混凝土特征拉应变随龄期发展规律研究_田野

第42卷第6期2008年6月

Journal o f Zhejiang U niv ersity (Engineer ing Science)

浙 江 大 学 学 报(工学版)

Vol. 42No. 6J un. 2008

DOI:10. 3785/j. issn. 1008-973X. 2008. 06. 034

混凝土特征拉应变随龄期发展规律研究

田 野, 金南国, 金贤玉

(浙江大学土木工程学系, 浙江杭州310027)

摘 要:为了更好地预测混凝土抗开裂性能, 研究了混凝土特征拉应变随时间的变化规律。通过弯拉试验方法, 研究水泥强度等级与掺加纤维对混凝土1~180d 各龄期的初裂拉应变和极限拉应变的影响, 分析初裂拉应变与弯拉强度和静力受压弹性模量比值的关系, 建立了极限拉应变随龄期发展的关系式, 提出最终极限拉应变与特征龄期的概念。试验结果表明, 混凝土的初裂拉应变与混凝土弯拉强度和静力受压弹性模量的比值具有良好的线性关系, 混凝土极限拉应变随时间成负指数增长, 提高水泥强度等级与掺加纤维均可以提高混凝土最终极限拉应变, 但提高幅度并不显著, 相对而言, 以特征龄期来评价混凝土抗裂性能更加重要。

关键词:特征拉应变; 初裂拉应变; 极限拉应变; 最终极限拉应变; 特征龄期; 水泥强度; 纤维中图分类号:T U 528 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2008) 06-1076-04

Relationship between characteristic tensile strain and curing age of concrete

TIAN Ye, JIN Nan -guo, JIN Xian -yu

(D ep ar tment of Civ il Engineer ing , Zhej iang Univer sity , H angz hou 310027, China)

Abstract:T he development o f tensile strain capacity of concrete w ith curing age w as studied to predict the risk o f concr ete cracking. T he influences of cem ent str ength g rade and fiber addition o n the cr itical tensile strain and ultim ate tensile strain of the concrete from 1d to 180d w ere investigated in flex ural tests. The relationship betw een the critical tensile strain and the ratio of flex ural str ength to static mo dulus of elastic -ity w as analyzed, and a formula of ultimate tensile strain and age was established, w hich led to the con -cepts of final ultimate tensile strain and characteristic ag e. The ex perimental results show that there is a goo d linear relation betw een the critical tensile strain and the r atio of flexural strength to static mo dulus of elasticity. T he ultim ate tensile strain exhibits a neg ative ex ponential increase w ith age. T he final ultim ate tensile strain increases w ithin a narrow rang w ith the incr ease of cement streng th and fiber addition. It is more effective to evaluate the co ncrete cracking resistance by the characteristic ag e.

Key words:characteristic tensile strain; critical tensile strain; ultim ate tensile strain; final ultimate tensile strain; characteristic age; cement streng th; fiber 近年来, 随着兴建的大型混凝土工程日渐增多, 大体积混凝土工程中因裂缝引起的结构失效和耐久性问题等日益突出. 混凝土抗裂研究也成为混凝土材料科学和结构科学研究的热点[1-2].

混凝土特征拉应变研究一直是混凝土抗裂研究

的重要内容. 混凝土特征拉应变包括初裂拉应变与极限拉应变两部分, 分别代表了混凝土产生微裂纹时与破坏时的拉应变. Kaplan 研究了劈拉、弯拉、抗压等不同试验方法的拉应变、拉应力与骨料、水灰比的关系后认为, 相对于拉应力来讲, 混凝土的初始

[3]

收稿日期:2007-04-04. 浙江大学学报(工学版) 网址:w w w. journals. z ju. edu. cn/eng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578142) ; 国家/8630高技术研究发展计划资助项目(2006AA04Z415) . 作者简介:田野(1979-) , 男, 辽宁锦州人, 博士生, 主要从事混凝土材料及力学性能研究. E -mail:tiany e@zju. edu. cn

:, 女教授, cn

第6期

田野, 等:混凝土特征拉应变随龄期发展规律研究

[4]

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开裂更依赖于拉应变. Tasdemir 等人总结前人的试验结果, 认为混凝土轴拉极限应变与轴拉强度和静力受压弹性模量的比值存在良好的线性关系, 这种线性关系与骨料的种类、尺寸、级配无关, 受试验方法、应变片长度、龄期及加载速率的影响很小. 因此, 采用应变判断准则可以更好地预测混凝土开裂[5].

虽然混凝土特征拉应变是评定混凝土抗裂性能的重要参数, 但是对这方面的研究并不充分, 相关的试验数据与结论也存在差异. Somsak 等人得出混凝土轴拉极限拉应变为120@10-6~130@10-6, 蔡绍怀等人

[7]

[6]

R 2002型聚丙烯工程科技有限公司生产的路威牌o

腈纤维.

1. 2 混凝土配合比

为了分析水泥强度与掺加纤维对混凝土特征拉

应变的影响, 试验共采用3种配合比, 结果见表1.

表1 混凝土配合比1)

T ab. 1 Co ncr ete mix pr opor tions kg/m 3

编号25FH L

水泥278

水169167169

砂719719719

碎石粉煤灰矿粉[1**********]5

404040

585858

纤维泵送剂) ) 0. 5

6. 86. 86. 8

35FH L 278¹25FHLX 278

的轴拉试验结果表明, 混凝土轴拉极限

-6

[8]

拉应变在135@10左右, 而Welch 通过试验给出了混凝土初裂拉应变值与极限拉应变值的分布情况, 从其结果看, 混凝土特征拉应变的离散性很大. 虽然Bro oks 等学者已经将混凝土特征拉应变应用到大尺寸混凝土构件中, 进行了混凝土温度开裂分析[9-10], 但是混凝土配合比对特征拉应变的影响, 至今没有统一认可的结论, 而且对混凝土特征拉应变的研究一般到28d 为止, 对更长龄期下混凝土特征拉应变发展规律的研究很少.

到目前为止, 对混凝土特征拉应变的研究主要采用轴拉或弯拉试验方法. 采用轴拉试验方法可以在混凝土截面上产生相对均匀的拉应力, 便于对受拉过程进行分析. 因此, 国内外许多研究者提出了各种轴拉试验方法[11]. 但由于轴拉试验的成功率不高, 对试验仪器的性能以及对试件的制备要求非常严格, 并非普通的试验仪器可以完成. 相比较而言, 弯拉试验方法简便易行, 而且有研究表明混凝土构件的开裂过程与混凝土弯拉试验试件的开裂过程相似. 因此, 应用弯拉试验取得混凝土特征拉应变分析混凝土的开裂更合理.

本文采用弯拉试验方法, 研究不同水泥强度等级以及掺加纤维对混凝土1~180d 不同龄期特征拉应变的影响, 提出了特征拉应变随龄期的发展规律.

[13]

[12]

注:1) 强度等级为42. 5级水泥, 其余为32. 5级水泥.

1. 3 试件制备及测试系统

每种混凝土配合比制备24块试件, 试件尺寸为100m m @100m m @400m m. 试件成模18h 后拆模进行标准养护. 分别于1、3、7、14、28、60、90、180d 时取出3块试件进行试验. 试验前6h 取出试件进行干燥, 试验前5h 在每块试件底部贴3块应变片, 应变片的布置如图1所示. 应变片与应变测试仪分别为BX120-80AA 型电阻应变计与YE2539型高速静态应变仪, 并将应变测试系统与计算机连接进行数据采集. 试验方法参照中华人民共和国国家标准5普通混凝土力学性能试验方法标准6(GB/T 50081-2002).

图1 应变片布置图Fig. 1 L ocating of strain g ages

2 试验结果与讨论

2. 1 试验曲线

图2即为弯拉试验得到的弯拉应力-弯拉应变曲线图, 在达到破坏应力约70%以前, 弯应力-弯应变曲线近似为线性, 此时试件处于弹性状态; 之后直至破坏, 弯拉应力-弯拉应变曲线偏离直线, 表现出明显的非线性.

弯拉应力-弯拉应变曲线由线性进入非线性时所对应的应变即为混凝土弯拉初裂拉应变. 根据Blakey 等人[14-15]的观点, 初裂拉应变代表混凝土内部微裂纹的产生和扩展. Nicholas 等人进一步认, [16]

1 试验准备

1. 1 试验原材料

试验采用兰溪/红狮0牌32. 5级和42. 5级普通硅酸盐水泥; 砂子采用细度模数为2. 49的河砂, Ò区级配; 粗骨料为5~40mm 连续级配的碎石; 泵送剂为杭州华冠建材有限公司LS801-A 型高效泵送剂; 粉煤灰采用北仑利辉建材开发有限公司生产的I 级粉煤灰; 矿粉采用兰溪市力强外加剂有限公司

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混凝土破坏时的弯拉应变即为弯拉极限拉应变, 极限拉应变代表了混凝土所能承受的最大拉应变.

本文采用切线弹性模量法来确定混凝土弯拉初裂拉应变与弯拉极限拉应变. 图3为混凝土弯拉应变-切线弹性模量曲线. 由图可见, 切线弹性模量初始段围绕水平线小幅波动, 其平均值即为混凝土弯拉弹性模量. 本文取切线弹性模量的变化值大于弯拉弹性模量1. 5GPa 时的弯拉应变为弯拉初裂拉应变, 取切线弹性模量小于0. 05GPa 时的弯拉应变为弯拉极限拉应变.

龄期/d [1**********]180

表2 不同龄期混凝土弯拉试验E c 与f r /E

T ab. 2 E c and f r /E of concrete in flex ural at different ages

-6E c /10

(f r #E -1) /10-25FHL [***********]0163

[***********]71176

[***********]59160

6

25FH L 35FH L 25FH LX [***********]5177

[***********]45167

35FH L 25FH LX

[***********]79180

图4表明不同龄期混凝土弯拉初裂拉应变E c (t) 与相应龄期混凝土弯拉强度和静力受压弹性模量的比值f r (t) /E(t) 之间具有良好的线性关系(相关系数R 为0. 972) .

图4 E c 与f r /E 的关系

F ig. 4 Relat ionship betw een E c and f r /E

对本文所采用的配合比, 建议为E c (t) =1. 184f r (t) /E (t) -27. 769.

12

(1)

c 为混凝土初裂拉应变; f r 为混凝土弯拉强式中:E

度, M Pa ; E 为混凝土受压弹性模量10Pa ; t 为龄

期, d .

2. 3 不同龄期混凝土弯拉极限拉应变

2. 2 不同龄期混凝土弯拉初裂拉应变

当混凝土的拉应变达到初裂拉应变时, 混凝土仍处在弹性状态. 因此可以应用弹性理论分析混凝

c 随龄期的发展规律. 各配合比土弯拉初裂拉应变E

混凝土不同龄期弯拉初裂拉应变E c 与混凝土弯拉

各配合比混凝土不同龄期弯拉极限拉应变如图

5所示. 试验结果表明, 混凝土弯拉极限拉应变E tu 并不是随龄期的发展而无限增长的, 在达到一定龄期之后, 混凝土弯拉极限拉应变趋于一个定值, 其值虽然略有波动, 但总的变化不大, 即

强度和静力受压弹性模量的比值f r /E 可见表2. 由表2可知, 25FH L 混凝土28d 内的弯拉初

裂拉应变低于35FH L 混凝土的弯拉初裂拉应变, 表明采用强度等级更高的水泥可以提高混凝土28d 内的弯拉初裂拉应变, 但是对改善28d 后弯拉初裂拉应变并不显著. 25FH LX 混凝土各龄期的弯拉初裂拉应变均高于25FH L 混凝土, 表明掺加纤维可以提高混凝土的弯拉初裂拉应变, 改善混凝土的抗.

图5 混凝土不同龄期极限拉应变

Fig. 5 U ltimate tensile str ain o f concrete in different ages

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E tu (t) =E ]; t \t u . (2)

式中:t u 表示混凝土弯拉极限拉应变达到固定值的龄期, 定义为弯拉极限拉应变特征龄期, d ; E ]表示混凝土极限拉应变在其特征龄期后所达到的最终定值, 定义为混凝土最终弯拉极限拉应变, E ]代表混凝土抗裂能力的最大值.

试验结果还说明, 不同水泥强度等级与掺入纤维对E ]虽然略有影响, 但是影响并不显著. 如试验中的25FH L 、25FH LX 、35FH L 3种配合比混凝土180d 弯拉极限拉应变分别为227@10、237@-6-610、234@10.

根据图5, 建议采用指数关系分析试验曲线, 即

tu (t) =E ]-a e E 式中:a 、b 为参数, 皆取正值.

-t/b

-6

以缩短混凝土极限拉应变的特征龄期, 提高混凝土的抗裂性能.

而相对于混凝土最终弯拉极限拉应变E ], 弯拉极限拉应变特征龄期t u 的区别更加明显. 因此, 对本文采用的混凝土配合比, 以特征龄期评价混凝土抗裂性能比用混凝土最终极限拉应变更加有效.

3 结 论

(1) 提高水泥强度等级可以提高混凝土28d 内的弯拉初裂拉应变, 但对28d 后弯拉初裂拉应变的改善并不明显. 掺入纤维可以显著提高混凝土的弯拉初裂拉应变.

(2) 混凝土不同龄期弯拉初裂拉应变E c (t) 与相应龄期弯拉强度和静力受压弹性模量的比值f r (t) /E(t) 之间存在良好的线性关系.

(3) 在达到一定龄期之后, 混凝土弯拉极限拉应变就趋于一个定值.

(4) 掺入纤维和提高水泥强度等级, 均可以降低混凝土弯拉极限拉应变的特征龄期, 提高混凝土的抗裂性能; 掺入纤维和提高水泥强度等级可以提高混凝土的弯拉最终极限拉应变E ], 但提高幅度并不显著.

(5) 对本试验中所采用的配合比, 混凝土的最终弯拉极限拉应变相近, 但特征龄期有着明显区别. 对本文采用的混凝土, 以特征龄期评价混凝土抗裂性能比用混凝土最终极限拉应变更加重要.

. (3)

对式(3) 求导, 可以得到混凝土弯拉极限拉应变的变化速率表达式如下:

tu

=e -t/b . d t b

(4)

由式(4) 可知, 混凝土弯拉极限拉应变的增长速度随龄期的发展在减小, 当极限拉应变的增长速度足

够小时, 就可以认为混凝土已经达到特征龄期. 本文假设当混凝土达到特征龄期时, 其极限拉应变的变化速率小于每天一个微应变(1@10/d ). 根据这个假设, 可以得到极限拉应变的特征龄期t c 的表达式如下:

t c =-b ln (b/a) . (5)

对本文采用的3种配合比, 弯拉极限拉应变的数值分析结果如表3所示.

表3 试验数据分析结果T ab. 3 A naly sis of ex per iment data

编号25FH L 35FH L 25FH L X

E ]/10-6224. 42229. 67232. 00

a 135. 50429. 87638. 93

b 5. 520. 690. 59

R 0. 9840. 9890. 990

t c /d 17. 674. 444. 12

-6

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(表3表明, 采用指数关系分析的混凝土弯拉极限拉应变随龄期发展规律与试验结果吻合良好. 根据对弯拉极限拉应变特征龄期t u 的定义, t u

越小, 混凝土达到其抗开裂能力最大值的时间越短, 因此弯拉极限拉应变特征龄期代表混凝土抗开裂能力的增长速度. 对不同强度等级的混凝土, t u 并不相同. 低强度混凝土的特征龄期长于高强度混凝土的特征龄期. 由表3可知, 25FH L 混凝土的极限拉应变特征龄期为17. 67d, 而35FH L 混凝土的特征龄期为4. 44d . 在混凝土中加入纤维可以显著缩短混凝土的特征龄期, 如25FH LX 混凝土的特征龄期只有

1100

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本文提出的叠前时间偏移成像的正确性和对速度横向变化的适应性. 本文的叠前时间偏移成像方法较常规的叠前时间偏移成像方法计算量约增加30%.

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