基于温度-应力试验机的大坝混凝土抗裂性综合评价

蔡跃波 丁建彤 陈 波 石南南 董 波

(南京水利科学研究院,南京 210029)

大型水利工程的混凝土开裂问题是涉及结构耐久性和安全性的关键问题.大坝混凝土普遍采用以混凝土极限拉伸值和绝热温升等单项性能作为抗裂评价指标的弊端已为人们所认识[1].而目前应用最多的综合性抗裂评价方法——圆环法与平板法[2]并不适用于大坝混凝土的抗裂性评价.平板法适用于模拟暴露面积很大的薄壁结构塑性收缩和干缩对开裂的影响;圆环法适用于评价早期干缩和自生收缩的影响.2种试验方法均存在以下不足：无法模拟实际工程中混凝土的温度发展历程、约束程度单一及应力的发展过程不可监测;受试件尺寸限制,无法进行大骨料混凝土的试验;试验数据离散性大.因此,需要一种能客观评价大坝混凝土抗裂的试验方法.

基于温度-应力试验机(TSTM)的大坝混凝土抗裂性研究最早于 1983—1985年在奥地利的 Zill-ergrundl坝得到应用[3-5].但大坝混凝土胶凝材料较少,骨料粒径在 5～120(150)mm之间,混凝土流动性较差,在试验机的模板中振捣密实比较困难,而且混凝土本身的应力、变形绝对变化量比高强高性能混凝土低,因此对试验机的测控能力及机械加工的精度要求更高.随着高效减水剂的发展,测控技术以及机械加工精度的提高,目前利用温度-应力试验机评价大坝混凝土的抗裂性的技术已相对成熟.

本文利用 TSTM,以 2种骨料组合的大坝常态混凝土为例,进行了综合抗裂性评价.

1 TSTM试验方法

TSTM结构原理示意如图 1所示.试验系统采用计算机闭环控制,配有约束试件与自由试件.自由试件不受约束,在与约束试件温度历程保持完全相同的情况下自由变形.约束试件有 2个楔形夹头,一个固定在基架上,另外一个为活动夹头.活动夹头与荷载传感器连接在步进电机的减速箱上,试件累计变形达到预先设定阈值(如 1μm)时,步进电机对试件进行拉/压动作,使其始终保持在原点,从而实现近似 100%的约束程度.温控模板通过循环介质可以对试件进行加热或冷却,使试件处于不同的温度状态.试件两侧平行设置 2个位移传感器(非接触式激光位移传感器或 LVDT,精度为0.1μm).控制系统通过温度传感器、荷载传感器和位移传感器自动记录试件的温度、应力和变形.

图1 闭环计算机控制系统原理图[6]

图 2为本文试验所采用的 TSTM实物照片.

图2 TSTM实物图

2 试验原材料与配合比

试验采用的原材料为峨嵋 P◦MH 42.5中热水泥和曲靖Ⅰ级粉煤灰.外加剂为 ZB-1A型高效减水剂和 M icro-Air 202型引气剂.细骨料为人工砂岩砂和人工大理岩砂(见表 1).粗骨料为人工砂岩碎石(见表 2).针片状含量 3.6%,压碎指标6.3%.试验用配合比见表 3,为使 2组混凝土坍落度控制在 3～5 cm,微调了砂率及外加剂的掺量.

表1 细骨料的主要性能

表2 粗骨料的表观密度及饱和面干吸水率

表3 混凝土配合比 kg/m3

3 TSTM试验结果分析

试件截面为 150mm×150mm,试件有效长度为 1.5m.温度传感器精度 0.1℃,位移传感器精度 0.1μm.试验时,将新拌混凝土粒径大于 40mm的骨料筛除,然后直接浇筑在试验机的模板中,振捣密实,埋置测温铜管后,在试件表面覆盖一层塑料薄膜,然后加盖保温模板,安装位移传感器.试件与外界无水分交换,故无干燥收缩发生,试件的变形仅包括自生体积变形和温度变形.试验过程中,保持室温在(20±2)℃,减小温度对机械变形的影响.试件处在半绝热状态下自由升温,混凝土试件与循环介质的温差控制在 ±0.5℃以内,达到最高温度后保温 48 h,然后以 1～5℃/h的速率对循环介质进行强制降温,直至试件断裂.SD/SS的约束试件的温度及应力发展历程如图 3和图 4所示,自由试件的变形如图 5所示.

图3 SD/SS温度发展历程

图4 SD/SS应力发展历程

SD/SS的温度-应力试验参数见表 4.两者最高温升、开裂时间基本相同.SD的最大压应力、开裂应力大于SS,而自由试件的最大变形比SS低(超过了 20%).在所有参数中,两者的开裂温度差别最大,其差值达 37.5℃.

图5 SD/SS自由试件变形发展历程

由于 2个配合比的胶凝材料用量和水胶比相同,因此,两者的最高温度相差不大.但是,比较两者的热学性能参数(见表 5)可知,SD的比热容大,导热系数和导温系数小,因此 SD的温度值较 SS低 0.7℃,这是由骨料热学性能差异引起的.文献[7]采用相同料源的骨料进行组合试验,结果表明,当采用大理岩砂代替砂岩砂时,混凝土绝热温度可降低 0.6℃.因此,TSTM试验能够灵敏地比较出骨料品种对混凝土热学性能的影响.

表4 SD/SS关键参数对比

表5 混凝土热学性能参数

为了保证 2组试件的成熟度基本一致,对 SD在 125 h龄期后将降温速率增大到 2.5～5.0℃/h.如果保持 1℃/h的降温速率,SD的开裂时间将会有所延长;同时,快速降温减小了 SD的拉应力松弛程度.

由于骨料本身的热膨胀系数和表面粗糙度不同,混凝土的线膨胀系数有明显差异.通过对自由试件的变形与温度关系曲线进行线性拟合(见图6),得出线膨胀系数分别为：SD升温段 α=10.0×10-6/℃,SD降温段 α=8.5×10-6/℃,SS升温段α=12.2×10-6/℃,SS降温段 α=9.9×10-6/℃.总体上,SD的线膨胀系数比 SS的小,这与热膨胀系数测试的结果(见表 5)类似.从抗裂性的角度,低热膨胀系数有利于减小温度变形,于抗裂有利.大量研究结果表明,早龄期混凝土的热膨胀系数从20×10-6/℃左右急剧降低到 10×10-6/℃左右[8],而且混凝土自生体积变形也是在早期发展最快[9].TSTM试验综合反映了混凝土升温期和降温期线膨胀系数的差异.在大坝混凝土内部,温度变形和自生体积变形同步发生,因此,线膨胀系数比采用标准方法测试的热膨胀系数及自生体积变形更有利于指导大坝混凝土温度应力的计算分析.

图6 自由试件变形与温度关系曲线

4 TSTM试验抗裂性评价指标

文献[3]利用 TSTM试验研究了 7种不同水泥对混凝土抗裂性的影响,结果发现,混凝土的最高温度并不能表征混凝土的抗裂能力(见图 7).以B水泥配制的混凝土为例,按照最高温度来排序,该混凝土最高温度 44℃,仅比最高的A低1℃,排在第 2位;按照开裂温度来排序,该混凝土开裂温度 3.5℃是最低的.

图7 混凝土最高温度与开裂温度比较[3]

混凝土最大预压应力也不宜作为抗裂性评价的指标.混凝土在达到温峰之前,压应力就开始松弛,不同混凝土在恒温阶段的松弛程度差别较大.文献[3]研究 7个配比混凝土的预压应力,其松弛程度在 0.11～0.50之间;文献[4]研究 4个配比混凝土的预压应力,其松弛程度在 0.20～0.40之间.

用开裂应力来判断混凝土的抗裂能力也有其不合理性.不同混凝土在开裂时的抗拉强度是不同的,利用开裂应力与抗拉强度的比值要更合理[10].但是,必须提供与 TSTM试件同样温度历程下混凝土的抗拉强度测试结果.

就TSTM试验本身而言,采用开裂温度来评价混凝土抗裂性是合理的[11].开裂温度综合反映了混凝土的水化热温升、升温阶段压应力、降温阶段拉应力、应力松弛、弹性模量、抗拉应变容许值、抗拉强度、线膨胀系数、自生体积变形等因素的交互影响.采用开裂温度作为抗裂性评价指标[3,12-13],混凝土的工程实际表现与试验结论的一致性很好.

5 开裂温度与单项性能评价结果对比

由表 6可知,SD的抗压强度及劈裂抗拉强度均高于 SS;从图 8的收缩测试结果可知,SD的干燥收缩明显低于 SS.劈裂抗拉强度及干燥收缩值通常作为评价混凝土抗裂性最直接的单项性能,从测试结果分析,SD的抗裂性优于 SS.骨料本身弹性模量的大小对混凝土的力学性能有明显影响.文献[7]得出了砂岩-大理岩骨料组合的混凝土抗裂性高于全砂岩组合的结论.这与以开裂温度作为判据得出的评价结果是一致的.

表6 SD/SS抗压与劈裂抗拉强度 MPa

图8 SD/SS干燥收缩值

6 结论

1)不同骨料的弹性模量与热膨胀系数的差别对混凝土的抗裂性有明显的影响.

2)TSTM试验测得的综合线膨胀系数比采用标准方法测试的热膨胀系数及自生体积变形更有利于指导大坝混凝土温度应力的计算分析.

3)对 TSTM试验而言,开裂温度能够作为综合评价混凝土抗裂性的指标.

4)TSTM试验涵盖了早龄期混凝土的力学、热学及变形性能发展的过程,相对于单项性能指标而言,更能够客观地综合评价大坝混凝土的抗裂性.

5)TSTM法缩短了评价周期,适用于混凝土配合比设计和优化及抗裂性评价.

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