结构混凝土早龄期约束受拉徐变的试验方法设计

高森,柳献,2,袁勇,2,侯景鹏

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;3.东北电力学院建筑工程系,吉林吉林 132012)

0 引言

在我国,虽然隧道建设和使用的历史并不长,但是已经出现了隧道结构耐久性不足的状况,致使这些隧道提前展开大修或者修建替代设施以便减轻这些隧道的交通压力。由于其深埋于土中,所处环境十分恶劣,侵蚀性地下水的渗漏、隧管内有害气体的侵蚀,均会导致隧道衬砌结构混凝土腐蚀及钢筋锈蚀等多种病害产生[1]。在影响耐久性的因素中,裂缝起着主要的作用[2]。现浇混凝土结构普遍存在影响其性能的早期变形裂缝问题。混凝土早龄期开裂通常是由于体积变化受到约束后,产生的内应力超过其当时龄期的抗拉强度所致[3]。混凝土早龄期的收缩与徐变是影响其开裂及性能退化的主要因素,一方面,约束构件的收缩将引起约束应力,使构件产生开裂的趋势;同时,徐变作为一种应力松弛的力学性质,可以在一定程度上,缓解由于收缩产生的应力大小,即徐变在缓解拉应力、延缓开裂方面起着重要作用[4-5]。因此,在评估早龄期混凝土开裂风险时,只考虑收缩的作用是极其错误的。如何定量地评价徐变对混凝土早期约束应力的缓解作用,并将此作用指导于设计,对理论分析、结构设计以及建筑施工都有着重要的意义。

目前对于硬化后混凝土的受压徐变研究较为成熟,但对于早龄期的徐变问题研究较少,特别针对受拉徐变的关注甚少。目前对于混凝土拉伸徐变的测试方法主要有直接拉伸试验与约束收缩试验2种。相对于传统的直接拉伸方法,约束收缩试验更接近于构件实际的应力发展过程,近年来也越来越受到人们的关注。关于混凝土早期约束收缩试验的研究,大致有3种方法:环型约束试验、板式约束试验及轴向约束试验[6]。环型约束和板式约束都属于被动约束,它们都存在约束程度不直观、理论分析困难的问题。相对而言,轴向约束试验是较为理想的试验手段,其力学概念和物理意义清晰明确,约束程度可控可调,可以实现约束度为100%的完全约束[7-8]。但对试验设备要求较高,测试系统和控制系统应有较高的精度和自动化水平。轴向主动控制约束试验装置最早于20世纪80年代末由德国慕尼黑工业大学的Springenschmid教授研制成功,取名TSTM(Thermal Stress Test Machine),用于混凝土的温度变形和应力问题的研究;后来以色列Technion工业学院的Kovler[7]、Bloom和Bentur[9],美国的Illinois大学的David Lange等人不断的对该试验装置进行改进,相继研制出类似的约束变形试验装置,并采用此类试验装置进行了素混凝土试件的早期约束收缩的试验研究。国内清华大学土木工程系覃维祖[10]教授开发了国内第一套温度-应力测试系统,实现了对混凝土早期约束应力和拉伸徐变的测试研究。本文将偏重于轴向约束的试验方法,借鉴国外的TSTM试验机,设计可用于测试混凝土早龄期拉伸徐变的框架系统,最后通过试验验证该试验系统的可靠性。

1 试验设计

1.1 试验原理

所谓完全约束收缩试验是指试件在约束条件下,长度保持不变,即试件的约束端位移为0。但在实际的试验中,完全限制试件的变形是很难达到的,这要求约束端的刚度要远远大于试件的刚度,这对于试验框架系统来说,既不经济,也不可靠;所以,通常采用的试验手段是通过外加荷载进行长度补偿。具体来讲是当试件的变形达到某一阈值时,通过施加外部荷载的方法,使试件恢复到变形前的长度。在这种方法中,虽然试件的位移无法一直保持为0,但其变化始终是在设定好的很小的一个范围内,可以近似模拟构件在完全约束状态下的力学路径。同时,由于试验被分割成一个个长度补偿过程,荷载的增加只发生在补偿开始的时刻,在每次循环中,该级荷载保持不变,这将大大减小控制的难度。

在试验过程中,由于混凝土的收缩以及刚度的增大,约束荷载也将逐级加大,构件将经历初始状态—收缩—加载—拉回至初始位置—在作用荷载下收缩—再加载的往复过程。系统将记录下试件经历的循环次数(循环次数n×阈值,即为构件实际发生的弹性拉伸变形)及荷载情况,由此经过计算即可求得试件在完全约束情况下的拉伸徐变量。

在计算时,通过比较自由收缩与约束收缩试验的结果,可以将拉伸徐变从收缩曲线中分离出来,这对于混凝土早龄期材料性能的确定十分重要。图1反映了如何通过自由收缩与约束收缩曲线计算拉伸徐变的方法。试件的自由收缩将通过自由收缩试验获得,而在约束收缩试验中,由于荷载的作用,试件经历了一系列的循环过程,而每次循环又包括了收缩、徐变以及由荷载产生的弹性应变;因此,任意时刻累计的弹性变形值都等于该时刻收缩与徐变的累加。当同时测得自由收缩的大小后,徐变便可通过计算得出

式中:ε(t)为总应变;εe(t)为累积的弹性应变;εc(t)为徐变量;εsh(t)为自由收缩量。试验中,混凝土的收缩量 εsh(t)将通过自由收缩试验测得,弹性变形 εe(t)是试件在试验过程中累积的拉伸变形,通过主动约束试验装置中的LVDT测得。当同时获得了自由收缩变形与弹性变形,即可计算出任意时刻的徐变量 εc(t)。

图1 试验原理示意图Fig.1 Test principle

1.2 试验要求

1.2.1控制系统

在本试验研究中,需要通过程序对试验的硬件系统进行控制,以实现试验原理中的力学路径。该控制系统的工作原理为:启动电机,开泵,让混凝土自由收缩到10μm的预置点,测量这段时间内的位移和力的变化,并将采集到的模拟量经AD转换后发送到计算机显示保存。然后由单片机控制电液伺服阀的输入电压从而控制阀芯的开口度,让作动器把混凝土慢慢的拉回原点,这个过程为位移反馈控制。到达原点时,记录此时的力,并保持这个力不变再让混凝土收缩,同时采集位移和力一并发送到计算机显示保存,此过程为力反馈控制。上述为1个工作循环,后续的实验就是重复这样的循环,直至达到预先设定的实验次数才停止实验。也就是要经历位移反馈控制—力反馈控制—位移反馈控制—力反馈控制—系统控制及程序算法流程如图2,3所示。

图2 系统控制流程图Fig.2 Flowchart of system control

图3 程序算法流程图Fig.3 Flowchart of program algorithm

在实际控制中,首先启动程序进行工作:定时200 ms进行采样,采集512次之后,进行滤波,滤波完进行数据判断,若采集的数据在合理范围,则进行控制,否则发出报警,停止工作。

然后进行控制如下:若混凝土收缩到10μm时,则将之慢慢拉回原点(根据采集到的位移值,进行PID控制,控制电液伺服阀的电压,从而控制电液伺服阀的开口度),同时将采集的位移和力通过串口发送到PC机(VB界面)进行显示和保存;若混凝土被拉回原点,则记录此时的力,保持这个力不变(根据采集到的力的大小,进行PID控制,控制电液伺服阀的电压,从而控制电液伺服阀的开口度),再让混凝土慢慢收缩到10μm,同时将采集的位移和力通过串口发送到PC机(VB界面)进行显示和保存。重复上述的动作,直到满足次数才停止实验。

1.2.2 刚度控制

框架系统的刚度对于试验的成功与否至关重要,这是由于试件发生的位移十分微小,通常控制在10 μm以内,这使得对于约束框架本身的变形要求将十分严格。框架的刚度不可太小,否则框架的变形将影响到试件变形的量测,考虑到传感器的测试精度,将框架的设计刚度取为试件实际刚度的10倍,基本符合试验要求。

在实际制作中,框架主体的2根纵向约束杆和横梁都采用Q235工字钢I 25b,高强螺栓连接,局部焊接加强肋板,以增大刚度。设计中,需要对框架轴向的刚度进行验算。框架的变形主要包括纵向杆的轴向变形,横梁的弯曲变形和螺栓的连接变形3部分。相应的框架轴向整体刚度ks分别由纵杆的拉伸刚度ks1、横梁的弯曲刚度ks2、以及连接螺栓的拉伸刚度ks33部分组成,3部分组成串连系统,系统的总刚度为

式中:ks1为纵向工字钢的拉伸刚度,由纵向约束杆的长度Ls、弹性模量Es和横截面积As确定

ks2按照横梁受集中荷载作用计算,横梁长度为l′,则弯曲刚度为

由于横梁长度很小,并且横梁工字钢上又焊接加强肋以达到增加刚度减小弯曲变形的目的,ks2数值一般很大,和纵杆的轴向变形相比,弯曲变形基本可以忽略不计,在框架整体刚度分析中不予考虑。

高强螺栓预紧后也一般认为变形是可以忽略的,这样ks3对整体刚度的影响也可忽略不计。

这样,当约束混凝土试件截面尺寸(100×100)mm2,混凝土强度等级按C30设计时,约束框架和混凝土试件的轴向刚度比K为

由于早龄期试件的弹模和强度都较小,实际的轴向刚度比会更大。试件的变形阈值为10μm,根据刚度比,实际钢架的变形在1μm左右,这与传感器测量的精度大致相同,可以满足试验要求。试验系统如图4所示。

图4 试验系统示意图Fig.4 Test system

1.2.3 采集系统及精度要求

在本试验中,需要对构件的位移和约束荷载进行测量,并实现长期、自动采集。在测量工具上,将根据被测物理量可能的变化范围进行选取;而在采集频率上,将根据试验的需要,通过程序进行调整。位移、荷载传感器见图5。

考虑到构件实际的变形范围,轴向方向的收缩变形通过差动式位移传感器LVDT测量。试件的变形阈值为10μm,LVDT采用高精度DA-2型,测量精度可达到1μm,即为测量值的10%,可以满足试验要求。荷载则通过做动头端的力传感器测量,其精度可达到50 N。混凝土早期约束应力发展的限值在2～3 MPa,传感器的精度可以满足测量要求。

在试验数据采集方面,系统可以调整的采集频率最大为20次/s,考虑到构件实际的补偿过程最短经历的时间将不小于3 min,在实际采集过程中,将频率调整为1次/s,即可满足试验的精度要求,又可减小处理数据的工作量。

图5 位移、荷载传感器Fig.5 Displacement and load sensors

1.3 试验方法与步骤

试验的总体思路为:对2根端部放大的狗骨型试件进行测试,1根进行主动约束收缩试验,测试其约束应力的发展及累计的弹性变形情况;1根进行自由收缩试验,测试其在无约束情况下的自由变形情况,如图6所示。

2根试件均水平放置,试件长度为1 000 mm,截面大小100mm×100mm。约束试件直接浇注在主动约束框架上,一端固定,另一端与可移动的做动头相连。当试件养护至设计龄期后,试验开始,系统将按照程序设置自动控制并采集试验数据,具体方法如下:

1)调整试验台,开启程序,将做动头移动至指定位置,检查系统工作是否正常;

图6 试验总体示意图Fig.6 Sketch of testing

2)架设模板,铺设减磨材料,同时开启温湿度控制装置,将试验环境调整至预定状态;

3)浇注混凝土,同时松开做动头,防止试验前端部约束使构件破坏;

4)养护至相同龄期拆模,架设传感器,同时旋紧做动头;

5)启动程序,开启油泵,待油压达到设定位置,进入试验台调整阶段;

6)调整做动头位置,以使构件初始应力状态为0;

7)当构件初始应力状态满足要求后,开始试验。自由收缩试验与主动约束收缩试验同时开始,系统控制并自动采集试验数据;

8)到达试验设计龄期后,终止试验。

2 试验验证与讨论

2.1 原材料和试验配合比

试验用C30普通混凝土的配合比见表1。水泥采用海螺牌P◦O42.5水泥;细骨料用河沙,含水率2.4%～4.0%,配合比设计时要扣除砂中含水的影响;粗骨料用碎石,其中,粒径为5～30 mm的石子占75%,粒径为5～10mm的石子占25%;拌合水采用自来水。混凝土用0.5m3容量的强制式搅拌机搅拌。

表1 普通混凝土C30的配合比Table 1 Mixing ratio of ordinary C30concrete

2.2 试件制作及养护

试验在温度为(20±3)℃,相对湿度为60%±5%的条件下进行养护。试件浇注完成后,养护18 h后拆模,开始试验。试验测得的收缩变形既包括混凝土的自收缩(即和外界无湿度交换条件下的收缩),也包括干燥收缩和温度变形。由于截面尺寸很小,内部温度变化不大,温度变形数值较小,本试验将忽略此影响。为保证数据对比的可靠性,自由收缩试验与约束收缩试验将同时开始,并同时结束。

2.3 自由收缩

实测试件的自由收缩应变实际上包括了混凝土干燥收缩和自收缩,图7的曲线表示了配筋混凝土自由收缩应变随龄期的变化。从试验结果可以看出:混凝土浇注成型后40 h内收缩发展极为迅速,可完成7 d龄期内收缩的60%以上。40h后,收缩的速率开始减慢。

2.4 约束应力发展

约束收缩试件的轴向拉应力如图8所示,随着龄期的增长,约束应力逐渐增长。试验初期,约束应力发展迅速,当龄期达到40h后,应力发展速率逐渐减缓。

2.5 混凝土的拉伸徐变

根据试验测得的应变增量和自由收缩应变的大小,可以计算求得不同龄期时受拉徐变的大小,如图9所示。

图7 自由收缩应变曲线Fig.7 Free shrinkage stress of concrete

图8 约束应力图Fig.8 Restraint stress of concrete

图9 拉伸徐变Fig.9 Tensile creep of concrete

从试验测得徐变发展来看,与收缩的发展相似,前2d龄期内发展十分迅速,近似呈1条直线。2d之后,曲线逐渐变缓。

3 结论

1)设计开发了一套可用于测试混凝土早龄期拉伸徐变的试验框架,研制适用于荷载、位移、应变、温度、湿度等多源多物理量数据采集系统,实现了对约束状态下混凝土的拉伸应力发展的实时监测。

2)实现了对混凝土早龄期约束应力及拉伸徐变的定量分析,试验测试结果与国内外学者的研究成果基本吻合。

3)进一步开发适用于各约束度下的约束收缩试验,测试不同约束程度下混凝土早龄期约束应力及拉伸徐变的发展规律,对于指导实际工程的设计及施工具有更为现实的意义。

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