低坍落度混凝土早龄期单轴直接拉伸试验研究

李思李,田 波

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

CRCP在温度收缩和收缩条件下，钢筋混凝土的抗拉强度通过直接拉伸试验或间接拉伸试验来获得。由于直接拉伸试验难度较大，许多专家学者试图通过便于试验测定的混凝土强度及其和抗拉强度的关系[1-2]，借此间接得出混凝土的拉伸强度。Popovics分析了出混凝土的劈裂强度和直接拉伸强度的比值在0.41～1.28的范围内，而弯曲强度和直接抗拉强度的比值在0.37～0.77范围内，以上两个强度比离散性都很大[3]。Jeong认为混凝土的抗拉强度可依据劈裂强度的85%～90%来确定[4]。 Ahmad和Shah以及ACI研究了混凝土在受拉和受压状态下的强度比，得出了不同的经验公式[5]。 AASHTO 2002设计指南总结出直接与间接拉伸拉伸试验测定的强度之间的比值应在0.6～0.7的范围内，依据试验测定的间接拉伸强度来确定该直接拉伸强度，一般情况以0.67为推荐取值。国内利用统计方法测定出轴向抗拉强度的标准值[6]。为得到可靠的试验结果，本试验采用直接拉伸试验，针对钢筋混凝土受拉时的受力特点提出一种合理的试验方法。

1 试验概述

1.1 试件成型

对钢筋混凝土试件进行室内轴向直接拉伸试验对试件的形状和尺寸有着较高要求，以往的研究中，研究人员将试件成型为类似于抗折试件的矩形立方体，在试件两端对混凝土施加拉力进行试验[7-9]。在这种试验条件下，由于试验夹具和试件之间缺少适当的过渡，容易出现端部应力集中的情况[10]，导致试件中部与端部受力情况差别很大，试件更容易在端部发生破坏，影响试验数据的真实性。为了避免由于试件形状和尺寸的原因对试验的影响，有的研究人员尝试将内部埋置的钢筋两端伸出，夹具夹紧钢筋后直接对钢筋施加轴向拉力，这种方法可以较为有效地避免混凝土端部应力集中的现象，但在此试验条件下，钢筋和混凝土之间实际上是由钢筋将试验力通过摩阻作用传递给混凝土，而混凝土处于被动受力的情况，与实际温缩及干缩作用下钢筋混凝土的相对受力关系不符[11]。

为了避免上述误差，准确模拟混凝土在温缩以及干缩条件下钢筋混凝土结构力学行为[12]，为了有效地避免试件在受拉端部应力集中的情况，将试件受拉两端截面尺寸以轴心为基点逐渐放大，通过两端逐渐增大的截面尺寸来使加载两端的应力逐渐过渡到试件中部，此时直接对混凝土试件两端施加轴向拉力，在加载过程中作为主要观测的中部区域主动受到轴向均匀的拉伸力，与路面真实受力状况相符。图1和图2为试件成型的模具尺寸实物图和尺寸示意图。

图1 试件模具

图2 试件模具尺寸(单位：mm)

试件模具由6片钢板通过18个夹扣连接而成，每片钢板可自由拆卸，端部钢板各留有6个圆孔，成型试件时插入膨胀螺栓传递轴向试验拉力。模具左右两个侧模板不同位置开有小孔，为架立钢筋提供支撑。试验时根据试验条件的需要，将不同数量、不同位置的纵向螺纹钢筋绑扎在架立钢筋上，钢筋纵向中部及端部等间距粘贴应变片，然后浇注混凝土，并按照设计龄期进行标准养护。试件模具端部模板实物图及预埋钢筋模具效果图如图3和图4所示。

图3 试件模具端部模板

图4 预埋钢筋模具

由于探究一般连续配筋混凝土路面开裂性能，试件选取CRCP常用的C30混凝土配合比，如表1所示。钢筋混凝土试件设计参数如表2所示。

表1 C30混凝土配合比

1.2 应变片的粘贴

对钢筋混凝土试件进行轴向直接拉伸试验时，需要测量预埋钢筋和混凝土的应变变化情况，因此需要对这两部分粘贴应变片。

表2 拉伸试验配筋试件

对于预埋钢筋而言，粘贴应变片时需要进行防震和防潮处理。首先对钢筋表面进行打磨，除去表面锈迹以及钢筋肋部，使钢筋表面形成光滑的平面。将应变片与接线端子焊接后，用粘结剂粘贴在打磨好的钢筋表面，同时为了防止在后续操作中因意外拉扯造成应变损坏，需要将导线也粘在钢筋上。对应变片进行防水处理时，用便携式燃气灶将石腊加热融化，用小毛刷涂于应变片上，石蜡在室温下会迅速凝固，覆盖整个应变片，防止混凝土浇注时水泥浆体进入应变片内部，造成元器件短路。对应变片进行防震处理时，使用聚氯乙烯胶带将应变片牢牢包裹，防止混凝土大粒径集料对应变片的冲击破坏。最后，用束线带将导线绑扎在钢筋上，起到固定作用，防止应变片脱落。钢筋应变片粘贴流程示意图如图5所示。

图5 钢筋应变片粘贴流程示意图

对于混凝土而言，应变片的长度需要至少大于集料最大粒径的3倍。将养护好的混凝土表面擦干，用砂纸进行初次打磨，将打底胶均匀涂于被测位置处，尽可能填满界面处的气孔。待底胶干燥凝固后，再次进行打磨处理，使得底胶表面尽可能光滑平整。使用粘结剂将应变片粘贴在打磨过的底胶表面，并用夹片挤压出多余黏结剂和气泡，保证应变片与混凝土间粘贴紧密。

图6 混凝土应变片粘贴

1.3 试验方法

在试验开始前，用万用表测量各个位置应变片的电阻，确保应变片正常工作，应变采集工作正常进行。使用MTS对试件施加荷载。利用位移控制模式，以0.5 mm/min的速率通过两端夹具对钢筋混凝土试件施加轴向拉力，MTS记录拉力大小以及混凝土位移量，NI动态应变测试仪记录试验过程中钢筋和混凝土表面所有应变片实时的应变值，从而计算出预埋钢筋和混凝土各自受到的轴向拉力变化情况。

试验过程中，通过数码摄像机进行拍摄，后期利用图像识别软件进行裂缝识别，2 048像素×1 536像素图像检测精度达到0.080 mm[13]，满足对每隔固定时间裂缝宽度变化进行测量的需求。钢筋混凝土试件是脆性材料，进行轴向直接拉伸试验过程中，试件断裂迅速而且是全截面断裂[14-15]。由于测试区各个截面的应变实际并不相同，试验过程中采用标距内应变片测得的平均应变来表征测试区的变形。试验设备布置图如图7所示。

图7 试验设备布置

试验开始阶段首先在试件弹性范围(应变小于20 με)进行预加载，消除试件与试验机之间传力部件的空隙，同时评价试件的安装是否产生偏心荷载，如果加载曲线得到的弹性模量和混凝土弹性模量有较大差异，或者曲线在低应力水平状态下明显呈现非线性，则考虑调整试件位置和球铰支座，直到加载的结果理想为止，图8所示为试件破坏效果。

图8 试件破坏

2 试验结果分析

2.1 配筋率对早期开裂的影响

配筋率是连续配筋混凝土路面设计的核心，也对连续配筋混凝土路面裂缝宽度、裂缝间距和钢筋拉应力三大设计指标[16-17]有重要的影响。连续配筋混凝土路面配筋率的计算公式[6]为：

(1)

式中,ρ为钢筋与混凝土的配筋率；Ac为混凝土横截面积；As为计算面积内钢筋横截面积之和。

本研究在相同配筋方式条件下(只在试件中部配置一根钢筋)，不同配筋率对连续配筋混凝土路面早期开裂的影响。图9为7 d、3 d龄期不同配筋率钢筋混凝土试件的力-位移曲线图以及应变-位移曲线图。

图9 7 d、3 d龄期不同配筋率钢筋混凝土试件的力-位移曲线以及应变-位移曲线

由图9可知，无论是3 d龄期还是7 d龄期的钢筋混凝土试件，在试验初始阶段，随着位移的均匀增加，钢筋混凝土试件受力呈线性上升趋势，预埋钢筋和混凝土的应变变化基本一致，当受到的轴向拉力超过某一范围时，试件受力突然下降，不同配筋率的试件受力减小程度不同，配筋率较小的试件受力下降更明显，没有配置任何钢筋的素混凝土试件发生全截面断裂，受到的拉力直接降低为0。在力发生突变的瞬间，预埋钢筋的应变突然增大，而混凝土的应变则直接降低为0。

通过以上观察到的现象可知，早龄期的连续配筋混凝土路面的钢筋和混凝土在温缩或干缩作用下发生收缩形变，由于面层与基层间的摩阻力等外力限制其收缩变形致在面层板内出现拉应力，应力大小取决于所限制的形变量的大小。则其受到超过混凝土材料极限抗拉强度的内应力时，试件将被瞬时被拉断，混凝土不再起到抗拉作用。若试件内无钢筋约束钢，则由于形变约束产生的内部拉应力与拉应变瞬间减小为0；若试件内部设置了钢筋约束，则断裂面处的轴向拉力将转移到该处钢筋上，混凝土产生的拉应变迅速降低至0的同时，钢筋的拉应变迅速增加。

同时可以发现，对于固定龄期、固定配筋方式的钢筋混凝土试件，配筋率对试件产生首次开裂的抗拉强度几乎无影响，主要取决于混凝土材料的极限抗拉强度， 3 d龄期的混凝土试件抗拉强度约为1.05 MPa，极限拉应变约为40 με，7 d龄期的混凝土试件抗拉强度约为1.50 MPa，极限拉应变约为55 με，比3 d龄期混凝土抗拉强度增加约43%，极限拉应变增加约38%。当试件发生断裂后，钢筋承担了试件的所有拉力，保持配筋方式一致的条件下，试件的配筋率越大，在断裂后与混凝土接触面积也越大，从而承受更大的拉力。

表3所示为7 d、3 d龄期不同配筋率钢筋混凝土试件裂缝宽度统计表。由该表可知，无论是7 d还是3 d龄期的钢筋混凝土试件，钢筋的存在对于试件的早期抗裂性能有一定程度的影响，在提高CRCP首次开裂拉力起到一定作用，但效果并不明显。随着配筋率的增加，首次开裂拉力变化不大，但初始裂缝宽度逐渐减小。当试件破坏后，裂缝宽度随MTS作动头的运动而线性增加，裂缝宽度随MTS位移变化图如图10所示。

表3 7 d、3 d龄期不同配筋率钢筋混凝土试件裂缝宽度

注：(1)开裂时位移：钢筋混凝土试件出现裂缝时MTS所移动的长度；(2)初始裂缝宽度：钢筋混凝土试件出现裂缝时的钢筋所在处裂缝宽度；(3)最终裂缝宽度：钢筋混凝土试件被拉伸10 mm时(试验结束时)钢筋所在处的裂缝宽度。(下同)

图11 相同配筋率不同配筋位置、配筋数量、配筋尺寸钢筋混凝土试件的力-位移曲线以及应变-位移曲线

图10 裂缝宽度随MTS位移变化图

2.2 配筋方式对早期开裂的影响

连续配筋混凝土路面纵向配置连续钢筋，用于将开裂的路面拉紧，防止裂缝继续开展。一般地，纵向钢筋布置在整个路面厚度中部或距离顶面1/3厚度处[18-19]。本研究在同样配筋率的条件下，不同配筋方式(钢筋位置、钢筋根数、钢筋尺寸)对连续配筋混凝土路面早期开裂性能的影响。图11所示为在相同配筋率不同配筋位置、不同配筋数量、不同配筋尺寸条件下钢筋混凝土试件的力-位移曲线图以及应变-位移曲线图。

由图11可知，在配筋率相同的情况下，不同配筋方式的钢筋混凝土试件在轴向拉力的作用下，试件的极限抗拉强度几乎无变化。当试件发生开裂后对其进行继续拉伸，得到的轴向拉力大小也与配筋方式无关。

表4所示为不同配筋方式钢筋混凝土试件裂缝宽度统计表。从表中易看出试件采用相同的配筋率、不同配筋方式所产生的裂缝宽度有较大的差异。

表4 不同配筋方式钢筋混凝土试件裂缝宽度

图12 不同龄期条件下钢筋混凝土试件的力-位移曲线图以及应变-位移曲线

钢筋的数量和尺寸相同的情况下，钢筋设置在离顶面1/3处的试件比钢筋设置在整个试件厚度1/2处所产生的初次开裂的裂缝宽度小，更利于控制后期裂缝的开裂与发展。

钢筋的数量和尺寸不同的情况下，即使用“直径细、数量多”和“直径粗、数量少”的配筋形式时，使用“细而密”的配筋形式比使用“粗而疏”的配筋形式能够更好地限制试件的初始开裂宽度，说明这种配筋方式能对裂缝的后续发展起到更好的抑制作用。

2.3 混凝土龄期对早期开裂的影响

从浇注完成开始，混凝土材料的抗压强度、抗拉强度等力学性能指标都随着龄期的增长而逐渐发生变化[20]，本研究对相同配筋条件下不同龄期的钢筋混凝土试件进行轴向直接拉伸试验，研究龄期变化对CRCP早期开裂能力的影响。

图12所示为不同龄期条件下钢筋混凝土试件的力-位移曲线图以及应变-位移曲线图。由图可知，混凝土试件的极限拉应力随着龄期的增长而变大，7 d 龄期的素混凝土试件比3 d龄期素混凝土试件强度增加约43%，拉应变增加约38%。对于中部配置1根φ16钢筋的混凝土试件而言，7 d龄期的试件比3 d龄期试件强度增加约55%，拉应变增加约50%。

表5所示为不同龄期钢筋混凝土试件裂缝宽度统计表。早龄期的钢筋混凝土试件由于强度未完全形成，混凝土塑性性能相对明显，而随着龄期的增加，混凝土材料的强度逐渐形成，塑性性能减弱，脆性性能得到加强，在轴向拉力作用下，会出现裂缝边缘处的破损和脱落等现象，直接造成试件表面裂缝宽度的增加。

表5 不同龄期钢筋混凝土试件裂缝宽度

3 结论

通过对低坍落度混凝土的直接拉伸试验数据的统计分析，可以发现如下结论：

(1)固定龄期、固定配筋方式的情况下，配筋率对开裂的影响

①配筋率对试件产生首次开裂的抗拉强度几乎无影响，主要取决于混凝土材料的极限抗拉强度；

②当试件发生断裂后，拉力全部作用于钢筋上，保持配筋方式一致的条件下，试件的配筋率越大，试件断裂后钢筋与混凝土接触面积也越大，从而承受更大的拉力。

(2)在配筋率相同的情况下，配筋位置和配筋形式对开裂的影响

①钢筋的数量和尺寸相同的情况下，钢筋设置在离顶面1/3处的试件比钢筋设置在整个试件厚度1/2处所产生的初次开裂的裂缝宽度小，更利于控制后期裂缝的开裂与发展。

②钢筋的数量和尺寸不同的情况下，使用“直径细、数量多”的配筋形式比使用“直径粗、数量少”的配筋形式能够更好地限制试件的初始开裂宽度，此类配筋方式能对裂缝的后续发展起到更好的抑制作用。

(3)混凝土试件的极限拉应力随着龄期的增长而变大，7 d龄期的素混凝土试件比3 d龄期素混凝土试件强度增加约43%，拉应变增加约38%。对于中部配置1根φ16钢筋的混凝土试件而言，7 d龄期的试件比3 d龄期试件强度增加约55%，拉应变增加约50%。