圆环法研究配筋对混凝土早期抗裂性能影响.pdf
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1、6 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期( 总第 2 0 3期) 1 ) OI 1 0 1 3 9 0 5 j 。 c n k i a w j z 2 0 1 5 0 5 0 0 3 圆环 法研 究配筋对混凝 土早期抗裂性能影响 汤枭剑 , 何瑞 ( 河海 大学土木 与交通学院 , 南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要l 混凝土由于早期收缩开裂很大程度上影响了混凝土的耐久性。为了研究混凝土的抗裂性能, 许 多学者都采用圆环法, 然而 目前多用于素混凝土。对于配筋混凝土早期的收缩抗裂性能还有待进一步的研究。 文中开展了在圆环约束下的试验 , 通过在四个环形试件中不设置钢筋, 和分别设置 1
2、6 m m, 2 0 m m与 2 5 mm直径的 钢筋, 研究配筋率不同对混凝土早期抗裂性能的影响。 【 关键词l 混凝土; 收缩开裂; 圆环法; 配筋率; 抗裂性能 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 0 6 0 4 0引言 圆 环 法 最 早 是 由 MI T( 麻 省 理 工 学 院 )的 R o y W C a r l s o n l 2 于 1 9 4 2年提出, 当时是用来研究水泥净浆和砂 浆的抗裂性 1 9 9 6年 E A R o l a对 圆环规格进行了修改,
3、 后来形成 了通过 圆环试验评估混凝土开 裂趋势 的规 范 A A S H T O_ 3 但该规范对于混凝土在何种程度可能出现开裂 不能提供直接的资料, 且混凝土圆环试件的厚度为 7 6 mm, 因此骨料的最大粒径不能太大。 A k h t e r B H o s s a i n 、 J a s o n We i s s 4 对传统圆环法做了一些 边界条件上的修改: 将最初的外环面散发水分方式改为试 件顶部和底部散发水分方式, 以模拟试件内部湿度沿径向 均匀分布的状态。D o o Y e o l Y o o 、 J u n g J u n P a r k等人 研 究了圆环尺寸对于高性能纤维混凝
4、土收缩的影响, 提出了 应力发展模型, 并对试验过程中圆环应力松弛的问题进行 了研究 。 国内也有不少学者对圆环试验展开了研究。郑翥鹏、 郑建岚 通过圆环试验研究胶结量、 砂率对高强高性能混 凝土早期开裂的影响, 研究结果表明, 随着胶结量和砂率的 增大, 开裂变得严重。 河海大学杨蓉 通过 四种圆环法装置: A S T M改进装 置、 外方内圆装置、 圆锥台装置以及外圆内方装置研究混凝 土早期抗裂性能 , 并提出评价混凝土早期开裂可能性的系 统试验方法 , 为评价任 意龄期混凝土的开裂风 险提供 了 依据。 圆环法发展至今, 其试验方法和评价的理论体系已经 日趋成熟, 已经成为研究素混凝土早
5、期收缩开裂的重要方 法之一。然而, 实际结构大多是配筋的, 因此通过圆环法研 究配筋对混凝土早期抗 裂性能 的影响具有 一定 的实 际 意义 。 1 试验概况 采用轴向拉伸试验研究了高强混凝土的早龄期抗拉性 能。采用圆环法进行4组高强混凝土的抗裂性能试验 , 分别 编号为 S l 、 s 2 、 s 3 、 s 4 , 试验装置相同。其中 s l 不布置钢筋, s 2 、 s 3 、 S 4沿环向分别布置 1 根钢筋。 【 基金项目 江苏省 自 然科学基金项目( ( B K 2 0 1 0 5 1 8 ) 1 1 混凝土原材料和配合 比 本次试验试件均采用同一批商品混凝土进行浇筑。采 用的水泥
6、为 P 1 3 4 2 5普通硅酸盐水泥, 设计强度等级为 C 5 0 , 配合比如表 1 所示。粗骨料粒径最大不超过 2 0 m m, 外 加剂为 U N F一 5 A S T高性能能减水剂 , 矿粉采用 $ 9 5级 , 比表 面积控 制在 4 2 0 4 5 0 1 13 2 k g之间。 表 1 混凝土配合比 k g m 1 2试验方案 1 2 1 力学性能试验 昆 凝土结构早期非荷载裂缝产生的主要原因是由于温 度及收缩变化引起的约束拉应力超过了当时的混凝土抗拉 强度 , 轴向拉伸试验的方法确定得到的混凝土抗拉强度一 定情况下可以看作混凝土的真实抗拉强度。 1 2 2 圆环约束试验 圆
7、环法的原理是通过在钢环 内表面粘贴应变片, 用采 集仪得到的应变值间接分析混凝土环的应变, 测量混凝土 的初始开裂时间, 从而推算混凝土环的实际拉应力 , 评判配 筋对高强混凝土 的早期抗裂性能的影 响。由于 A S T M标 准 中圆环的尺寸不能满足在试件内部配置钢筋的需求, 所以本试验结合实际情况重新进行了设计。将混凝土试件 的厚度扩大为 1 0 0 m m, 将高度设计为 1 0 0 m m。即内环尺寸 为 q 3 2 6 m m X 1 1 3 0 m m 3 4 m m, 外环尺寸为 q 5 2 6 m m1 04m m 5 mm。试件尺寸 : 内径 3 2 6 mm, 外径 5 2
8、 6 m m, 壁厚 1 0 0 mm, 高度 1 0 0 m m。 浇注混凝土之前, 先把钢筋布置到圆环装置内, 另在钢 环内表面 1 2高度处沿环向均匀贴八个应变片, 并连接到 D H 3 8 1 6采集仪上间接观察混凝土环的应变( 钢筋和应变片 布置如图 1 所示) 。 混凝土浇筑后, 对试件采取湿养措施, 用塑料薄膜和锡 纸将试件密封。室内温度 2 3 C, 相对湿度 6 5 , 每隔 1 5 m i n 汤枭剑等 : 圆环法研究配筋对混凝土早期抗裂性能影响 7 采集一次数据。圆环试件种类见表 2 。 I I 丝 丝 I I ! 4 变 悟 一 l 图1 钢筋和应变片布置 表2 圆环试
9、件种类 2结果讨 论与分析 2 1 力学性 能 根据之前所确定的方案进行试验, 测量混凝土从初凝 到2 8 d龄期的抗拉强度和弹性模量 , 得到的结果平均值见 表 3 。 我国目前普遍采用指数函数法表示混凝土弹性模量随 龄期变化的规律见式 1 。 E ( t )=E 0 ( 1一 ) ( 1 ) 式中, E ( t ) 表示不同龄期的弹性模量 , 为成熟龄期 的弹性模量。根据实际结果进行拟合计算, 得到回归系数口 =1 , 口 =0 4 6 6 。拟 合 曲线如 图 2所示 , 决 定 系数 =0 9 4。 表 3 混凝土早期抗拉强度和弹性模量 用 同样 的方式处理抗拉强度 的数据, 得到拟合
10、公式 ( 2 ) , 拟合曲线见图3 。 ( t )= = ( 2 8 ) ( 1一e 狲 ) ( 2 ) 4 善 3 i 2 篓- 破0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 龄期, d 图2 弹性模量的试验值和拟合 曲线 5 鏖 4。 霾 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 龄期, d 图3 抗拉强度的试验值和拟合曲线 2 2 内钢环应变 根据试验数据, 绘制内钢环的应变随龄期的发展曲线 图4 。因为混凝土环带动内钢环收缩变形, 所以应变为负。 由图中的数据可以看出, 4个试件内钢环应变的变化趋势基 本相同。起初都是呈稳步负增长, 然后发生突变应变减小, 表明试件
11、开裂。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 龄期, h 图4 不同试件内钢环应变随龄期变化曲线 浇筑后 2 4 h时 s l 、 s 2 、 s 3 、 S 4的内钢环应变达到的最大 值分别为 - 5 1 、 一 4 6 、 一 4 2 、 一 4 0 p a ; 而4 5 h时分别为 一 7 0、 一 6 7 、 一6 o 、 一 5 6 1 8 , 绝对值递减。由此 比较可以发现在浇筑 后相同时间下 , 混凝土配筋率越大, 收缩变形越小。另外, 不配筋试件 s l在 4 8 h发生初始开裂, 开裂前最大应变为 一 7 O 8 ; 配筋试件 s 2于 6 0 h发生初始开裂, 比
12、不配筋试件的 初始开裂时间延缓了2 5 ; 配筋试件 s 3于 7 0 4 h发生初始 开裂, 比不配筋试件的初始开裂时间延缓了 4 7 ; 配筋试件 s 4于 8 4 5 h 发生初始开裂, 比不配筋试件的初始开裂时间 延缓了7 6 。可以得出结论 : 配筋可以显著减少混凝土的 霹翟 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期( 总第 2 0 3期 ) 收缩变形, 并延缓开裂时间。 2 3 混凝土内部应力发展模型 以往研究使用了大量的技术来得到圆环试验测试的准 确结果, 但其中一些研究仅仅止步于对 内钢环应变的分析 或仅仅使用开裂时间来 比较不同材料的抗裂性能。文中在 此基础上, 基于内钢环
13、的应变计算混凝土内部最大的切应 力。而事实上, 混凝土内部的应力要考虑应力折减的问题 , 所以得到的是最大的残余应力。将混凝土的残余应力和抗 拉强度相联系, 对于其抗裂性能可以得到更深入的认识。 圆环试验可以通过假定将圆环分为一个外表面受到压 力作用的钢环 , 和一个 内表面受到压力作用的混凝土环。 因为内钢环的应变是由于受到这个界面的压力作用而产生 的, 这个压力可以用式( 3 ) 进行计算 J 。 p ( ):一s 。 ( ) E ( 3 ) 0 1 O 2 O 3 O 4 0 5 0 龄期, h ( a ) 不配筋试件 0 1 O 2 O 3 O 4 0 5 O 6 0 7 0 龄期几
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