全级配混凝土干缩变形性能研究.pdf
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1、第 2 7卷 第2期 2 0 l 0年 2月 长 江科学 院 院报 J o u r n o f Y a n g e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo l _ 27 No 2 F e b 2 0 1 O 文章编号: 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 6 4 0 4 全级配混凝土干缩变形性能研究 郑丹 , 李文伟 ,陈文耀 ( 1 重庆交通大学 河海学院, 重庆4 0 0 0 7 4 ; 2 中国长江三峡集团公司, 湖北 宜昌4 4 3 0 0 0 2 ;) 摘要:
2、 混凝土裂缝会对结构的稳定产生不利因素, 为此进行了全级配和湿筛混凝土的干缩变形试验。通过分析混 凝土的干缩机理, 在弹性力学理论基础上建立了考虑骨料粒径和含量的混凝土干缩模型, 分析了混凝土的干缩变 形与骨料及水泥浆体弹性模量之问的关系。同时通过分析试件尺寸对混凝土干缩性能的影响, 对比研究了全级配 与湿筛? 昆 凝土干缩变形随龄期的变化规律, 结果显示模型计算数据与试验数据吻合良好。研究表明, 全级配与湿 筛混凝土干缩变形比值随龄期增加而逐渐增大, 1 8 0 d 龄期时的比值约为0 2 9 左右。 关键词: 干缩; 骨料; 水工混凝土; 全级配 中图分类号 : T V 4 1 文献标识码
3、 : A 1 概述 大坝等混凝土建筑物在使用过程 中, 由于湿度 的变化混凝土会产生干燥收缩变形 , 可能使得混凝 土表面或内部形成裂缝 , 降低结构 的承载能力和耐 久性 , 因此混凝土的干缩裂缝 问题越来越 引起人们 关注。由于大体积混凝土试件试验操作困难, 通常 采用湿筛法剔除拌合物 中超过 4 0 m m的大骨料, 而 后做成成 型试 件进 行试 验得 到 混凝 土 的特性 参 数 J 。但 由于全级配混凝土与湿筛混凝土的试件 尺寸和骨料含量并不同 , 两者之间 的力学特性差异 较大 , 因此, 能否用湿筛后混凝土小试件的试验结果 来分析大坝全级配混凝土的性能, 一直是工程界和 学术界
4、所普遍关心的问题。 B a z a n t 教授 在混凝土干缩变形的机理和计 算模型等方面进行了很多开创性的研究。近年来随 着研究的深入 , 混凝土内含水量 、 外部环境以及温度 湿度耦和对干缩变形的影响规律等方面的研究也得 到了充分的发展 j 。但文献中对试件尺寸和骨料 粒径对混凝土干缩性能研究较少 , 因此有必要对此 进行分析 , 研究全级配与湿筛混凝土干缩变形之间 的关系, 为高坝等大型建筑物混凝土抗裂设计和安 全性评价提供参考。 混凝土因为受到骨料的约束, 其干燥收缩比水 泥浆体要小 。骨料对 昆 凝土的抑制量取决于混凝土 中骨料的数量 、 粒 径和弹性模量。N e v i l l e
5、 【 7 1 认为可 以采用如下的经验公式来计算混凝土和水泥浆体干 缩变形的关系。 占 。 = 。 ( 1一 ) , ( 1 ) 式中: o c 0 n 和 。 分别为混凝土和浆体的干缩变形 ; 为骨料 的体积百分含量 ; n的值在1 21 7 之间, 与骨料和浆体的弹性模量有关 。由于式 ( 1 ) 中 n的 物理意义不清楚, 较难分析混凝土和浆体、 骨料干缩 变形之间的关系。 本文进行了全级配和湿筛混凝土的干缩变形试 验 , 并通过分析混凝土的干缩机理, 在弹性力学理论 基础上建立了考虑骨料粒径和含量的混凝土干缩模 型 , 研究了混凝土的干缩变形与骨料及水泥浆体弹 性模量之间的关系。 2
6、全级 配混凝土干缩变形试验 试验采用的原材料为原葛洲坝 5 2 5中热水泥, 平圩 I级粉煤 灰, Z B一1 A高效 减水剂 , D H 9引气 剂 , 下岸溪人工砂和古树岭人工碎石。混凝土材料 用量见表 1所示 , 全级配混凝土粗骨料 中小石 、 中 石 、 大 石 和 特 大 石 的 含 量 分 别 为 3 2 4 9 , 3 2 6 1 , 4 9 1 0 , 4 9 1 0 k #m 。湿筛混凝 土去除了粒径大 于 4 0 m m的粗骨料。 收稿 日期: 2 0 0 9 - 0 1 1 5 ; 修 回日期 : 2 0 0 9 -03 1 8 基金项 目: 中国博士后科 学基金联合资助
7、项 目( 2 0 0 8 0 4 4 0 9 7 9 ) ; 国家 自然科学基金 ( 5 0 8 0 9 0 7 9 ) 作者简介: 郑丹 ( 1 9 7 9 一 ) , 男 , 重庆市人, 博 士后 , 主要从 事混凝土性能方面的研究工作 , ( 电话) 1 3 3 9 4 0 0 4 6 8 9 ( 电子信箱 )z b e n g d a n c q u c e d u C H 。 第2期 郑 丹 等 全级配混凝土干缩变形性能研究 6 5 试验中 , 全级配混凝土干缩试件内部埋有 D I 一 2 5型大应变计 , 试件外部两侧安装 4个千分表 , 标 距分别为 6 0 , 1 5 e m。
8、混凝 土干缩试件成 型后在拌 合问放置 2 d拆模 , 放在温度 2 0 C、 相对湿度 6 0 的室内, 定期进行观测 。混凝土 的干缩试验结果见 表 2 。 表 1 混凝土材料用量 Ta bl e 1 Do s a g e of c o nc r e t e m a t e r i a l k g m 表 2 混凝土干缩试验结果 Ta b l e 2 Ex p e r i m e n t a l r e s u l t s o f c o n c r e t e s h r i n k a g e 全级配 7 1 6 8 2 5 9 2 0 1 o o 1 1 0 4 3 湿筛1 0。 i
9、n 3 0 X c I O m 3 2 5 8 3 3 6 1 34 5, 2 3 4 8 3 3 50 6 全级配与湿筛 比值0 2 2 0 2 2 0 2 5 0 2 7 0 2 9 由表 2可以看出, 全级配和湿筛混凝土的干缩 率均随龄期的增长缓慢增加。全级配混凝土的干缩 变形远小于湿筛混凝土 , 1 8 0 d的干缩率为1 0 4 3 X 1 0 , 约为湿筛混凝土 的 3 0 。同时, 从试件干缩 变形的发展趋势可以看出, 在 1 8 0 d龄期时 , 湿筛混 凝土的干缩基本趋于稳定 ; 而全级配混凝土的干缩 还在继续增长, 这是由于全级配混凝土试件尺寸较 大, 湿度交换过程耗时长
10、, 试件从表面向内部干燥是 一 个缓慢而长期 的过程。 8理论分析 为分析不同龄期下全级配与湿筛混凝土干缩变 形之问的关系 , 本文首先考虑骨料粒径和含量 , 分析 了全级配与湿筛混凝土干缩变形 的极限比值 , 再利 用现有模型计算不 同尺寸的混凝土干缩变形随龄期 变化的规律。 3 1 极 限比值 A l m u d a i h e e n和 H a n s e n t 对不同尺寸和形状的 试件进行了干燥收缩试验, 结果表明, 浆体和混凝土 的最终于燥收缩与试件尺寸和形状无关 , 尺寸和形 状仅影 响干燥收缩的发展过程。因此全级配和湿筛 混凝土的干缩变形极限比值差异主要是由其骨料粒 径和体积百
11、分含量不同引起的。 由于混凝土是 由骨料 、 浆体及界面组成的复合 材料 , 因此可以建立球体复合材料模型分析混凝土 的干缩变形。混凝土中的骨料 由大量大小不同的颗 粒组成 , 因此首先分析在模型中新增加一个骨料时, 基体干缩变形的变化, 如图 1 所示 。 图 1 骨料和浆体 的干缩变形模型 Fi g 1 S h r i n k a g e mo d e l o f a g g r e g a t e a n d c e me n t p a s t e 图中阴影部分为半径为 口的新增骨料 , 弹性模 量为 E , 体积为 ; 骨料外围为原基体 , 半径为 b , 弹 性模量为 E, 体积为
12、 , 模型忽略了界面过程区的影 响。 由于骨料和基体性质不 同, 在干燥过程 中收缩 量也不同, 在干缩变形的影响下 , 其界面会产生应力 q 。根据弹性力学可知 , 在应力作用下水泥浆体在半 径 。和 6处的变形 6 。 和 分别为 = 警 ( + ); 。 ( 2 ) 式中: 为泊松 比; T=( +1 ) ( 一1 ) , y= b 3 a 。 当混凝土中新增加一个骨料时, 基体 的干缩变 形变化量为 AS = 一 2 = 。 界面的变形协调方程为 _( + s :s 一 。( 4 ) 式中 S和 5 分别为原基体和骨料 的干缩值 。联立 ( 2 4 ) 式可得 AS 1, ( 5 )
13、( y 一 ) 式 中 = 希 + 。 长江 科学院院 报 当 = : 0 2 可得 =丽 若 。 ( 6 ) 由于水工混凝土试验 中, 全级配和湿筛混凝土 的骨料的最大粒径均不超过试件尺寸的 1 3 , 因此 的值不大于 1 2 7, 可略去式( 6 ) 中的 1 3 7一E T E 。 同时, 当混凝土中新增加一个骨料时, 骨料体积百分 含量的变化量为 g: 一g: 。( 7 ) 将 ( 7 ) 式 中的 用 g表示 , 代人 ( 6 ) 式 , 并将其 转化为微分形式 : 一 d s= T _ d g 。 8 混凝土弹性模量可用骨料、 浆体以及二者的体 积百分含量表示如下 , 百 1=
14、E g + , ( 9 ) 式中 E 为水泥浆体的弹性模量。求解式 ( 8 ) 的微 分方程, 可将混凝土干缩变形值表示为 s = 1 g ) 1 g , 一 +( + ( 一 ) u 式中: s 为混凝土中水泥浆体的干缩值; = E E 为水泥浆体和骨料的弹性模量比值 。 由式 ( 1 0) 可以看 出, 混凝土的干缩变形 , 与水 泥浆体和骨料各 自的干缩变形、 水泥浆体和骨料的 弹性模量比值以及骨料的体积百分含量有关。假设 骨料的干缩变形为 0 , 可以计算出不同 O t 值下的混 凝土 骨料干缩比值和骨料体积百分 比的关系 , 如图 2所示 。图2中的数据点为文献 7 中的试验结果。
15、图2 混凝土 骨料干缩比值和骨料体积百分比的关系 F i g 2 Re l a t i o n s h i p o f t h e d r y - s h r i n k a g e r a t i o o f c o n c r e t e t o a g g r e g a t e a n d v o l u me p e r c e n t o f a g g r e g a t e 由图 2可以看出 , 本文提 出的复合材料模型可 以较好的分析混凝土和骨料干缩变形之问的关系 , 随着骨料体积百分含量 的增加, 水泥浆体的干缩变 形受到骨料的抑制作用增加, 使得混凝土的干缩变 形减小。同
16、时由图 2可以看出, 混凝土 骨料干缩 比 值受骨料含量影响较大, 而受浆体 骨料弹性模量 比 值的影响较小。 根据计算可知 , 三峡混凝土试验中全级配混凝 土的骨料体积百分含量为0 6 6 5 , 湿筛混凝土的骨料 体积百分含量为0 4 4 2 。假定混凝土 中的干缩主要 由浆体产生, 骨料的干缩值为 0 , 水泥浆体和骨料的 弹性模量比值为0 3 , 由式( 1 0 ) 可知, 全级配混凝土 和湿筛混凝土的干缩值可以表示为 S 全 : :0 2 4 S 。 ;( 1 1 ) 一 一 n , 一 + 3 s 湿 = -0 4 5 5 。( 1 2 ) u 湿 一 +2 5 8 一 u Jup
17、 。 比较式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可知 , 全级配和湿筛混凝土 的干缩变形的最终 比值为0 5 3 3 。 3 2随龄期变化规律 混凝土试件 的尺寸和性质将决定其失水的速 率 , 因此也将决定干燥收缩的速率。研究表明, 水分 扩散路径的长度对失水速率有很大的影响 , 在大体 积混凝土中, 厚度为 7 5 m m的外层达到湿度平衡需 要 1 个月左右 , 而对于 2 2 5 m m厚的外层需要 1 年 , 6 0 0 m m厚 的外层则需要 l 0年以上 。 由于全级配混凝土试件尺寸大于湿筛混凝土 , 因此在其发生干缩时, 混凝土 内部的水分与外界的 水分交换较慢, 干缩变形发展也较
18、慢。在湿度转移 扩散理论 的基础上, B a z a n t 提 出用下列公式来反 映试件尺寸对混凝土干缩变形 的影响。 s ( )=t a n h L 后 后 。 2 T ( - 2 T 0 5) J, ( 1 3 ) 式中: S ( t ) 为干缩变形时问修正系数 ; t t 为试验 时间; k 为试件形状系数 , 圆柱体取1 1 5 ; 。 为与混 凝土强度等参数有关 的系数 ; WS表示试件体积和 表面积的比值( mIi l ) , 代表横截面的有效宽度。 G a r d n e r 和 L o c k m a n _ l 提出的试件尺寸和时问 有关的修正公式如下( 以下简称 G L公
19、式) , r f 十 1 0 5 ) = 【 j , ( 1 4t t ) 一 + ( ) 一 式 中: ( t ) 为干缩变形时间修正系数 ; t t 。为试验 时间; WS表示试 件体积和表 面积 的比值 ( m m) , 代 表横截面的有效宽度; j 为计算参数。 4与试验 结果对 比 本文采用形式比较简单的 G L公式来分析试件 第2期 郑 丹 等 全级配混凝土干缩变形性能研究 6 7 尺寸及试验龄期对干缩值的影响。 由表 2可知, 湿筛混凝土和全级配混凝土横截 面的有效宽度 WS分别为 9 0 m m和2 2 7 m m; 计算 中 取0 0 8 , 湿 筛 混 凝 土 的 干 缩
20、变 形 最 终 值 为 4 0 01 0一。采用上述模型计算全级 配和湿筛混凝 土干缩变形率与龄期的关 系, 结果与试验对 比如图 3所示 。 话 警 舞 - 图 3 全 级 配 和 湿 筛 混 凝 土 干 缩 变 形 率 与 龄期 关 系 Fi g 3 Re l a t i on s hi p of s hr i nka g e r at i o of f u l l - g r a de t o s i e v e d c o nc r e t e wi t h a ge 由图3可知 , 本文提出的模型可以较好地分析 试件尺寸和骨料粒径对混凝土干缩性能的影响。在 1 8 0 d龄期时, 湿
21、筛混凝土的干缩变形大约为最终 值的8 2 , 全级配混凝土的干缩变形大约为最终值 的 4 0 。同时由上述计算可知 , 混凝土试件要达到 最终干缩值的 9 0 , 湿筛小试件所需时间约为 2 1 0 d , 而全级配大试件所需 时间为 2 7 5 0 d ( 7 5 a ) 左 右 5 结 论 本文在现有模型的基础上 , 考虑骨料 的粒径和 体积百分含量对混凝 土干缩变形 的影响 , 分析了全 级配和湿筛混凝土极 限干缩变形 的关系 ; 并分析了 不同试件尺寸的混凝土干缩与龄期之间的关 系, 得 出了全级配和湿筛混凝土的干缩变形 ; 与试验结果 对比表明 , 本文提出的模 型能够反映全级配和湿
22、筛 混凝土干缩变形差异的物理机理。 全级配混凝土中骨料体积百分比较高, 浆体体 积百分比较小 , 而混凝土 中的于缩主要是 由浆体产 生的, 因此全级配混凝土的干缩变形 比湿筛混凝土 小 , 二者的最终 比值为0 5 3 左右。全级配混凝土试 件大于湿筛混凝土 , 在发生干缩时, 混凝土内部的水 分与外界的水分交换较慢 , 干缩变形发展也较慢。 因此在试验初期全级配和湿筛混凝土干缩 比值较 小 , 但随着龄期的增加 , 比值逐渐增大 , 并逐渐趋近 于最终比值 。 参考文献 : 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 D L T 5 1 5 02 0 0 1 , 水工混凝 土试验规程 S (
23、T e s t c o d e f o r H y d r a u l i c( D L T 5 1 5 02 0 0 1 )C o n c r e t e S ( i n C h i n e s e ) ) 杨成球 , 吴政 全级配混凝土基本力学特性试验研 究 J 水利水电科技进展, 2 0 0 0 , 2 0( 3) : 2 93 2 f YANG Ch e n q i uW U Z h e n g R e s e a r c h o n b a s i c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f u l l g r a d e c o n
24、 c r e t e J A d 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 W a t e r Re s o u r c e s 2 0 0 02 0 ( 3 ) : 2 9 3 2 ( i n C h i n e s e ) ) B AZ AN T Z P,KI M J KP ANU L A L I mp r o v e d p r e d i c t i o n mo d e l for t i me d e p e n d e n t d e f o r ma t i o n s o f c o n c r e
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