基于温度应力试验的大掺量粉煤灰混凝土应力松弛的研究

赵志方,蔡金涛

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

1 研究背景

为了研制绿色高性能的混凝土,使混凝土工业能走可持续发展的道路,探究掺量超过50%的粉煤灰混凝土就有了重要的现实意义[1-2]。研究高性能的粉煤灰混凝土,提高粉煤灰利用水平,不仅可以大大减少粉煤灰对生态环境带来的不利影响,还可能提高其在不同环境不同条件使用下的性能表现,改善其抗裂性,延长混凝土使用寿命,从而使其全寿命周期的综合成本降低,产生巨大的环境、技术、经济和社会效益[3]。相对于普通混凝土,高掺量粉煤灰混凝土能大量减少混凝土中水泥的用量,使混凝土的温升降低,同时使内部水化反应的速率降低,这有利于混凝土内部的温度控制,能够很好地防止大体积混凝土早期的开裂。但是要想准确科学地评价混凝土的开裂敏感性,必须要考虑混凝土应力松弛的作用。混凝土在持续荷载作用下,除了初始瞬时的弹性应变,徐变也会随着时间而逐步发展,为保持应变为常数,就须减小施加的荷载,减小的这部分荷载就是松弛掉的应力,这个现象就是应力松弛。

相关研究表明,一般情况下,应力松弛能松弛掉构件60%以上的应力,说明应力松弛能在很大程度上减小约束拉应力,大大提高了混凝土构件的抗开裂能力[4-5]。实验室里面常规测定应力松弛的方法是通过对混凝土施加恒定变形,接着用仪器测得随试验龄期变化的应力,然后与初始应力的比值来反映其应力松弛；但是，对于约束混凝土传统的方法测定应力松弛是不科学、不准确的,它不能很好地反映约束构件的受力状态。首先,一般受约束的混凝土的初始应力为零,直到混凝土构件收缩变形受到约束才产生约束拉应力,并且随着龄期的增大发生应力松弛,约束应力被削弱；其次,约束混凝土早期变形和力学性能变化很快,用传统的试验方法来测混凝土的应力松弛误差很大。因此,本次试验采用温度应力试验机( Temperature-Stress Testing Machine,简称TSTM)对应力松弛展开研究,因为TSTM能够直接准确地测定混凝土受约束而产生的实际应力[6]。

2 早期应力松弛的计算方法

本文采用的温度应力试验可以直接准确地测出受松弛作用后的应力,测得的约束应力就是松弛作用的应力σr(t)。如若不考虑松弛作用,那么t时刻(t>t0)的计算弹性应力为σe(t)=E(t)·εr(t),其中εr(t)是约束收缩,即自由试件的变形,由温度应力试验机直接测出,E(t)是弹性模量,见图1。

图1 早期应力松弛示意图

基于图1定义应力松弛度ζ(t)来反映混凝土应力松弛的能力,将计算所得弹性应力与实测约束应力的差值与弹性应力做比值计算即可以得到应力松弛度。

(1)

式(1)中：ζ(t)为应力松弛度；

σe(t)为计算弹性应力;

σr(t)为实测约束应力。

为了估算混凝土的弹性模量,本文引入Kanstad[7]改良弹性模量发展模型,此模型不仅适用于普通混凝土,也适用于粉煤灰混凝土。Kanstad改良弹性模量发展模型如下。

(2)

式(2)中：t0为初凝时间；

te为等效龄期；

Ect,28为28 d的拉伸弹性模量；

nE为表征拉伸弹性模量发展的系数；

S为常数,对于快硬高强水泥取0.20,普通水泥取0.25。

nE的值在CEB-FIP 1990模型汇编中一般取0.5,可经过Kanstad分析发现实际情况中取值应在0.3～0.4之间,基于本次试验对试验数据进行拟合,近似取nE为0.4。对于公式中常数S,普通掺量粉煤灰混凝土取0.28,大掺量粉煤灰混凝土取0.38。普通掺量粉煤灰混凝土和大掺量粉煤灰混凝土的初凝时间根据实验实测得出,分别为8.3 h和28.6 h。两者28 d的弹性模量经过力学试验测得,分别为23.0 GPa和27.8 GPa。

3 温度应力试验测定早期应力松弛

根据已用于某双曲拱坝施工的35%掺量粉煤灰的混凝土作为参照混凝土(以下简称“基准混凝土”,混凝土组号HF1),对照组采用其设计配制方法和原材料,根据等浆体理论[8],配制出强度发展与基准混凝土相当的80%掺量粉煤灰的大掺量粉煤灰混凝土(以下简称“大掺量混凝土”,混凝土组号HF2),两种混凝土的配合比见表1。

表1 两种粉煤灰混凝土的配合比

试验采用两种模式，即匹配模式和绝热模式来对两种粉煤灰混凝土的应力松弛进行研究。对TSTM试验机的绝热模式和匹配模式介绍如下[9]：

3.1 绝热模式

绝热模式下的温度自补偿试件一旦与外界进行热交换,试验机就会通过温控措施对进行热交换的试件进行补偿。试验采用绝热模式进行试验,主要是研究基准混凝土和大掺量混凝土两者因为水化放热不同而产生的应力差异,通过对比来评价两种混凝土的应力松弛能力。试验时混凝土入模温度与实验室温度相同,控制在(20±1) ℃,当混凝土内部温度达到温峰后维持24 h,然后以1 ℃/ h的速率降温至试件开裂或达到试验机低温临界值。

3.2 温度匹配模式(TMC)

温度匹配模式以现有大坝内部实测与计算温度场模拟的温度历程曲线为引导,通过试验机的温控系统对混凝土试件的内部温度进行实时的控制监测,使混凝土内部的温度与温度历程曲线的温度保持一致。通过温度匹配模式可以模拟实际工程中混凝土的各项物理力学性能,具有实际意义地评价混凝土的开裂敏感性。本试验采用该双曲拱坝的35%掺量粉煤灰混凝土的实测温升数据和经有限元计算确定的80%掺量粉煤灰的大掺量粉煤灰混凝土的温度历程曲线见图2。使用温度应力试验机用所得温度历程曲线做温度匹配(TMC)模式和绝热模式下的大掺量粉煤灰混凝土的早期抗裂性研究。分析基准粉煤灰混凝土和大掺量粉煤灰混凝土的早期应力松弛的发展,比较两种混凝土早期抗裂性能的优劣[10]。

图2 两种混凝土TMC模式下的实测约束应力

普通掺量混凝土和大掺量混凝土的约束试件在匹配模式和绝热模式下的在本次温度应力试验中实际温度历程见图3。

图3 两种混凝土在TMC和绝热模式下的实际温度历程

1)温度匹配(TMC)模式下的早期应力松弛。

两种混凝土实测约束应力结果见图3。由图3a)看出两种混凝土约束拉应力于降温阶段(HF1和HF2分别于168 h和222 h开始)才开始出现并持续增长直到试验结束停止增长。温度变形造成的约束拉应力的不断增大是导致大体积混凝土开裂的最主要原因[7],因此本节应力松弛研究的重点是从降温阶段开始至试验结束。两种混凝土从降温阶段至试验结束的实测约束应力与计算弹性应力见图4。由此可得两种混凝土的应力松弛度,见图5。

图4 两种混凝土TMC模式下的实测约束应力与计算弹性应力

图5 两种混凝土TMC模式下的应力松弛度

由图5可见：降温阶段早期,应力松弛度随龄期增加而增加,之后逐渐趋于稳定。HF1于降温点后32 h即200 h拉断,HF1拉断时的应力松弛度为0.52,HF2同样取降温点后的32 h即254 h作为比较,HF2的应力松弛度为0.49。这意味在该阶段普通掺量混凝土HF1最大能松弛掉约52%的约束拉应力,超高掺量混凝土HF2此时松弛49%的约束拉应力。这可能由于超高掺量混凝土拉应力发展较迟在HF1降温点之后经历相同时间以后,虽HF2混凝土的应力松弛能力低于HF1混凝土,但已逐渐接近HF1混凝土的应力松弛能力。又因TSTM降温最低只能降到-15 ℃,但HF2并未拉断,不过此时其约束拉应力已十分接近该时刻的抗拉强度,可认为试件已近开裂。由图5b)可见HF2在临近开裂时的应力松弛度为0.54,这表明HF2最大能松弛掉超过54%的约束拉应力。说明随粉煤灰掺量增大,混凝土的应力松弛度提高,受拉阶段拉应力松弛能力略有提高。大掺量混凝土HF2松弛的拉应力略高于普通掺量混凝土HF1,对混凝土早期抗裂有利。

2)绝热模式下的早期应力松弛

两种混凝土实测约束应力结果见图6。由图6看出两种混凝土约束拉应力与TMC模式一样于降温阶段(HF1和HF2分别于71 h和99 h开始)才开始出现并持续增长直到试验结束停止增长。两种混凝土从降温阶段至试验结束的实测约束应力与计算弹性应力见图7。由图7可知,在降温阶段,计算弹性应力并没有直接开始变为约束拉应力,而是略大于0的约束压应力。这是由于自由试件在绝热模式下温峰较高,产生的膨胀变形量大,压应力储备较多,而降温产生的收缩变形在降温初始阶段并没有使混凝土从膨胀状态转化为收缩状态。因此,取图7计算弹性应力转化为拉应力的时间点开始,计算两种混凝土的应力松弛度,结果见图8。

图6 两种混凝土绝热模式下的约束应力

图7 两种混凝土绝热模式下的实测约束应力与计算弹性应力

图8 两种混凝土绝热模式下的应力松弛度

由图8可见：在降温阶段,当计算弹性应力也进入拉应力状态后,应力松弛度随龄期增加而快速增加,之后增长速度减慢,逐渐趋于稳定。HF1于80 h应力松弛度开始增长,在52 h即132 h拉断,HF1拉断时的应力松弛度为0.59,HF2在106 h进入计算拉应力状态,经历41 h后试件拉断,此时HF2的应力松弛度为0.65。这意味着在该阶段基准掺量混凝土HF1最大能松弛掉约59%的约束拉应力,大掺量混凝土HF2此时松弛65%的约束拉应力。说明随粉煤灰掺量增大,混凝土的应力松弛度增加,受拉阶段拉应力松弛能力有所提高。大掺量混凝土HF2松弛的拉应力高于普通掺量混凝土HF1,说明大掺量混凝土比普通掺量混凝土在降温拉伸阶段能松弛掉更多的约束拉应力,从而降低混凝土试件的开裂风险。

对比两种模式下的应力松弛：1)在TMC模式下,先同样取降温开始后32 h,即HF1拉断时作对比,HF1此时能最大松弛52%约束拉应力要略大于HF2的49%,但是在HF2临近拉断时,即HF2在291 h已经能够最大松弛掉超过54%的约束拉应力。2)在绝热模式下,HF1和HF2拉断时分别能最大松弛59%和65%的约束拉应力。但是绝热模式下,HF1温升快温峰高(温峰远大于TMC模式),导致拉应力储备大,虽然能松弛更多的约束应力,但是其拉应力基数大,造成其最终的约束应力要大于TMC模式。但是从这两种模式下的应力松弛表现看,HF2的抗裂性能比HF1要好。结果表明：随粉煤灰掺量的增大,大掺量粉煤灰混凝土比普通掺量混凝土能松弛更多的约束应力,能降低混凝土早期的开裂敏感性,对抗裂有利。

4 结 语

本文基于温度-应力试验的特点,研究了匹配模式和绝热模式下基准粉煤灰混凝土和大掺量粉煤灰混凝土降温阶段应力松弛的发展规律,分别对比了两种不同掺量粉煤灰混凝土在两种不同模式下的开裂敏感性,结果表明：

TMC模式下,大掺量混凝土应力松弛度为0.54，要大于普通掺量混凝土0.52,表明多松弛了2%的约束拉应力。绝热模式下,大掺量混凝土的应力松弛度为0.65,比普通掺量混凝土0.59高,表明多松弛6%的约束拉应力,两种模式下大掺量混凝土比普通掺量混凝土在同等约束条件下能够松弛更多的约束拉应力,降低了混凝土的开裂风险。因此,相对于已经投入实际工程使用的35%基准混凝土,80%大掺量粉煤灰混凝土随粉煤灰掺量的提高,混凝土的抗裂性能得到改善,能降低开裂的风险,为今后在大体积混凝土工程中的运用打下基础。