倪彤元， 楊 楊， 吳炎平， 顧春平， 劉金濤

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 浙江 杭州 310014； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310014； 3.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310014； 4.江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 江西 南昌 330001)

高強(qiáng)混凝土(HSC)具有很多普通混凝土不具備的優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、耐久性好，使用外加劑還能實(shí)現(xiàn)其高工作性等特點(diǎn)，使其得到了越來(lái)越多的應(yīng)用.但由于其水膠比小，因此由水泥水化熱引起的溫度變形，尤其是自干燥所造成的自收縮較大.在約束條件下，這些變形產(chǎn)生的自身應(yīng)力易導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土早期開(kāi)裂[1-3].徐變是混凝土固有的一種時(shí)變性能，混凝土結(jié)構(gòu)在受荷載作用時(shí)，主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，因此通?？紤]其壓縮徐變特性[4].但在非荷載作用下的變形導(dǎo)致混凝土處于拉應(yīng)力狀態(tài)，因此與壓縮徐變相比，拉伸徐變?cè)诟邚?qiáng)混凝土早期開(kāi)裂預(yù)測(cè)和控制研究中更符合其實(shí)際應(yīng)力狀態(tài).高強(qiáng)混凝土早齡期的拉伸徐變作為一項(xiàng)必須把握的重要材料特性，近年來(lái)開(kāi)始得到關(guān)注，也取得了一些研究成果[5-8].

溫度是影響混凝土徐變最主要的外部因素之一.一方面，徐變與水泥石中水的運(yùn)動(dòng)有關(guān).Ruetz[9]認(rèn)為水的運(yùn)動(dòng)對(duì)于混凝土徐變影響顯著，溫度升高時(shí)，由于膠體粒子聚合度的變化，較多的粒子能夠進(jìn)行滑移，也就是說(shuō)，液體分子的定向運(yùn)動(dòng)受到溫度干擾，在較高溫度時(shí)就可能發(fā)生黏性流動(dòng)，水的黏滯性降低，徐變?cè)黾?另一方面，溫度的提高也間接促進(jìn)了混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，從而加快了混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，在一定程度上減小了混凝土的徐變，使其徐變隨著溫度的升高而降低.Umehara等[10]的研究表明，當(dāng)加載齡期為3.000d時(shí)，對(duì)于水灰比*文中涉及的水灰比、減水率等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).為0.56的混凝土，養(yǎng)護(hù)溫度越高，其拉伸徐變?cè)酱?因此研究溫度對(duì)高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變的影響就更為重要，這對(duì)于正確評(píng)價(jià)混凝土早期開(kāi)裂來(lái)說(shuō)意義重大.然而涉及溫度對(duì)高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變影響的研究近年來(lái)僅偶有報(bào)道[11-12]，研究有待加強(qiáng)和深入.

為進(jìn)一步研究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變特性的影響，本文以高強(qiáng)混凝土與外界無(wú)濕度交換條件下的早齡期拉伸基本徐變(以下簡(jiǎn)稱(chēng)拉伸徐變)為研究對(duì)象，以養(yǎng)護(hù)溫度和加載齡期為試驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)研究在4種養(yǎng)護(hù)溫度和5種加載齡期下高強(qiáng)混凝土的拉伸徐變特性，為研究高強(qiáng)混凝土拉伸徐變的溫度依存性打下基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本文所采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，水灰比(mW/mC)為0.30.采用52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(C)；硅粉(SF)摻量為膠凝材料(B)總質(zhì)量的10%；細(xì)骨料為中砂(S)；粗骨料為粒徑范圍為5～20mm的碎石(G)；減水劑為聚羧酸鹽系高效減水劑(SP)，減水率在25%以上，用量以其占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì).所用混凝土配合比如表1所示，混凝土拌和物坍落擴(kuò)展度控制為(500±20) mm.

表1 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

考慮到實(shí)際混凝土在施工時(shí)常處于不同季節(jié)的環(huán)境溫度下，并考慮試驗(yàn)的可操作性，混凝土養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定為：10，20，28，35℃.加載齡期(即施加荷載時(shí)混凝土的齡期)設(shè)定時(shí)以養(yǎng)護(hù)溫度20℃時(shí)的0.750，0.875，1.000，3.000，7.000 d為基準(zhǔn)，考慮到溫度對(duì)于水化反應(yīng)速度的影響，加載齡期在養(yǎng)護(hù)溫度10℃時(shí)為1.250，1.600，2.000，3.000， 7.000 d； 28℃時(shí)為0.540，0.750，1.000，3.000，7.000 d；35℃時(shí)為0.500，0.750，1.000，3.000，7.000 d.

1.3 試驗(yàn)方法

為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度的控制，本文試驗(yàn)在可控制環(huán)境溫濕度的走入式多功能環(huán)境模擬箱(型號(hào)為ZHS-028)中進(jìn)行.高強(qiáng)混凝土拉伸徐變的測(cè)試采用本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的拉伸徐變加載裝置[5,12](圖1).

圖1 拉伸徐變加載裝置示意圖Fig.1 Sketch map of loading device for tensile creep

為了使?jié)仓r(shí)的混凝土入模溫度與養(yǎng)護(hù)目標(biāo)溫度接近，本文通過(guò)事先對(duì)原材料加熱或(和)調(diào)節(jié)拌和水溫的方法來(lái)控制混凝土拌和物的初始溫度，4種養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土入模溫度與目標(biāo)溫度的最大差值控制在2℃以?xún)?nèi).

拉伸徐變?cè)嚰ê奢d作用下的混凝土拉伸試件以及非荷載作用下的自由收縮試件，兩者尺寸均為100mm×100mm×400mm.各試件在設(shè)定的養(yǎng)護(hù)溫度下成型后靜置于多功能環(huán)境模擬箱中保濕養(yǎng)護(hù)；拆模后，立即用保鮮膜、膠帶紙包裹使之處于密封狀態(tài)，保證拆模后的試件與外界沒(méi)有水分交換，滿(mǎn)足測(cè)定拉伸基本徐變的要求.在拉伸徐變?cè)囼?yàn)的同時(shí)，進(jìn)行自由變形(包括自收縮與溫度變形)試驗(yàn)，其測(cè)定裝置如圖2所示.不同養(yǎng)護(hù)溫度下自由變形試件的初始測(cè)試齡期如表2所示.

圖2 自由變形的測(cè)定裝置示意圖Fig.2 Sketch map of measuring device for auto-shrinkage

Temperature/℃10202835Initial measuring age/d0.7500.6700.5400.390

高強(qiáng)混凝土的徐變變形通過(guò)在試件兩側(cè)設(shè)置的π型變位計(jì)測(cè)量獲得，自由變形由試件兩端設(shè)置的位移傳感器進(jìn)行采集.混凝土溫度采用在試件中埋入的熱電偶來(lái)測(cè)定，加載應(yīng)力則采用荷載傳感器進(jìn)行測(cè)定.所有的數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)在設(shè)定的齡期自動(dòng)采集并儲(chǔ)存記錄.

2 結(jié)果與討論

2.1 早齡期拉伸徐變?cè)囼?yàn)基本參數(shù)與混凝土相關(guān)力學(xué)性能

本文采用的試驗(yàn)參數(shù)主要有5個(gè)加載齡期和4個(gè)養(yǎng)護(hù)溫度，所施加荷載的應(yīng)力比控制為0.4，每組試驗(yàn)持荷時(shí)間(施加荷載完成并保持荷載恒定所持續(xù)的時(shí)間)21d以上.拉伸徐變?cè)囼?yàn)基本參數(shù)與混凝土相關(guān)力學(xué)性能如表3所示.其中，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為10℃時(shí)，由于較低的溫度會(huì)使混凝土力學(xué)性能的發(fā)展較為緩慢，故特別測(cè)試了持荷時(shí)間為50d的試件拉伸徐變，其變化趨勢(shì)與持荷時(shí)間21d時(shí)一致，表3不再列出.圖3為養(yǎng)護(hù)溫度20℃條件下試驗(yàn)全程拉伸荷載變化曲線.由圖3可見(jiàn)，荷載在測(cè)試的全過(guò)程中基本保持不變，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求.其他溫度條件下試驗(yàn)全程拉伸荷載變化也呈現(xiàn)同樣的結(jié)果.

表3 拉伸徐變?cè)囼?yàn)基本參數(shù)與混凝土相關(guān)力學(xué)性能

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度20℃條件下試驗(yàn)全程拉伸荷載變化Fig.3 Variation curves of tensile load during whole experiment under 20℃

2.2 非荷載作用下的自由變形

在與外界無(wú)濕度交換條件下，持續(xù)荷載作用下的混凝土變形還包含自收縮和溫度變形，因此需同時(shí)測(cè)定非荷載作用下的自由變形，并在荷載作用下的總變形中將其扣除才能獲得徐變變形.

圖4給出了不同養(yǎng)護(hù)溫度下的混凝土內(nèi)部溫度.由圖4可見(jiàn)：在10，20，28，35℃的養(yǎng)護(hù)溫度下，混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值的齡期分別為0.800，0.710，0.620，0.440d；與混凝土入模時(shí)溫度相比，溫度變化量分別為3.5，4.8，5.0，5.4℃.由于本研究的混凝土試件斷面較小，因此其內(nèi)部溫度上升不高.但是從圖4中仍可發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土內(nèi)部溫度變化量越大，達(dá)到峰值的齡期越早.

圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度下的混凝土內(nèi)部溫度Fig.4 Internal concrete temperature under different curing temperatures

圖5為不同養(yǎng)護(hù)溫度下高強(qiáng)混凝土自收縮隨時(shí)間的變化.從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在所測(cè)齡期范圍內(nèi)，高強(qiáng)混凝土自收縮在成型后的3.000d之內(nèi)發(fā)展很快.在35℃下養(yǎng)護(hù)時(shí)，高強(qiáng)混凝土3.000d自收縮約占其28.000d自收縮的30%；在28℃下養(yǎng)護(hù)時(shí)，這一比值為25%；在20℃下為24%；在10℃下為22%.在3.000d齡期之后，高強(qiáng)混凝土自收縮增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸減緩.由圖5還可發(fā)現(xiàn)，在較高養(yǎng)護(hù)溫度下，高強(qiáng)混凝土自收縮表現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)速度和較大的收縮值.

圖5 不同養(yǎng)護(hù)溫度下高強(qiáng)混凝土的自收縮Fig.5 Self-shrinkage of high strength concrete under different curing temperatures

2.3 加載齡期對(duì)拉伸徐變特性的影響

通常采用比徐變、徐變系數(shù)與徐變速度等基本特征參數(shù)對(duì)拉伸徐變特性進(jìn)行評(píng)價(jià).本文采用的比徐變定義為單位應(yīng)力作用下的徐變應(yīng)變，徐變系數(shù)定義為徐變應(yīng)變與加載時(shí)刻瞬時(shí)彈性應(yīng)變的比值，徐變速度定義為單位持荷時(shí)間內(nèi)比徐變的增量.

不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土試件各加載齡期的拉伸比徐變與徐變系數(shù)分別如圖6，7所示.

以養(yǎng)護(hù)溫度為20℃為例，由圖6，7可見(jiàn)，對(duì)于加載齡期為0.750d的混凝土在持荷21d后，其比徐變和徐變系數(shù)分別高達(dá)436μm/(m·MPa)和6.4，而加載齡期為7.000d時(shí)混凝土的比徐變和徐變系數(shù)分別只有54μm/(m·MPa)和1.7，由此可見(jiàn)，由于加載齡期不同造成的混凝土拉伸徐變特性差異很大，比徐變和徐變系數(shù)均隨著加載齡期的增大而急速減小.在其他養(yǎng)護(hù)溫度條件下混凝土拉伸徐變特性均表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律.惠榮炎等[13]的試驗(yàn)表明，加載齡期為28.000d時(shí)混凝土拉伸徐變小于加載齡期為 7.000d 時(shí)，前者僅為后者的60%左右；Bissonnette等[14]認(rèn)為加載齡期為7.000d的混凝土拉伸徐變小于加載齡期為1.000d時(shí).本文在早齡期內(nèi)進(jìn)行的研究呈現(xiàn)與文獻(xiàn)[13-14]相似的結(jié)果，而且本文研究結(jié)果表明加載齡期對(duì)早齡期混凝土拉伸徐變的影響更為顯著.

不同養(yǎng)護(hù)溫度下加載齡期對(duì)拉伸比徐變與徐變系數(shù)的影響如圖8，9所示.由圖8，9可見(jiàn)，高強(qiáng)混凝土的比徐變和徐變系數(shù)隨著加載齡期的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢(shì).如在養(yǎng)護(hù)溫度20℃下，加載齡期為0.750d的高強(qiáng)混凝土比徐變和徐變系數(shù)大約是加載齡期為7.000d時(shí)的8.00倍和3.75倍.

圖6 不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土試件各加載齡期的拉伸比徐變Fig.6 Tensile specific creep of concrete specimens at different loading ages under different curing temperatures

圖7 不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土試件各加載齡期的徐變系數(shù)Fig.7 Creep coefficient of concrete specimens at different loading ages under different curing temperatures

圖8 加載齡期對(duì)于拉伸比徐變的影響Fig.8 Effect of loading age on tensile specific creep

圖9 加載齡期對(duì)于徐變系數(shù)的影響Fig.9 Effect of loading age on creep coefficient

為了考察加載齡期在不同持荷時(shí)間段對(duì)徐變發(fā)展的影響規(guī)律，將持荷時(shí)間段分為3個(gè)階段：0～3d(徐變快速發(fā)展期，stage 1)，3～7d(徐變衰減期，stage 2)和7～21d(徐變趨于穩(wěn)定期，stage 3).圖10給出了不同持荷時(shí)間段混凝土的徐變速度.由圖10可見(jiàn)：加載齡期越晚，曲線越靠近橫坐標(biāo)軸，各條擬合曲線均呈指數(shù)函數(shù)線形；即高強(qiáng)混凝土的徐變速度越??；隨著持荷齡期的增長(zhǎng)，徐變速度呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢(shì)；隨著持荷時(shí)間段的延長(zhǎng)，徐變速度急速減慢，在10.000d齡期之后(即加載齡期為7.000d并持荷3d)，加載齡期對(duì)徐變速度影響微弱.

圖10 不同持荷時(shí)間段高強(qiáng)混凝土的徐變速度Fig.10 Creep speed of HSC in different holding load periods

2.4 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)拉伸徐變的影響

由圖8～10可知，高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變，無(wú)論是比徐變、徐變系數(shù)，還是徐變速度，均隨養(yǎng)護(hù)溫度的提高而減小.進(jìn)一步比較同一加載齡期、不同養(yǎng)護(hù)溫度下持荷時(shí)間分別為7，14，21d的高強(qiáng)混凝土比徐變，其結(jié)果如圖11所示.由圖11可以看出：在相同加載齡期下，高強(qiáng)混凝土拉伸比徐變總體上均隨著溫度的升高而降低；但是隨著加載齡期的推遲，其降低幅度減小，至7.000d加載齡期時(shí)各溫度下高強(qiáng)混凝土的比徐變基本持平.產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是：在早齡期加載，尤其是3.000d以前加載時(shí)，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚未成熟、強(qiáng)度較低，此階段對(duì)徐變發(fā)展起主要作用的是混凝土的強(qiáng)度因素，因此養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土強(qiáng)度發(fā)展越快，其比徐變?cè)叫。坏S著水化反應(yīng)的繼續(xù)，不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土強(qiáng)度都有增長(zhǎng)，強(qiáng)度差異對(duì)徐變?cè)斐傻挠绊懖辉倨鹬鲗?dǎo)作用，隨著加載齡期推遲，影響混凝土拉伸徐變的主要因素變成了凝膠體中水的黏滯性，在強(qiáng)度差異和凝膠體中水的黏滯性共同作用下，隨養(yǎng)護(hù)溫度升高，比徐變降低幅度減小.因此，可以認(rèn)為養(yǎng)護(hù)溫度升高對(duì)高強(qiáng)混凝土比徐變的降低作用主要體現(xiàn)在早齡期(0～3d)，隨著加載齡期的推遲，高強(qiáng)混凝土比徐變隨溫度升高而降低的幅度減小.上述早齡期拉伸徐變的溫度效應(yīng)特征與成熟混凝土徐變研究中所得到的溫度提高會(huì)增大混凝土徐變的認(rèn)知[15]不同，值得進(jìn)一步關(guān)注.

由圖11還可以看出，無(wú)論持荷時(shí)間是7，14d還是21d，在相同持荷時(shí)間下，不同加載齡期之間高強(qiáng)混凝土的比徐變差異隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高而減小.例如：在持荷時(shí)間為7d條件下，加載齡期為0.750d與7.000d時(shí)高強(qiáng)混凝土的比徐變差異在養(yǎng)護(hù)溫度 20℃ 時(shí)為253μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護(hù)溫度 28℃ 時(shí)為 122μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護(hù)溫度 35℃ 時(shí)為116μm/(m·MPa)；在持荷時(shí)間為14d條件下，加載齡期為 0.750 d 與7.000d時(shí)高強(qiáng)混凝土的比徐變差異在養(yǎng)護(hù)溫度 20℃ 時(shí)為 345μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護(hù)溫度 28℃ 時(shí)為155μm/(m·MPa)，在養(yǎng)護(hù)溫度35℃時(shí)為113μm/(m·MPa)；在持荷時(shí)間為21d條件下，加載齡期為0.750 d與7.000 d時(shí)高強(qiáng)混凝土的比徐變差異在養(yǎng)護(hù)溫度20，28,35℃時(shí)分別為399，180，109μm/(m·MPa).也就是說(shuō)，在相同持荷時(shí)間下，養(yǎng)護(hù)溫度越高，高強(qiáng)混凝土的比徐變隨加載齡期延遲而減小的速率越慢.

圖11 不同持荷時(shí)間下養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)高強(qiáng)混凝土拉伸比徐變的影響Fig.11 Effect of curing temperature on tensile specific creep of HSC under different holding times

3 結(jié)論

(1)無(wú)論是在何種養(yǎng)護(hù)溫度條件下，高強(qiáng)混凝土自收縮在成型后的3d之內(nèi)均發(fā)展較快，而3d后其自收縮增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩；隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，高強(qiáng)混凝土自收縮表現(xiàn)出更快的增長(zhǎng)速度和更大的收縮值.

(2)由于加載齡期不同造成高強(qiáng)混凝土的徐變差異很大，隨著加載齡期的延長(zhǎng)，比徐變、徐變系數(shù)和徐變速度均呈指數(shù)衰減的趨勢(shì)，并且隨著持荷時(shí)間的延長(zhǎng)，不同加載齡期之間高強(qiáng)混凝土徐變速度差異越來(lái)越小，不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下均表現(xiàn)出同樣的傾向.

(3)與養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)成熟齡期混凝土徐變的影響不同，在相同加載齡期下，高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸比徐變隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低，但是隨著加載齡期的推遲，其降低幅度減小，至加載齡期為7.000d時(shí)各養(yǎng)護(hù)溫度下高強(qiáng)混凝土的拉伸比徐變基本持平.無(wú)論持荷時(shí)間是7，14d還是21d，在持荷時(shí)間相同時(shí)，不同加載齡期高強(qiáng)混凝土之間的比徐變差異隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高而減小.