现代混凝土早龄期自收缩发展模型研究.pdf
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1、成大宝 : 现代混凝土早龄期 自 收缩发展模型研究 2 7 现代 混凝土早龄期 自收 缩发展模 型研 究 成大宝 ( 河海 大学土木与交通学院 南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要】 混凝土收缩是影响现代混凝土早期开裂的主要因素, 文中在对比分析国外 自收缩计算模型基础 上 , 提出适用于现代混凝土早龄期 自收缩发展的计算模型。并通过试验研究一组 C 3 0混凝- I- 2 8 d龄期 自收缩发展 规律, 验证文中提出模型的可靠性 , 同时模型也可用于其他强度混凝土早龄期 自 收缩的推算。 【 关键词】 自 收缩; 早龄期; 计算模型; 现代混凝土 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0
2、【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 - 0 0 2 7 一 o 4 0 引言 混凝土结构易产生裂缝n , 在混凝土早期硬化过 程中, 内部骨料对浆体的约束作用, 会在其粘结面上形 成微裂缝口 , 当裂缝宽度扩展到 0 0 5 m m以上, 就会 影响结构的正常使用功能和耐久性 , 所以混凝土早期 开裂是混凝土结构研究的重点。 混凝土早期开裂是诸多变形受到约束的结果, 收 缩变形是引起开裂的主要原因 , 包括干燥收缩、 自 收缩、 温度收缩等。混凝土自收缩是指由胶凝材料的 水化作用引起的混凝土 自生体积变化, 发生在与周围 环境的
3、湿度无交换的情况下 , 是水化消耗水的速度大 于外界水分通过毛细孔迁移到体系内部的速度或者 无外界水分供应而在混凝土内部的 自干燥过程0 。 混凝土 自收缩现象早在 7 0多年前 就 由 D a v i s 和 L y m a n 提出, 当时的混凝 土 自收缩很小 , 一直被忽 略。从上世纪 9 0年代开始, 随着现代混凝土中大量使 用水泥和添加各种矿物掺合料 , 自收缩现象越来越明 显 。 。 T a z a w a 的研究 表 明适 当的 外 加剂 可 以减少 自 收缩, 不过文中测得 自收缩包含热变形及塑性收缩, 并 不是严格定义上的 自收缩 ; 巴恒静等u 采用非接触式 位移传感器测
4、量混凝土早期收缩, 结果表明水胶 比越 低混凝土 自收缩占总收缩的比例越大 , 但是整个试验 过程带模测量, 会对试件造成约束, 同时系统在 自动控 制方面还有待完善。 张君 通过向混凝土中埋设湿度传感器和压力 传感器 , 来检测混凝土的早期变形, 定义一个与混凝土 凝结时间相关的类 比函数来进行研究 , 并通过修正早 期水化程度 , 对早期收缩进行 了很好的模拟。王铁 梦提 出 M。 、 M 等修正系数调整非标准状态下的收 缩的计算公式, 认为标准下极限收缩是一个定值 , 实际 上混凝土会 由于配置参数和原料等不 同最终收缩也 不 同。 自收缩预测模型的建立有利于掌握 自收缩的发 展规律,
5、对控制 自收缩引起的裂缝有一定的指导作用, 但由于影响 自收缩的因素较多, 很难全面考虑这些 因 素做 出准确预测 , 需要进 一步研究 。 文中对比现有混凝土 自收缩预测模型 , 在现有模 型的基础上进行修正。文 中还通过对 C 3 0混凝土早 龄期 自收缩试验 , 研究了自收缩早龄期的发展规律 , 并 验证文中预测模型的可靠性, 希望能对相关研究人员 提供参考。 1 混凝土自收缩计算模型的建立 表 1 几种计算模型及特点 模型 计算公式 适用特点 适用 于抗 压 强 度 不 超 过 ( t ) : c 10 ) ( t ) 9 o MP a 的普通、 高强高性 C E BF I P 能混凝
6、 土 , 常 用 于预测 抗 ( t ) =1 - e - (1 压强 度低 于 6 0 MP a的普 通混凝 土的收缩 。 8 a ( t )- 8 ( ) 1 一e x p EN 一1 9 9 2 ( 一 ) 8 ( *);25( , 一1 O ) 1 0。 6 适用普通、 高强混凝土, 以 2 8 d 棱柱体抗压强度为基 本变量 ; 未 考虑 初凝 时 间 对收缩 的影 响 。 早期 收缩 预测偏低 。 混凝土 自收缩模型大致可分为分析模型和计算 模型两大类。分析模型从理论 出发 , 反映 自收缩形成 的机理 , 但是由于试验手段的限制及理论假设条件的 不确定性 , 很难获得准确的参数大
7、小 , 对实际工程设计 而言难以满足简单实用的要求。计算模型的形式简 单, 便于指导实际工程设计 , 表 1中列出国外 C E B F I P 1 、E N一1 9 9 2 1 和 日本工业标准 J S规范推荐 使用的三个典型的计算模型的计算公式及适用特点。 低温建筑技术 2 0 1 4年第 l 0期 ( 总第 1 9 6期 ) 选用文献 中 C 4 0 ( 表示水灰 比为 0 4的纯水泥混凝 土) 和 C 3 0 7 S F ( 表示水灰比为 0 3且掺有 7 的硅灰 的混凝土) 两种工况参数带入这三个模型中, 并与文 献 中 自收缩数 据进 行 比较 , 验 证模 型 的适 用性 , 结
8、果见图 1 和图 2 。 粪 6 一 X 婿 娶 0 4 8 1 2 1 6 20 24 28 龄期, d CEBF I P EN一1 9 9 2 一日本J I S 一文献 1 8 1 中C 4 0 数据 图 1 C 4 0 数据 与三个模型的计算值 比较 0 4 8 l 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄期, d C EB- F I P EN一1 9 9 2 一 日本J I S 一 文献 1 8 d 0 C 3 0 7 S F 数据 图2 C 3 0 7 S F 数据与三个模 型的计算值比较 从图 1和图 2看出, 忽略混凝土起初的微膨胀, 混凝土自收缩值的发展趋势差不多, 都是先快速增
9、长 后减速增长, 但是在收缩终值上存在很大差异。C E B F I P 、 E N一1 9 9 2模 型的最终收缩值较小 , 更适用 于普 通纯水泥混凝土, 而国内现代混凝土考虑了矿物掺合 料和外加剂的影响, 在模型计算形式上选用 日本 J I S 规范推荐的模型更合适。基于以上分析, 提出混凝土 早龄期 自收缩模型, 具体公式如下: 。( t )=g 。 ( ) 卢 ( f ) ( 1 ) s ( )= s 2 8 ( 2 ) JB 。 ( t )=1一e x p 一口 ( t t 。 ) ( 3 ) 式中, ( t )为龄期t 时刻的自收缩 ; 是混凝土最 终收缩值和第 2 8 d 收缩值
10、的比值; 丝为混凝土2 8 d龄 期的自收缩值; 3 ( t )是描述 自收缩随龄期发展规律 系数; o和 b 是温度变化影响系数; t 为混凝土的龄期, d ; t 为混凝土的初凝时间, d 。 该模型采用 日本 J I S 规范推荐模型的基本形式 , 对其模型进行总结修正得出。 式 ( 1 )为模 型基本形式 , 表 明某一 时刻混凝 土 的 收缩值 ( t )为足够长 时间后混凝 土最 终收缩值 s ( )与 自收缩随龄期发展规律系数 卢 ( )的乘积 。 式( 2 )为混凝土最终 自收缩值 ( )与混凝土 2 8 d自收缩值 s 。 ( 2 8 )的关系。 通常情况下认为混凝土 2 8
11、 d以后的自收缩值很小 , 实际试验操作中也基本上 取第 2 8 d自收缩值代表总的收缩值 , 取 =1 。 但是 , 在 实际情况下混凝土 2 8 d以后还有一定量 自收缩, 这一 部分 自收缩对模型预测的准确性有着较大的影响。 因 此 , 考虑 的取值有利于提高模型的精度。 式 ( 3 )为 描 述 自收 缩 随 龄 期 发 展 规 律 的 系 数 ( )的公式 , 式 中 , o和 b 是温度变化影 响系数。 该式 代表的是一条经过零点, 逐渐递增 , 递增速度逐渐下 降 , 最终趋 向于某一极 值的曲线。 该 曲线形式与混凝土 自收缩值随时间的发展规律大致相符。 其中, n 取值越 大
12、 , 则混凝 土初期 自收缩快速增长阶段持续时间越长 , 该阶段收缩值越大; 6值的变化影响混凝土 自收缩缓 慢发展 阶段 的发展速度 。 2 计算模型的验证 为验证模型公式 ( 1 )一( 3 ) 的适用 性 , 文 中还通过 试验配置 C 3 0混凝土测量其 2 8 d自收缩 , 具体配合比 和2 8 d 立方体抗压强度见表 2 。 表2 C 3 0混凝土配合比及性能 k g m 试验方法依据 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准 中混凝土收缩试验 方法 , 同 时 考 虑早 期 自收 缩 主 要 产 生 于初 凝 至 2 4 h 内
13、引, 采用 u型标靶测试端头和 L V D T位移传感器测 试系统, 混凝土试件浇筑 1 d 后拆模密封即开始测量。 混凝土 自收缩测试装置示意图见图3 。 I L vD T 传感器 2 一 特富纶板 3 一 钢板4 - 1 1 型标靶5 一 铝箔锡纸 6 一 固定架7 一 混凝土 8 数据采集仪 9 _ - 计算机 图3混凝土 自收缩测试装置示意 图 加 蚴 0 成大 宝 : 现代混凝土早 龄期 自收缩发展模型研究 2 9 2 1 混凝土早龄期 自收缩的发展规律 图4为混凝土 自收缩试验 2 8 d龄期发展规律图 ( 图中正向为收缩) 。三个试件的收缩发展趋势基本 一 致 , 呈两阶段发展规
14、律 : 第一阶段内自收缩在数天中 快速发展, 第二阶段内收缩减速增大。 b X 倒 嫖 龄期, d 试件1 试件2一试件3 图4 混凝土 自收缩早龄期发展规律 根据 图 4的 2 8 d龄期 自收缩 曲线 , 可将混凝 土从 浇筑完成后收缩发展分为 5个阶段 : 第 1 阶段( 第 l d 内) 混凝土刚开始表现 出微小的线性膨胀, 考虑原因 为在混凝土骨架初步形成前 , 重力作用下塑性沉降引 起的侧向膨胀。第 1 I 阶段( 前3 d内) 混凝土的刚度还 是很 低 , 随着水泥水化反应 的快速发展 , 引起的化学收 缩能大幅度提高 自收缩。第 1 I I 阶段( 第 3 a ) 混凝土出 现
15、第二次膨胀 , 表现为先快速膨胀然后减速膨胀( 试 件 1有点偏差) , 直到达到膨胀峰值。可能原因为当 试件表面被塑料薄膜完全密封, 混凝土内分泌出的水 又全部从新吸 收继 续水化 引起膨 胀 , 也 有可 能与 热变 形 等因素有关 系。第 1 V阶段 ( 31 5 d ) 水 泥水化 过程 逐渐缓慢, 混凝土骨架趋于形成 , 刚度逐渐变大, 开始 有能力抵御 自收缩变形 , 混凝土收缩减速增长。从 图 3中看出7 d龄期 自收缩 占2 8 d 龄期的 5 0 左右, 1 5 d 龄期时 自收缩接近 2 0 0微应变, 达到 2 8 d龄期总收缩 的 8 0 ; 第 V阶段 ( 1 5 d
16、以后) 混凝土 自收缩平稳发 展, 混凝土内部湿度有所降低, 在毛细张力作用下, 收 缩发展很缓慢 , 几 乎趋于稳定。 2 2 混凝土自收缩计算模型的验证 将试验数据与文中所建立模型计算 比较 , 利用最 小二乘法拟合得出模型中参数 =1 1 2, 0=0 1 9 , b = 0 7 2 , 具体结果见图 5 。为进一步验证模型的可靠性, 选用文献 中强度 C 5 0混凝土 自收缩的试验数据, 将 文中所建模型和文献中收缩值 比较 , 如图 6所示。模 型中 口= 0 4 3 , b = 0 5 1 , 可见随着强度提高, 混凝土 自 收缩初期发展时间短, 但发展速率很快, 后期发展速率 相
17、对 慢很多 。 结果 表明文 中所建立 的混 凝土 早龄 期 自收缩 模 b X 婿 倒 彗 一 试件 1一试件2 一 试件3 一一 拟合公式 曲线 图5文中试验数据与 自收缩模型计算值比较 龄 期, d 一一文献【 2 3 】 数据 一 拟合公式曲线y = 2 5 2 ( 1 一 e x p ( 一 0 4 3 ( t 一 ) 图6文献【 2 0 试验数据与 自收缩模型计算值 比较 型适用于自收缩的发展规律 , 但相关参数还有待进一 步研究确定。 3结语 ( 1 ) 文中综合对比欧洲规范和 日本规范中混凝 土 自收缩计 算模型 , 验证模型对现代混凝土的适用性。 对国外模型进行修正 , 提出
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