增長。劉東京[15]通過研究混凝土在早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律,發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類似,7d前增長速度較快,7d~28d增長較為平緩。混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中,由于不能完全保證拉力全部作用在混凝土的幾何中心處,可能會(huì)出現(xiàn)偏心受力,從而測得的抗拉強(qiáng)度誤差增大。陳萌等[16]在軸心法測抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)中采用預(yù)埋拉桿式,即在試塊兩端各設(shè)一根鋼筋作為拉桿,使拉力通過預(yù)埋鋼筋傳遞到混凝土試件中,研究表明,14d前軸心抗拉強(qiáng)度增長速度非???,在3d齡期時(shí)的軸心抗拉強(qiáng)度基本上可達(dá)到其28d強(qiáng)度的70%左右,14d齡期時(shí)的軸心抗拉強(qiáng)度基本上可達(dá)到其28d強(qiáng)度的80%~90%左右,隨后,軸心抗拉強(qiáng)度發(fā)展速度變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。

        3 早齡期混凝土彈性模量研究

        混凝土彈性模量作為混凝土材料性能計(jì)算的重要參數(shù),眾多學(xué)者采用不同的試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法,分別對早齡期混凝土靜彈性模量和動(dòng)彈性模量進(jìn)行了研究,并得到相應(yīng)的研究成果。

        在早齡期混凝土靜彈性模量的試驗(yàn)研究中,一般運(yùn)用力學(xué)原理,在混凝土彈性范圍內(nèi)進(jìn)行加壓,使其發(fā)生彈性變形,然后利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線來確定靜彈性模量值。劉昊[17]根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的試驗(yàn)方法,研究不同水膠比的混凝土在2d~7d的靜彈性模量變化規(guī)律,研究表明,不同水膠比的早齡期混凝土,其靜彈性模量隨齡期的增長而增大。徐仲卿[14]對早齡期混凝土施加荷載,荷載由試驗(yàn)機(jī)上的荷載傳感器測得,根據(jù)試件受壓面積折算為應(yīng)力,試件表面貼應(yīng)變片測得應(yīng)變的變化,通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到相應(yīng)齡期的靜彈性模量。研究表明,28d前混凝土靜彈性模量處于增長狀態(tài),7d前靜彈性模量增長速率最快,7d時(shí)靜彈性模量可達(dá)到28d的80%左右。

        混凝土的動(dòng)彈性模量一般運(yùn)用振動(dòng)原理或超聲波脈沖原理測定混凝土材料發(fā)生的微小應(yīng)力-應(yīng)變過程,從而得到混凝土的動(dòng)彈性模量。振動(dòng)法是測量動(dòng)彈性模量的方法之一,但是振動(dòng)法要求試件具有一定的長、寬、高比例,且呈桿狀,在試驗(yàn)中具有一定的局限性,而超聲波無損檢測法通常受構(gòu)件尺寸以及試驗(yàn)環(huán)境的影響較小,適用范圍較廣[18]。Mesbah等[19]運(yùn)用超聲波檢測技術(shù)研究早齡期高性能混凝土動(dòng)彈性模量的發(fā)展規(guī)律,并通過數(shù)值模擬得到了動(dòng)彈性模量和靜彈性模量之間的關(guān)系,即錯(cuò)誤!未找到引用源。,但推斷的公式具有一定的局限性,并不適用于所有混凝土。張玉敏等[20]研究了不同強(qiáng)度等級(C15、C30、C40)混凝土在齡期為7d、14d、21d、28d的超聲波速和動(dòng)彈性模量,并將超聲波速和動(dòng)彈性模量進(jìn)行一次擬合和二次擬合,研究表明,隨著齡期的增長,超聲波速和動(dòng)彈性模量逐漸增大,14d前增長較快,且二次函數(shù)曲線更接近實(shí)測曲線。劉宏偉[18]分別采用無損檢測法和液壓式壓力機(jī)加壓法研究混凝土28d前靜彈性模量和動(dòng)彈性彈性模量的變化規(guī)律,并將靜彈性模量和動(dòng)彈性模量進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,隨齡期的增長,靜彈性模量和動(dòng)彈性模量逐漸增大,特別是3d前增長速率較快,后期增長速率較緩慢;兩種彈性模量在28d前的差異比較大,動(dòng)彈性模量明顯高于靜彈性模量,且齡期越早,差異越大。

        4 結(jié)語

        目前關(guān)于早齡期混凝土在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量三個(gè)方面,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作,并取得了一定的研究成果。一般情況下,混凝土在早齡期階段,其力學(xué)性能指標(biāo)快速增長,隨后趨于平緩。但在具體試驗(yàn)中,比如軸心法檢測早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)很難保證拉力完全作用于試件的幾何中心處,導(dǎo)致誤差增大,振動(dòng)法檢測早齡期混凝土動(dòng)彈性模量時(shí)由于試件尺寸的不同而具有一定局限性,還需要人們在今后的研究中對試驗(yàn)方法進(jìn)行完善與改進(jìn);此外文中綜述的早齡期混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的關(guān)系還沒有統(tǒng)一定論,仍有待于進(jìn)一步解決。

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        劉玲玉,女,華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,土木工程專業(yè),在讀碩士。

        黑智濤,男,華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,土木工程專業(yè),在讀碩士。

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