(裂缝)受约束早龄期混凝土收缩开裂的理论预测和试验研究

第41卷第9期2007年9月

浙　江　大　学　学　报(工学版)

Journal of Zhejiang University (Engineering Science )

Vol.41No.9

Sep.2007

收稿日期:20060426.

浙江大学学报(工学版)网址:https://www.360docs.net/doc/6b11194859.html,/eng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578142).

作者简介:金南国(1959-),男,吉林珲春人,副教授,主要从事混凝土材料及力学性能研究.E 2mail :jinng @https://www.360docs.net/doc/6b11194859.html,

受约束早龄期混凝土收缩开裂的

理论预测和试验研究

金南国,金贤玉,田　野

(浙江大学土木工程学系,浙江杭州310027)

摘　要:为了揭示受约束混凝土内部的应力发展以及更好地预测混凝土的开裂时间,研究了纤维对高性能混凝土早龄期力学性能与干燥收缩的影响,考虑徐变、约束度等影响因素,在弹性理论基础上,推导了受约束混凝土环应力增量表达式,采用应力破坏准则预测受约束混凝土开裂时间.研究结果表明,在特定的配合比下,掺加聚丙烯腈纤维使混凝土各龄期的干燥收缩应变降低2%～20%,且降低幅度随着龄期的增加而减小;掺加聚丙烯腈纤维可以延迟混凝土的开裂时间,减小裂缝宽度.针对受约束混凝土环,理论预测掺纤维与未掺纤维混凝土的开裂时间分别为28和22d ,理论预测结果与试验结果吻合良好.

关键词:高性能混凝土;纤维;环形约束试验;约束度;收缩开裂;开裂时间

中图分类号:TU52 文献标识码:A 文章编号:1008973X (2007)09149904

Analytical prediction and experimental research on shrinkage

cracking of restrained early 2age concrete

J IN Nan 2guo ,J IN Xian 2yu ,TIAN Ye

(De partment of Civil Engi neering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China )

Abstract :The early 2age mechanical properties and drying shrinkage of high performance concrete added wit h fiber were st udied to investigate t he develop ment of st ress in rest rained concrete and predict t he crack 2ing age of concrete more precisely.An incremental rep resentation of stress of rest rained concrete ring was established based on elasticity t heory in considering creep and rest raint degree.Then t he maximum tension st ress t heory was int roduced to predict t he cracking age of rest rained concrete ring.Experimental and t he 2oretical analysis showed t hat fiber addition reduced t he drying shrinkage for about 2%to 20%at different ages ,and t he reduction decreased wit h age.Fiber addition also po stpo ned t he cracking age of concrete ring and narrowed t he crack widt h.In t heory ,t he cracking ages of t he high performance concrete wit h and wit hout fiber were 28and 22d respectively ,which were in good agreement wit h t he experimental result s.K ey w ords :high performance co ncrete ;fiber ;ring test ;restraint degree ;shrinkage cracking ;cracking age

随着混凝土材料科学和结构科学的发展,兴建的大型混凝土工程日渐增多,高强度、高性能混凝土得到了广泛应用,对早龄期高性能混凝土的研究也日益深入[123].研究发现,高强度、高性能混凝土在早期更容易开裂.Lepage 等人[4]的研究表明,水胶比为0.25及0.30的高性能混凝土在龄期不超过1d 时就出现网状裂纹.Wiegrink 等人[526]研究发现掺硅粉的高强度、高性能混凝土更容易在早期出现开

裂.由收缩引起的体积变形受到约束而产生的应力

导致混凝土开裂,已经成为影响混凝土结构劣化、耐久性的重要因素.

正确地检测与判断混凝土的收缩与开裂时间及开裂趋势是采取有效措施以减少或避免开裂的前提.混凝土环形约束试验由于试验装置简单、简便实用,已经被广泛采用.在国内已开展的混凝土环形约束收缩试验研究[7]中,多数是对受限混凝土圆环收

缩开裂的定性判断,定量研究很少.然而只有通过定量研究才能够真正了解和揭示受限混凝土的内部应力发展情况,预测混凝土开裂时间,以指导混凝土结构设计,为大型混凝土工程防裂提供可靠依据.

本文通过环形约束试验,研究了不同配合比混凝土的收缩开裂性能,基于Shah等人[829]的混凝土环形收缩开裂理论分析结果,综合考虑自由收缩应变、徐变、约束度和弹性模量等因素对混凝土环开裂的影响,推导出了混凝土环应力公式.将混凝土环应力公式与最大拉应力理论相结合,可以预测混凝土环开裂时间.

1　原材料和配合比

1.1　原材料

水泥:浙江兰溪红狮牌32.5级普通硅酸盐水泥;粉煤灰:北仑利晖建材开发有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰;矿粉:兰溪力强外加剂有限公司生产的HL 型复合矿粉;砂子:细度模数为2.49的河砂;纤维:路威2002聚丙烯腈纤维,性能见表1;石子:碎石,粒径为5～40mm,连续级配;外加剂:杭州华冠建材有限公司生产的L S8012A型高效泵送剂.

表1　路威2002聚丙烯腈纤维基本性能Tab.1　Properties of L uWei2002polyacrylonitrile fiber 参数数值参数数值

纤度/dtex 1.9弹性模量/GPa17.1

直径/μm15抗拉强度/MPa>910

长度/mm6延伸率/%14～20

密度/(g?cm-3) 1.18——

1.2　混凝土配合比

混凝土配合比如表2所示,其中配合比B是在配合比A基础上掺入0.5kg/m3聚丙烯腈纤维.

表2　混凝土配合比

Tab.2　Mix proportions of concrete kg?m-3编号水泥水砂石子

A2781697191125

B2781697191125

编号粉煤灰矿粉纤维外加剂

A4058— 6.8

B40580.5 6.8

2　试验及方法

2.1　基本力学性能

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(G B/T5008122002)的规定进行劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量的测试.立方体试件尺寸为100 mm×100mm×100mm,静力受压弹性模量试件尺寸为100mm×100mm×300mm.测试龄期为1、3、7、14、28、60、90d.

2.2　自由收缩

自由收缩试件尺寸为100mm×100mm×500 mm,其两端预埋侧头.试件在20℃,相对湿度大于95%的标准养护室中养护,1d后拆模,再放在养护室养护2d后取出测定初始值,之后放入(20±2℃),相对湿度为60%

±5%的干燥室中.测定试件在1、3、7、14、28、45、90、180d的收缩变形(测长龄期从放入干燥室开始算起).

2.3　收缩开裂

收缩开裂试验采用的环形约束试验装置如图1所示.每种配合比制作3块试件,试件成模后置于20℃,相对湿度大于95%的标准养护室养护.养护3d后拆模,放入干燥室内养护.在混凝土环开裂以前,用放大镜观察混凝土环表面是否开裂,记录混凝土环出现第一条裂缝的时间,开裂后用读数显微镜量测裂缝宽度,记录裂缝宽度随龄期的发展情况.

图1　环形约束试验装置图

Fig.1　Experimental device of restrained concrete ring

3　讨　论

3.1　试验结果

图2、3是混凝土环形约束试验结果.由图2可知,配合比B和配合比A的开裂(“开裂”是用放大镜能够观察到的裂缝)时间(3个试件开裂时间的平均值)分别为27.3和21.7d.聚丙烯腈纤维混凝土的开裂时间比不掺纤维混凝土推迟约6d.图3是每个配合比中一个试件开裂后首条裂缝宽度随龄期的发展情况.

由图3可知,在开始出现裂缝后大约3个星期内裂缝宽度发展迅速,之后发展趋于缓慢.配合比B 的开裂宽度比配合比A明显减小,在60d时配合比B的开裂宽度比配合比A减小约39%.也就是说,聚丙烯腈纤维混凝土比不掺纤维混凝土开裂宽度减小,开裂时间延迟.因此聚丙烯腈纤维能够很好地提

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图2　不同配合比混凝土开裂时间

Fig.2　Cracking age of concrete with different mix

proportion

图3　裂缝宽度与龄期关系

Fig.3　Relationship between crack width and age

高混凝土的抗裂性能.

图4是不同配合比混凝土干燥收缩(包括自由

收缩)试验结果.配合比B 在各龄期的干燥收缩应变均小于配合比A ,降低幅度为2%～20%,且降低幅度随着龄期的增加逐渐减小,1d 时降低20.0%,7d 时降低10.4%,28d 时降低5.4%,180d 时降低2.0%.故掺入一定量的聚丙烯腈纤维可以减少混凝土的干燥收缩,并主要表现在早期.当理论预测混凝土环收缩开裂时,需要混凝土的弹性模量E 、劈拉强度f sp 的试验数据,试验结果如表3所示

.

图4　干燥收缩与龄期的关系

Fig.4　Relationship between drying shrinkage and age

3.2　混凝土环收缩开裂理论分析

混凝土环形试件在收缩时受到内钢环的约束,

混凝土环内部的受力情况如图5所示.Shah 等人[8]根据弹性力学理论,分析得到混凝土环在完全约束状态下的应力为

表3　不同配合比混凝土基本力学性能

Tab.3　Basic mechanic performance of concrete with differ 2

ent mix proportion

配合比t a /d f sp /MPa E /GPa

A

1

3714286090 1.202.062.662.973.483.723.9023.827.428.029.731.733.033.2B

137142860900.811.802.492.583.253.774.0124.127.127.529.230.832.333.

图5　混凝土环内部应力

Fig.5　Internal stresses of concrete ring

σθ=

r 2e /r 2

+1

r 2e /r 2

i -1

p ,(1)σr =r 2

e /r 2

-1r 2e /r 2

i -1p ,(2)p =

E

ε(r 2e

+r 2i

)/(r 2e -r 2

i )+ν

.(3)

式中:σθ、σr 分别为(r ,θ)处混凝土环的环向应力和径向应力;r e 、r i 分别为混凝土环的外径和内径;

p 为混凝土收缩对内钢环产生的压应力;ε、

ν分别为混凝土环试件自由收缩的应变和泊松比.

混凝土环形试件在约束收缩时,处于环向均匀拉应力状态[5].假设此拉应力等于混凝土环中点的环向拉应力,则式(1)可写成增量形式:

d σ(τ)=r 2

e /r 2

m +1

r 2e /r 2i -1

d p (τ

).(4)式中:r m 为混凝土环圆心离混凝土环中点的距离,

r m =(r e +r i )/2.

随着龄期的增长,内钢环对混凝土不再是完全约束,通过引入约束度R s 概念,可将式(3)写成增量形式:

d p (τ)=E (τ

)R s (τ)d ε(τ)(r 2e +r 2i )/(r 2e -r 2

i )+ν.(5)将式(4)代入式(5)得到混凝土环瞬时弹性应力为

1

051第9期金南国,等:受约束早龄期混凝土收缩开裂的理论预测和试验研究

dσ(τ)=C E(τ)R s(τ)dε(τ).(6)式中:C为混凝土环几何尺寸参数,

C=

r2e/r2m+1

(r2e/r2i-1)[(r2e+r2i)/(r2e-r2i)+ν].

由徐变引起应力松弛,在t(t>τ)时的应力为

dσ(t,τ)=dσ(τ)K(t,τ)=

C E(τ)R s(τ)dε(τ)×K(t,τ).(7)式中:K(t,τ)为混凝土的松弛系数,ε(τ)为混凝土自由收缩应变.对式(7)积分,得到总拉应力为

σ(t)=C∫t0K(t,τ)E(τ)R s(τ)dε(τ).(8)根据最大拉应力理论,如果混凝土环在时间t的拉应力σ(t)大于混凝土在该时间的抵抗力即抗拉强度

f R(t),就可以认为混凝土开裂,混凝土开裂时间即为t.

3.3　收缩开裂预测

试验中取几何尺寸参数C=0.85(取ν=0.18),混凝土环截面面积A c=4900mm2,钢环截面面积A st=2100mm2,钢环弹性模量E st=200GPa.

在式(8)中,混凝土环变形约束度R s(τ)是钢环刚度与钢环刚度和混凝土环刚度之和的比值[9],即R s(τ)=A st E st/(A st E st+A c E(τ));松弛系数K(t,τ)通过K(t,τ)=exp[-0.80(<0(t,τ))0.85][7]来计算, <0(t,τ)=<(t,τ)E(τ)/E(28),其中E(28)为混凝土28d弹性模量;徐变系数<(t,τ)根据CEB/FIP MC90规范给出的计算公式求得;E(τ)、ε(τ)通过试验数据得到,试验采用棱柱体试件测量自由收缩ε

sh,所用的棱柱体试件和混凝土环形试件的体表比(V/S)不同,根据ACI209收缩公式,反映不同体表比对干燥收缩影响的调整系数βd=1.2×exp(-0.00472V/S),经过调整可得ε=0.97εsh.假定混凝土环从浇注至标准养护3d内,自由收缩和温度变形产生的应力很小,可忽略不计.在确定R s(τ)、K(t,τ)、E(τ)和ε(τ)后,代入式(8)可得σ(t),即如图6所示理论拉应力曲线.通过试验数据得到f sp(t),根据f R(t)=0.9f sp(t)[10]可得混凝土抗拉强度f R(t),即如图6所示混凝土抗拉强度曲线.

在图6中,混凝土的理论拉应力曲线与抗拉强度曲线的交点表示混凝土开裂点,对应的龄期就是混凝土环的预测开裂时间.根据理论预测混凝土A、B的开裂时间分别为22和28d,试验实测的开裂时间(3个试件的平均时间)分别为21.7和27.3d,与理论预测结果吻合良好.

4　结　论

(1)聚丙烯腈纤维混凝土具有良好的阻裂性能

,

图6　混凝土的理论拉应力及抗拉强度

Fig.6　Theoretical tensile stress and tensile

strength of concrete

聚丙烯腈纤维可以延迟混凝土的开裂时间,减小裂缝宽度.

(2)聚丙烯腈纤维混凝土能够减小干燥收缩,但随着龄期的增加,与不掺纤维混凝土的收缩量的差异逐渐减小.

(3)根据最大拉应力理论,综合考虑影响混凝土收缩开裂的主要因素:自由收缩应变、徐变、约束度和弹性模量,建立了混凝土环应力公式,能够较好地反映混凝土环内部应力.

(4)针对本研究采用的混凝土,理论预测的开裂时间与试验测量结果吻合良好.

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G3=[(-6ν+2)h-10ν+6]λ-Ef h-2ε1E, G4=-16λ(2k+λ)Eε1(ν-0.5),

H1=λ(2ν-1),

H2=(4hν+4ν-4)λ+2ε1Eh,

F1=2ε1E+ε1Eh+6λνh-6λ+10λν-2λh, F2=(F21+F22+F23)/F24,

F3=2λ(2ν-1)k-ε1Eλ-2Eε1k

(2ν-1)λ.

式中:

G11=4[(ν-1)h+3ν-1]2λ2,

G13=(h+2)2E2ε21,

G12=4[(1-ν)h2+(3ν-1)h+10ν-6]Eε1λ,

F21=λ2(4-24ν+8h+36ν2+4h2-32νh+

24ν2h-8νh2+4ν2h2),

F22=4h2(E2ε21+ε1Eλ-ε1Eλν)+4(h+1)ε21E2, F23=-24λε1E-4λε1Eh+12λε1Ehν+40λε1Eν, F24=2(ε1Eh+2λνh+2λν-2λ).

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