水工混凝土干缩应力分析和干缩试验探讨.pdf
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1、第 3 0卷第 6 期 Vn 1 3 0 No 6 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f 据r Re s o u r c e s 2 0 l 0年 l 2月 De c2 01 0 D O I : 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 0 0 6 0 0 8 水工混凝土干缩应力分析和干缩试验探讨 王 同生 ( 太湖流域管理局 , 上海2 0 0 4 3 4 ) 摘要 : 回顾 了水工混凝土水分扩散 系数和干缩系数的非线性特性及其
2、在徐 变干缩应力分析 中的应 用, 并对水3 - 混凝土现行干缩试验方法中存在的问题进行探讨 , 指 出按现行方法测定的干缩变形 包 含 了自生体积变形, 扣除后才能得到真正的干缩变形。对干缩 变形实用计算法的适用条件和局 限 性进 行 了讨论 。 关键词 : 水分扩散 ; 千缩应力 ; 干缩试验; 水工混凝 土 中图分类号 : T V 4 3 1 文献标识码 : A 文章编号: 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 3 0 0 3 O n s h r i n k a g e s t r e s s a n a l y s e s a n d s h r i
3、n k a g e t e s t s o n h y d r a u l i c e o n c r e t e WA N G T o n g - s h e n g( T a i h u B a s i n A u t h o r i O , S h a n g h a i 2 0 0 4 3 4 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :T h e n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s o f mo i s t u r e d i ff u s i o n c o e ff i c i e n t an d s h
4、 r i n k a g e c o e ff i c i e n t of h y d r a u l i c c o n c r e t e a n d t h e i r a p p l i c a t i o n i n c r e e p s t u i n k a g e s t r e s s a n a l y s e s we r e r e v i e we dTh e p r o b l e ms i n the e x i s t i n g t e s t me t h o d s f o r s h rin k a g e o f hy dra uli c c o
5、n c r e t e w e r e d i s c u s s e dI t wa s p u t for w a r d t h a t the s h r i nk a g e d e form a t i o n d e t e r mi n e d b y t h e e x i s t i n g me t h o d s i n c l u d e d t h e i n h e r e n t v o l u me d e f o r ma t i o n , an d the a c t u al s h r i nk age d e f o r ma t i o n w
6、a s a c h i e v e d b y s u b t r a c t i n g i t F i n a ll y , t h e a p p l i c a b l e c o n d i t i o n s a n d l i mi t a t i o n s o f p r a c fi e me t h od s for s h r i n k a g e o f h y dra u l i c c o n c r e t e w e r e i n v e s t i g a t e d Ke y wo r ds :mo i s t u r e d i ffu s i o
7、n;s h r i n k a g e s t r e s s ;s h r i nk age t e s t ;h y dr a u l i c c o n c r e t e 混凝土在失去水分时就会收缩 , 这一过程称为 干缩 。混凝土内水分扩散的速度很慢 , 大约是温度 传导速度 的 1 1 0 0 0 。对 于一面暴露于相对湿度为 5 0 的空气 中的混凝 土, 干燥 深度达到 7 c m需要 1 个月 , 达到 7 O c m则需要将近 1 0年_ 1 J 。 干缩常常在混凝土表面引起细而浅 的表面裂 缝 。达到一定宽度和深度 的干缩裂缝会引起钢筋混 凝土结构中钢筋 的锈蚀 , 在不
8、利条件下会 引起结构 的渗漏, 影响结构的耐久性。不 同形式的结构干缩 裂缝的影 响程度不相 同。大体积混凝 土不但 尺寸 大 , 且常常是无筋混凝土 , 受干缩裂缝影响小 , 基本 上可以忽略; 涵闸的底板和闸墩虽然平 面尺寸也很 大, 但厚度较小 , 只有 1 3 m, 为较大体积混凝土 , 且 常常是配钢筋的, 受其一定的影响, 需要加以注意; 工业和民用建筑 中的薄壁结构采 用钢筋混凝土材 料 , 且断面尺寸很小 , 厚度只有几十厘米 , 所受影响 最大, 更需要引起注意。 1 水分扩散过程和 干缩应 力分析 为了求解干缩应力 , 先要分析混凝土水分扩散 过程 。试验证明 , 混凝土内
9、水分扩散和湿度变化与 热传导和温度变化一样 , 都可 归结为求解抛物线型 偏微分方程l 。 设混凝土湿度为 : ( 1 ) l0 式中: U为混凝土湿度 , 即单位 质量混凝土所含水 分 , k g k g ; V为混凝土含水量 , k g r d; p为混凝 土密 度 , k g m s 。 则 U满足 以下湿度扩散方程 : 万3 U : l 3 2 U + + ) ( 2 ) 在与空气接触的边界上, 边界条件为 = ( U FU B ) ( 3 ) 式中 : 为水分扩散系数 , 即在单位含水量梯度和单 位时问内通过单位面积的水分质量, m 2 h ; U 为混 作者简介: 王同生( 1 9
10、 3 5 ) , 男, 江苏泰县人 , 教授级高级工程师, 从事混凝土温度和收缩应力以及流域规划和管理研究。E m a l l : z h o u h w 9 9 9 s t , h a c o m 。 3 0 水利 水电科技进展 , 2 0 1 0 , 3 0 ( 6 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a : _豇 e d u c n h a p: k k b h h u e d u m 凝土表面 湿度 , k g k g ; U B为 混凝 土 的平 衡湿 度 , k g k g ; 为表面水分交换 系数 , 即混凝土表面含水 量与平衡含水量之差为
11、1 k g m 3 时, 单位时间内通过 单位面积所散发的水分质量 , m h ; irt 代表表面法线 方向; t 为时间, d 。 与混凝 土平衡含水量相当的平衡湿度 , 是指 当 周围空气相对湿度为某一固定值时, 混凝土表面经 水分扩散后所能达到的湿度。当混凝土表面达到平 衡湿度后 , 混凝土表面与空气之间不再发生水分转 移 。平衡湿度与周围空气 的相对湿度和混凝土本身 特性等因素有关 , 当空气湿度 降低 2 0 3 6 时, 平衡湿度约降低 1 l l J 。 与热传导问题相 比较, 不难发现水分扩散系数 与热传导方程中的导温系数相当。将 与k同乘以 P后, 与放热系数相 当, 与导
12、热 系数相 当。由 于湿度扩散边值问题与热传导问题大体上相 同, 可 参考热传导问题的有关解法求解 。 在求得湿度场 的解并取得混凝土 内湿度变化情 况后 , 为了计算干缩应力 , 还需要设定干缩变形与湿 度变化之间的关 系。其后 , 与在求得温度场后再求 解温度徐变应力的方法大体相同, 在用有限单元法 求解时步骤也是相 同的。 在早期研究收缩应力的文献 中, 虽已考虑到平 衡湿度这个因素, 但为了便 于计算 , 采用 了水分扩散 系数为常量以及湿度变形与湿度变化之间存在线性 关系( 即收缩系数为常量) 等简化假定 , 此外也没有 考虑徐变对应力的影响。计算成果虽阐明了一些规 律 , 但与实际
13、相差较大。 在近 2 0年来 , 收缩 应力 的研究 取得 了一些进 展。较早在干缩徐变应力分析中考虑水分扩散系数 非线性特性的是文献 3 5 , 设定水分扩散系数 k为 时间( 龄期) 的函数 , 采用了 2种表达式 : k=。 0 ( c l +C 2 t 3 ) ( 4 ) k= p t 一 ( 5 ) 式中: c o , c 1 , C 2 , c 3 , P, m均为常数。 对采用不同表达式的干缩应力计算结果进行了 比较。文献 3 5 在干缩应力分析中计人 了徐变 , 但 没有考虑湿度变形与湿度变化之间的非线性关 系, 即假设收缩系数是常量。 文献 6 考虑了平衡湿度 、 水分扩散系
14、数和收缩 系数的非线性特性, 其中, 设定水分扩散系数是湿度 的函数 : , , , 、d k=k 0 +c I J ( 6 ) 、 1一U, 式中: k 。 为完全 干燥条件下 混凝 土的水分 扩散 系 数 ; c 和 d为常数。 干缩变形 k 与湿度变化的关系采用 了以下经 验公式 : 2 n , 一 、 s k s k L 式 中: 为 湿 度 损失 百分 比, ; 0。 k 为 最 终 极 限 收缩。 文献 6 只进行 了弹性干缩应力分析 , 没有计人 徐变。文献 7 着重考虑了水分扩散系数 以及湿度 变形与湿度变化的非线性关系。在分析了影响因素 并参考有关研究成果后 , 采用 了以下
15、水分扩散系数 与时间的关系式 : k = De ( 8B ) 式中: D 为饱 和状 态下 的水分 扩散 系数 ; A, B为 常数。 认为表面水分交换系数也是随时间变化 的, 并 采用了类似于式 ( 8 ) 的表达式。对于湿度 变形与湿 度变化的关系 , 与文献 6 1 相同, 也采用了式( 7 ) 。文 献 7 没有计人徐变, 也只进行 了弹性于缩应力 的计 算 , 对于平衡湿度也没有涉及 。 , 混凝土湿度变形与湿度变化之间的关系受到水 泥和骨料品种以及配合 比等多种因素的影响。文献 6 7 都没有对经验公式( 7 ) 的适用条件和不同影响 因素时极 限收缩的取值做 出进一步说明, 同时
16、, 均没 有进行徐变应力分析。 从 以上几篇具有一定代表性的文献看 , 混凝土 干缩应力分析的研究已取得了不少进展, 但还不能 满足实际工程的需要 , 需要从理论和试验 2个方 面 继续加强研究。 2 干缩试验 的讨论 为 了取得已选定配合成分和配合 比混凝土的干 缩变形 , 就要进行干缩试验。现行 S L3 5 2 -2 0 0 6 水 工混凝土试验规程 4 1 2 节有对混凝土干缩( 湿胀 ) 试验方法 的规定 , 但该项试 验方法有需商榷之处 。 该试验方法规定 , 混凝土干缩试件尺寸为 1 0 0 n l l n X 1 0 0 m m5 1 5 I T l n , 试件成 型后 即送
17、 进养护 室养护 , 4 8 h 后拆模 , 拆模后 即送干缩室测量其长度 , 作为基 准长度 , 然后将试件放在干缩室发生干缩 , 干缩室内 恒温恒湿, 要求室温控制在 2 0 2 o C, 相对湿度为 6 o 5 。干缩龄期包 括 3 d , 7 d , 1 4 d , 2 8 d , 6 0 d , 9 0 d , 1 8 0 d 或其他指定龄期 , 每个龄期 测长 1 次 , 测 长仪器可用 弓形 螺旋测微计 、 比长仪、 千分表 、 传感 器或混凝土干缩仪。每个龄期测长的方法和方向应 与测量基准长度时相 同。将某一龄期的试件长度与 基准长度的差值除以试件基准长度就可以得到其干 缩率
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