（固体力学专业论文）高强混凝土体积变化的统一评价.pdf

高强混凝土体积变化的统一评价+ 摘要 高强混凝土在工程实际应用中常常会出现早期开裂的现象，于是 对其早期开裂的控制就成为了一个亟待解决的重要课题。本文以高强 混凝土为研究对象，对其体积变化所产生的应变及应力进行了系统的 研究和统的评价，主要内容包括：研究了高强混凝土力学性能与时 间的依存关系( 包括早龄期) ；分析和评价了高强混凝土体积变化及其 引起的约束应力各成分的构成等情况；利用所获得的混凝土力学性能 值和收缩特性，采用徐变应力分析方法对约束应力进行了数值解析。 研究结果表明：( 1 ) 与普通混凝土相比，高强混凝土力学性能( 包 括抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量) 在早期发展迅速。( 2 ) 高强 混凝士自收缩大、增长速率快，且主要发生在早期。龄期1 d 时自收缩 值已达2 8 d 时自收缩值的3 5 ，占9 0 d 时的自收缩值也有近3 0 。龄 期6 0 d 后高强混凝土自收缩值在全收缩( 即自收缩+ 干燥收缩) 中的占 有率收敛于约7 0 。( 3 ) 约束应力分离结果可知，钢筋和槽钢两种约 束方式下的收缩应力中均为自收缩应力成分占得最多，而其它应力成 分也占有较大的比例。因此应综合考虑自收缩、温度变形和干燥收缩 的影响，以控制高强混凝土的早期开裂。( 4 ) 无论是对收缩应变还是 对约束应力，龄期大于1 天以后的干燥开始时间在于燥初期有一定影 响，而在后期的影响则不显著。( 5 ) 采用s t e p b y - s t e p 法所求得的应力 解析值与实验值基本一致，该方法的妥当性得到了证明。 关键词高强混凝土，体积变化，自收缩，约束应力，力学性能， 应力解析 + 率文受浙江省自然科学基金项目( m 5 0 3 0 5 6 ) 资助 一 n j e g r a t e de v a l u a t i o no fv o l u m e c t t a n g e s o fh i g hs t r e n g t hc o n c r e t e a b s t r a c t l nh i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ( h s c ) s t r u c t u r e s ，ap h e n o m e n o nt h a tt h e c o n c r e t ei sc r a c k e da te a r l ya g e sc a l lb eo b s e r v e df r e q u e n t l y i th a sb e c o m e a ni m p o r t a n ti s s u et h a tw i l lb er e s o l v e da ss o o na sp o s s i b l et oc o n t r o le a r l y c r a c k i n g t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas y s t e m a t i cs t u d yo nt h es t r a i na n d s t r e s sd u et ov o l u m ec h a n g e so fh s c t h et i m e d e p e n d e n t c h a n g eo f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n dt h e c o m p o n e n t s o fv o l u m e c h a n g e a n di t s r e s t r a i n e ds t r e s so fh s cw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s t r a i n e d s t r e s s e sh a v eb e e na n a l y z e dw i t h c r e e pa n a l y s i sm e t h o d ，b a s e d o nt h e m e a s u r e dv a l u e so f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds h r i n k a g eb e h a v i o ro f h s c t h er e s u l t ss h o wt h a tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h s c ，i n c l u d i n g c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dy o u n g sm o d u l u s ， i n c r e a s ef a s t e rt h a nt h o s eo fc o m m o nc o n c r e t ea te a r l ya g e s a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o fh s c d e v e l o p sv e r y f a s ta te a r l ya g e s ；t h ev a l u eo f a u t o g e n o u s s h r i n k a g es t r a i na tt h ea g eo f 1 d a y i sa b o u t35 o ft h a ta t2 8 d a y sa n d 3 0 o ft h a ta t9 0 d a y s a f t e r6 0d a y s ，a u t o g e n o u ss h r i n k a g es h o w e dat e n d e n c y t o c o n v e r g ea n dt h e c o n t r i b u t i o no fa u t o g e n o u ss h r i n k a g es t r a i nt ot o t a l s h r i n k a g ei s a b o u t7 0 i ti sc l e a rt h a ta u t o g e n o u ss h r i n k a g es t r e s si st h e g r e a t e s tp o r t i o n o ft o t a l s h r i n k a g e s t r e s s a c c o r d i n g t ot h er e s u l to f s e p a r a t i o no f r e s t r a i n e ds t r e s s e sa n dt h eo t h e rc o m p o n e n t ss u c ha sd y i n g s h r i n k a g es t r e s sa n d t h e r m a ls t r e s sc a n n o tb e n e g l e c t e da l s o t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r y t o i n t e g r a t e t h ei n f l u e n c eo fa u t o g e n o u s s h r i n k a g e ，t h e r m a l - i i d e f o r m a t i o na n dd r y i n gs h r i n k a g et oc o n t r o le a r l y c r a c k i n gi nh s c t h e i n f l u e n c eo fi n i t i a l d r y i n ga g eo ns h r i n k a g es t r a i na n dr e s t r a i n e ds t r e s si s s i g n i f i c a n t a t e a r l ys t a g e o fd r y i n gw h e nd r y i n gs t a r t e da f t e r1 d a y m o r e o v e r ，t h ea n a l y t i c a lr e s u l t so fs t r e s sa n a l y s i so b t a i n e db ys t e p b y s t e p m e t h o d a g r e ew e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e ，v o l u m ec h a n g e s ，a u t o g e n o u s s h r i n k a g e ，r e s t r a i n e ds t r e s s e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， s t r e s sa n a l y s i s - 1 i i - 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导f ，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 藿要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 诠真囱 日期：瞒年牟月倍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密匦。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：族垂名j 日期：嘶5 年z 月i 窖目 导师签名：0 钐场隰。f 年年月护 浙江_ l 业大学顺上学位论史 第一章绪论 1 ，1 高强混凝土的发展背景 1 1 1 高强高性能混凝土的发展 混凝土是现代最广泛使用的人造材料，也将是本c 生纪的主要建筑材料之一。 据刁i 完全统计，目前世界水泥产量已超过2 0 亿吨，折合成混凝土，将不少于6 0 亿 立方米之多。从几千年前我国劳动人民和古罗马人等所使用的原始胶凝材料( 如 黏土、石灰及火山灰等) 至；j 1 9 世纪2 0 年代中期英国人j a s p d i n 发明的波特兰水泥， 再从1 9 世纪中叶法国人l a m b o t 发明的钢筋混凝土发展到目前的高强高性能混凝 土，这经历了一段漫长而又曲折的演变与发展的过程【卜”。 随着科学技术的进步和生产的发展，方面，混凝土结构工程向更高高度、 更大跨度和更大承载能力的方向发展；另一方面，对各种在严酷环境f 使用的特 种结构，如海上采油平台、核反应堆等的需要也在不断增加。这些混凝土工程的 施工难度大，对混凝土的强度及耐久性要求高，一一旦出现事故，后果将十分严重。 如1 9 8 0 年3 月2 7 日，日本北海s t a v a n g e r 近海钻井平台a l e x a n d e rk j e l l 号突然破 坏，导致1 2 3 人死亡。另外，乌克兰境内的切尔诺贝利核电站发生泄漏。更严重 的是，在1 9 8 7 年我国某处的钢筋混凝土大水塔突然毁坏，水像山洪暴发+ 样地冲 下，造成很大的人员伤亡和建筑设施的严重毁坏。高强高性能混凝士的研究f 是 在这样的背景下展开并得到越来越多的应用。据报道【4 1 ，广州的国贸大厦、中天广 场大厦，深圳的鸿昌大厦、地王商业大厦，上海浦东环球金融中心、金茂大厦， 北京新世纪饭店，辽宁大厦、沈阳和泰大厦等均采用了c 6 0 混凝；个别工程( 如 ：| 匕京静安中心大厦等) 还采用了c 8 0 混凝七，收到了很好的技术效果和经济效益。 闷前，国际上已经广泛认识到，高性能混凝土( h i 曲p e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称 h p c ) 在具有高强度指标的同时，还要有足够的耐久性和工作性的要求，并且能 在经济合理的条件下制备，其优越的性能大大地扩展了混凝土在工程中的应用范 浙江r 业太学硕i l 学位论文 围，已经成为令后混凝土技术的主要发展方向。 1 1 2 高性能混凝土与高强混凝土 “高性能混凝土”一词的提出至今只有 - 多年的时间，不同国家、不同学者 依照各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土有不网的 定义和解释，如： ( 1 ) 美国国家标准与技术研究所( n i s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 于1 9 9 0 年5 月在马里兰州召开的讨论会上，将h p c 定义为具有某些性能要求的匀质混凝：匕， 这些性能包括：便于浇筑、捣实而不离析；力学性能稳定；早期强度高、韧性高 和体积稳定性好：在恶劣的使用条件下寿命长。也就是说，h p c 要求高的强度、 高的流动性与优异的耐久性。 ( 2 ) 1 9 9 0 年美国m e h t a 5 l 认为：高性能混凝土不仅要求高强度，还应具有高耐 久性( 抵抗化学腐蚀) 等其它重要性能，例如高体积稳定性( 高弹性模量、低干 缩率、低徐变和低的温度应变) 、高抗渗性和高工作性。 ( 3 ) 1 9 9 2 年法国的m a l i e r 认为：高性能混凝的特点在于有良好的工作性、高 的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性，特别通用于桥梁、港工、核反应 堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。 ( 4 ) 1 9 9 2 年日本的小泽一雅和冈村甫认为：高性能混凝土应具有高工作性t 高 的流动性、粘聚性与可浇筑性) 、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。 ( 5 ) 1 9 9 2 年k t 本的s a r k e r 提出：高性能混凝土具有较高的力学性能( 如抗压、 抗折、抗拉强度) 、商耐久性( 如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀) 、高抗渗性， 属于水胶比很低的混凝土家族。 ( 6 ) 我国学者冯乃谦【t 8 3 认为：高性能混凝土必须是高强度，或者说，高强混 凝土属于高性能混凝土的范畴：商性能混凝士必须具有满足施：i = 要求的流动性和 坍落度损失，而其水灰比( w c ) o 3 8 ；并且保证其体积稳定性良好；耐久性是 高性能混凝土的蕈要指标。 ( 7 ) 我国另一一位著名的混凝土专家吴中伟l ：”1 指出，针对不同用途要求，高性 能混凝土对下列性能有重点地予以保证：耐久性、：j ：作性、适用性、强度、体积 稳定性、经济性，并称其为“绿色混凝土”。 浙工业大学碗，l 学位论文 综上可以看出，各国的专家学者普遍认为：高性能混凝上应具有“高耐久性”、 “商工作性”以及“高强度”的三大特点，并以耐久性作为设计f 的主要指标。文 献f 9 指出，高性能混凝土不是一个混凝土的晶种，而足强调混凝土的”雌：能 ( p e r f o r m a n c e ) ”或者质量、状态、水i f ，或者说是种质量目标。对不同的实际 ：i ：程，高性能混凝土有不同的强调重点，根搦具体情况选择强度和耐久性二者之 一作为控制因素。 高强混凝土( h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e 简称h s c ) 仅仅是以强度的大小来表征或 确定其何谓普通混凝土、高强混凝土与超高强混凝土，而且其强度指标随着混凝 土技术的进步而不断有所变化和提高。而目前通常所说的高强混凝土，虽然它强 调的是高强度，但也需要兼顾其耐久性和工作性，如果没有较好的耐久性，再高 强的混凝也会很快地失去原有的承载能力，浪费了它所具有的高强度。因此可 以这么说，高强混凝土是属于高性能混凝土的范畴。但目前的高强混凝土还较普 遍存在着一定的耐久性问题，所以它的总发展方向或者说是必然发展方向，那就是 高性能混凝士，即高强的高性能混凝z k e 。本研究即是以高强的高性能混凝土为 研究对象，以下简称高强混凝土。 1 2 高强混凝土体积变化的研究现状 12 1 有关体积变化( 收缩) 的基本概念及研究状况 由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度变化等因素引起的体积变比， 均称为混凝土的收缩】。对普通混凝土来说，干燥收缩是最主要的，当结构断面 尺寸较大时还应考虑温度变形：而对高强混凝土来说，除干燥收缩、温度变形以 外，自收缩问题也不容忽视。区分不同的收缩，有助于采取措施减少收缩，以防 止或减少混凝土的开裂。通常，混凝土的收缩主要有化学收缩、塑性收缩、温度 收缩、干燥收缩、自收缩及碳化收缩等p l 。其中高强混凝土所应被关注的早期收缩 是温度变形( 收缩) 、自收缩和干燥收缩，这三种收缩的作用是引起早期开裂最为 主要的因素，而且它们对混凝土的作用是复合的而不是单一成分的作用。 浙江t 业大学硕- 。学位论文 ( 1 ) 化学收缩又称水化收缩。水泥水化后，固相体积增加，但水泥一水的体系 的绝对体积则减少。所有的胶凝材料水化以后都有这种减缩作用，因为水化反应 前后的平均密度不同。大部分硅酸盐水泥浆体完全水化后，体积减缩总量为7 9 【12 1 。 ( 2 ) 塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段。这里是指在塑性阶段的混凝土由于表 面失水而产生的收缩( 其实还包括由于重力作用而产生塌落下沉的收缩变形) 。混 凝土在新拌状态f ，拌和物中颗粒间充满着水，如养护不足，表面失水速率超过 内部水向表面迁移的速率，则会造成毛细管中产生负压，使浆体产生塑性收缩。 ( 3 ) 碳化收缩。空气中c 0 2 的体积含量约0 0 3 ，在相对湿度合适的条件f ， c 0 2 能和混凝土内水泥石中的c a ( o h ) 2 发生化学反应， 即 c a ( o h ) 2 十c 0 2 生旦斗c a c o3 + h ? o ，称为碳化。碳化伴随有体积的收缩( 即水 分的损失) ，称为碳化收缩。碳化过程是c 0 2 由表及里的逐渐向混凝土内部扩散的 过程，其碳化收缩现象在后期表现得比较明显。 ( 4 ) 温度变形( 收缩) 主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升高，最后又冷 却到环境温度的过程中产生的变形。其温度应变晶的大小与混凝土的热膨胀系数 t 7 、混凝土内部温度差a t 等因素有关，即= c t a t 。 ( 5 ) 自收缩是指混凝土初凝后因胶凝材料继续水化引起白干燥而造成混凝土 宏观体积的减小。这种收缩是由化学作用引起的( 不包括温度变化和与外界有物 质交换时所引起的体积变化) 。本文将在以下的内容中对此作详细的阐述。 ( 6 ) 置于不饱和的空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小，称为干燥收 缩，简称干缩。随着周围空气环境的相对湿度降低或温度升高，水泥浆体的干缩 增大。 本论文所研究的是高强混凝土的早期收缩( 体积变化) 问题，也就是研究以 上所述收缩中最后的三种收缩，特别是自收缩问题。混凝土的温度收缩、干燥收 缩及裂缝控制技术的研究已经比较成熟了，有关温度收缩的影响因素、预测模型、 温度收缩引起的开裂形式及防治措旌等方面的研究和干燥收缩的研究 1 3 2 q 很多， 可供高强混凝土研究与应用借鉴。但是混凝土的自收缩问题一直以来未被重视， 浙江工业大学硕士学位论文 只是近些年来才开始被关注和研究，国内的些学者已经对自收缩问题开始研究， 而国外在这一方丽的研究已有一定的基础和进展| 2 7 。1 ，但仍有不少问题尚待进 步的研究和阐明。 1 2 2 自收缩的研究进展和现状 早在6 0 多年前，d a v i s 3 1 1 就测定了大体积的水工混凝土内部自收缩，以线性 应变计，龄期个月时为5 0 x 1 0 * 6 ，五年后为1 0 0 x1 0 。这样的收缩比干燥收缩 小得多，几乎比干燥收缩小1 个数量级，因而长期未得到重视，在实际应用中将 其包括在总的收缩之内。近些年来，随着高强混凝土的，1 泛应用，混凝士的自收 缩现象越来越引起国内外学者的重视。h o l l a n d 发现，大坝消能池修复用的超高强 混凝土在施工后2 3 天内就发生了贯通的裂缝，认为是混凝土的自收缩引起的早 期开裂3 4 1 。w i t t m a r m 等人对强度分别为3 5 m p a 和7 0 m p a 的混凝土干燥过程进行 试验，结果表明，出现非稳定性裂缝的时间，高强混凝土( 7 0 m p a ) 只有1 3 天， 而普通混凝土( 3 5 m p a ) 则需经过5 0 0 天。b r o o k s 等人发现，混凝土在恒温水 养护的条件下仍然开裂，密封的高强混凝土的抗折强度随着养护龄期的增加而降 低等口6 。这些现象不能仅通过冷缩开裂或干缩开裂来解释，而只能通过自收缩来 解释。研究表明，水胶比低于o 3 0 的高强混凝土的自收缩率高达2 0 0 x 1 0 。6 4 0 0 1 0 1 3 7 ；自收缩可存在于任何水胶比( 或水灰比) 的混凝土中，并随混凝土水胶比 的降低，混凝土自收缩而不断增大 3 2 l 。在国内，安明哲1 、杨全兵【3 9 】、谭克锋f 4 0 1 、 巴恒静4 1 1 等人对高强混凝土的自收缩问题进行了研究。经过这些年来对白收缩问 题的研究，人们已经取得了较多研究成果，对自收缩问题有了一定的认识，下面 对高强混凝土自收缩的研究成果和现状作详细的阐述，其中包括自收缩的机理分 析、测量方法、影响因素和控制措旌等。 ( 1 ) 自收缩的定义及其机理 “自收缩”( a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ) 一词酋次由l y m a r l 在1 9 3 4 年提出，并在其 所著的波兰特水泥混凝土的进展一书【3 3 】中定义为：“通常认为，随着凝胶水化 铝酸钙与水化硅酸钙的生成，其服从凝胶形成规律产生体积减缩。自收缩这种类 型的收缩很容易间其它因热因素或向空气中湿度的损失日l 起的收缩区别丌来”。 1 9 4 0 年，d a v i s1 3 i l 定义自收缩为：“混凝士的自身体积变( a u t o g e n o u sv o l u m e 浙江工业大学硕1 1 学位论文 c h a n g e ) g 0 因其内部本身的物理和化学转化而q l 起的体积变形，而非下列嘲素b l 起： 阁围大气的湿度升高与降低：温度的升降；因外部荷载或限制物所产生的应力”。 最近，日本混凝土协会( j c i ) 4 2 1 将自收缩定义为：“混凝二 初凝后水泥水化引起胶 凝材料宏观体积的减小。自收缩不包括因物质的损失与增加、温度的变化、外力 与约束的施加而引起的体积变形”。其实，日本混凝土协会对自收缩的定义与 d a v i s 的定义基本一致。 化学收缩和自收缩是不同的，前者是在有足够水供应的情况下也能够观察到 的，而后者是在没有足够水供应的情况下宏观体积的变化。化学收缩虽然是 j 收 缩产生的主要原因，但两者之间没有直接关系4 引。当认为硬化水泥石是由固相、 气相和液相所组成时，化学收缩被认为是反应物绝对体积的减小，而自收缩被认 为是固相体积形成后外观体积的减小，因此自收缩是远远小于化学收缩的。在没 有水分蒸发和外部水源的条件下，自收缩和化学收缩的关系如图1 1 【4 2 1 所示。 婚 攥 聪 蛙 图1 1化学收缩和自收缩的关系【4 2 】 对自收缩与化学收缩两个概念进行了分析与讨论之后，下面对自收缩的形成 机理进行详细地阐述。 自收缩的形成原因可以从水泥水化反应中看出。般，水泥水化反应同时产 生三种现象4 4 1 ：a 化学反应使无水成分转变成水化产物；b 由于其所有的化学反 应均为放热反应故有热量释放：c l ec h a t e l i e r l 4 5 1 与p o w e r s 4 6 】发现的绝对体积减缩。 绝对体积减小刁i 是瞬时的，其因受水化水泥浆体的结构或骨料骨架与钢筋作用， 而受到a 我限制。其结果，水化过程中在水泥浆体中产生非常细小的孔 4 7 1 。这种 浙江j 业 学硕f 学位论文 微细孔在有无外界水源的情况下都会产生，i 面且会产生与自收缩有关的两, f h e 本 不同的结果【4 。 在无外界水源的情况下或当水泥水化引起的耗水速率大于外界水源的迁移速 率时，水化从粗毛细孔网络中吸取了水，形成了凹液面，同时微细孔在水化水泥 浆体中产生。从宏观上看，水从粗毛细孔巾消失，仿佛混凝土被 = 二燥，但毛细孔 中水的减少并不伴随着质量的损失。这种混凝土的粗毛细孑l 干燥而无质量的损失 现象称为混凝土的白干燥( s e l f - d e s i c c a t i o n ) 3 a 9 i 。在无外界水源情况下，随水泥水化 的发展，自干燥存在于任何混凝土中。自干燥造成混凝士毛细孔中的水分不饱和， 即出现毛细孔系统中的册液面，必然会在毛细孔内部产生负压差 印：p l p 。一2 y c o s t ，( 印为毛细孔水内外压力差，负值：y 为毛细孔水的表而 张力；口为毛细孔水与孔壁的接触角：r 为毛细孔水力半径，即：孔体积：f h 内表 面积) ，并在负压差p 的作用下产生混凝土的自收缩l s o , s 】。 当有外界水源时，只要外界水源与混凝土在毛细孔网络中因水化生成的微细 孔相通，毛细孑l 中凹液面便不会产生。此时，水泥浆体的绝对体积减小而生成的 微细孔就能通过外界等量的水源来补充水化所消耗的水，从而自干燥现象消失。 因此，毛细孔中不会产生凹液面，也不会产生毛细孔压力差，混凝土也就不会产 生自收缩。事实上，有时会观察到混凝土膨胀现象【4 8 】。 ( 2 ) 测量方法 目前，对于高强混凝士自收缩的测量，世界各国都无统一标准可依，不同学 者根据实际条件采用不同的方法。所选取的基准长度或是从初凝( 或终凝) 时开始测 量，或是从成型l 天龄期时开始测量，通常国内绝大多数研究者都是从混凝土成 型后l 天时开始测量。而高强混凝土大部分的自收缩发生在早期5 2 1 ，这时混凝土 抗裂性差，往往会因早期自收缩大而产生微裂纹。因此，对高强混凝士早期自收 缩的测量可能比随后测到的收缩更为重要。对高强混凝土早期自收缩的测量，人 们主要采用如下方法：a 千分表法：两端预埋测头测量1 3 8 j 2 1 等；b 传感器法：l v d t 传感器1 5 3 , 5 4 、电容式传感器【5 5 】、j e 接触感应式位移传感器、线振仪、埋入 式应变计等：c 光学测量法：激光测量仪、光学显微测量仪；d 体积法：测量体 浙江1 二业大学硕士学位论史 积变化。这些测量方法各有各的特点和适用条件，但通常情况下千分表法与传感 器法采用得较多。这是由于千分表法测量自收缩具有操作简单、投资少；而传感 器法测量精度高，人为误差小，通常能连续自动记录。但它们也有其自身的：下足 之处，有待于进一步的完善。 f 3 1 影响因素和控制措施 自收缩受水泥矿物成份的水化速率、水化程度与水化结合水含量的影响4 3 , 5 6 ， 在水泥矿物组成中的c 3 a 和c 4 a f 由于水化速率快且其结合水含量也高，因此它 们对自收缩的影响最为显著，二者含量增高，自收缩值则增加。含有硅粉和磨细 矿渣的混凝土自收缩值与普通混凝土相比明显增力1 1 1 2 9 1 。另外，使用了粉煤灰、石 灰石粉、憎水石英粉的混凝土的自收缩值会降低 5 7 , 5 8 1 。掺加膨胀剂的混凝土也会 发生自收缩现象，但最终的收缩值与不掺膨胀剂的试样相比明显降低5 8 1 。自收缩 也受到混凝土配合比的影响，如水灰比、集料体积率等。养护条件同样影响自 收缩，如养护温度、湿度等。养护温度对自收缩的影响规律大致如一f t 6 0 l ：a 不掺 矿物掺合料的普通混凝土在较高的环境温度下，自收缩值较低：b 当普通混凝土 中掺加比表面积为8 0 0 0c m 2 g 的磨细矿渣时，较高温度一f 的早期自收缩应变发展 很快，而后期的自收缩应变要低于低温下的自收缩值：c 当普通混凝土中掺入硅 粉时，较高的环境温度将导致较高的自收缩值。 从目前对自收缩机理与影响因素的研究可知，降低混凝土自收缩的措施可包 括以下几个方丽： 应用减缩剂【4 8 ，6 1 】。减缩剂通常为表面活性剂，其可降低水表面张力及增大 凹液面的接触角，从而降低因白干燥产生的毛细孔压力，来减少自收缩的产生。 减缩剂也同样可以降低混凝土因干燥产生的收缩。 充分的水养护对减小高强混凝土的自收缩非常有用。水养护不仅影响混凝 二 ：的自收缩，同样影响混凝土的力学性能与耐久性。 由于水泥矿物组成和水化程度是影响自收缩大小的关键，因此从材料角度 出发，应选用低c 3 a 和c 4 a f 、高c 2 s 的水泥可以降低自收缩。 1 2 3自收缩应力及其评价 由于高强混凝土的早期收缩大，而且早期弹性模最高、抗拉强度增长幅度小、 浙江1 二业大学硕扛学位论文 徐变对应力松弛能力相应减小，因此高强混凝土在早期往往容易开裂1 7 。虽然早 期收缩使混凝土整个体积变小，即产生各个方向的应变，但人们一般采用一维长 度的变化率一“收缩应变”，来衡量收缩量的火小f 6 2 】。收缩应力产生的原因可以 认为是收缩应变受到一定程度的限制所致。当混凝土所受的收缩应力( 拉应力) 大于其当时的抗拉强度( 或者由于混凝土收缩被限制而引起的拉伸应变达到了材 料允许的极限变形) 时，混凝土就会开裂，从而影响其耐久性。高强混凝f i ：v - 期 收缩应力主要有自收缩应力、温度应力和干燥收缩应力，其中自收缩应力最为显 著。而影响自收缩应力的主要因素包括自收缩应变值、弹性模量、徐变和约束程 度。下面对自收缩应力评价的研究状况作一番介绍。 ( 1 ) 自收缩应变 要进行自收缩应力分析，首先必须要预测自收缩应变。自收缩应变在低水灰 比的高强混凝土中是非常显著的，与此同时水化热引起的温度应变也在发展，因 此必须同时评估这两种应变以达到预测自收缩应力的目的。如果混凝土同时又受 到干燥的影响，那么干缩应变也应同时考虑。影响自收缩应变的其它因素还有很 多，比如水灰比、掺合料的种类和掺量、水泥类型和环境温度等。目前还没有建 立能够把这些因素统统考虑进去的公式，t a z a w a 和m i y a z a w a 提出了一个预测自 收缩应变的经验公式，但在该公式中没有考虑自收缩在截面上呈非线性分布的问 题。 ( 2 ) 自收缩应力 自收缩应力的大小除了与自收缩应变有关外，还受混凝土力学性能的影响。 为了更准确地分析自收缩应力，必须建立高强混凝土力学性能模型，特别是早期 模型。与普通强度的混凝土相比，目前几乎没有关于高强混凝土早期力学性能的 报道。虽然欧洲混凝土委员会( c e b ) 和国际预应力混凝土联合会( f i p ) 在c e b f i p m o d e lc o d e1 9 9 0 ( m c 9 0 ) 所提出的计算混凝土力学性能的公式得到了广泛应 用，但它不适用于分析龄期低于l 天的混凝土抗压强度和弹性模量等力学性能1 。 为了准确评估自收缩应力，文献 4 2 指出了从终凝到2 8 天的抗压强度和弹性模量 的公式，同时结合c e b f i pm o d e l c o d e1 9 9 0 的公式对其进行修正，结果发现 预测值与试验值之间具有较好的符合关系。目前分析混凝土自收缩应力较为理想 浙江e 业火学硕上学位论文 的方法为s t e p b y s t e p 方法1 4 2 l 。这种方法能够评估应力的快速发n - 平l i 徐变造成的应 力松弛，对于高强混凝土自收缩应力分析是非常合适的。另外还有i n c r e m e n t 方法， 常用于预测大体积混凝土的热应力。但足，这种方法= _ _ i ；能较好地评估应力松弛， 还往往会高估应力发展速率，而且其分析结果和实际结果之间的拟合依赖于加荷 龄期。 1 2 4 干燥收缩、温度变形与自收缩复合作用下的体积变化 众所周知，高强混凝土的早期开裂常常是由干燥收缩、温度变形与自收缩复 合作用引起的。目前，国外已经有人对高强混凝土干燥收缩、温度变形与自收缩 复合作用下的体积变化引起的应变及应力进行了研究 3 0 , 6 5 , 6 6 】，但国内在这方面的研 究处于起步阶段，而本研究中尤其对早龄期复合作用下体积变化的研究在国内尚 处于领先水平。 1 3 本文研究的意义和内容 1 3 1 本文研究的目的和意义 近年来，随着混凝土的商性能化，高强混凝土得到了越来越多的使用。但是 值得注意的是，高强混凝在工程中的广泛应用还存在着不足之处，那就是开裂 问题。由于其水灰比较小且含有大量的粉体，因此除干燥收缩外，水泥水化热、 尤其是伴随水泥水化的白干燥所产生的自收缩使其比通常的混凝土更倾向于早期 开裂。高强混凝土的应用不仅是因其强度特征而且因其高耐久牲，与普通混凝士 相比，开裂造成其耐久性降低的不利影响将更加突出 6 7 , 6 8 1 。因此，商强混凝土早 期开裂的控制是非常必要和重要的。然而，与普通混凝土不同，使用高强混凝土 的结构早期受到温度变形、干燥收缩及自收缩的复合而不是单一成分的作用。因 此，在寻求高强混凝土结构的早期开裂控制对策时，评价包含所有成分的体积变 化所引起的应变及应力是必须的。进一步地，由于各个成分引起的体积变化的发 展时期及其速度并非一致；对于各成分间的相互作用，各种环境条件下的各成分 在= ；_ l i 同时期对于总的体积变化的贡献度( 影响度) 的把握则显得更加重要。所以， 浙江工业大学硕十学位论文 对二f 二燥条件下的自收缩的把握、考虑早龄期弹性模量及徐变特性的应力解析方法 的建立等，都是在目前尚无法有效消除体积变化影响的情况下需要亟待解决的课 题。 随着我省经济建设的发展，c 4 0 以上的高强混凝土的使用变得日益普及，混凝 土结构的开裂时有发生，成为困扰土木建筑界的难题。本研究的完成将可以把握 不同时期( 龄期) 的体积变化成分的影响度；明确开裂的主要原因，进而可为降 低何种成分对避免早期开裂最为有利揭示其方向性。与此同时，高精度的应力解 析方法的建立可为结构设计提供有力的参考依据，为从材料性能到结构性能的统 一评价提供可能。本研究的完成也将为我省高强混凝土技术的进一步发展和推广 提供重要的理论和试验依据。 1 3 2 本文研究的主要内容 图1 - 2 本文研究的主要内容 浙江工业大学硕上学位论文 本文研究的主要内容包括下述几个方面： 1 高强混凝：1 1 ：= 力学性能与时间的依存关系( 包括早龄期) 的试验把握。 2 高强混凝土体积变化各成分的构成情况，发生时期、发展速度的定性及定 量评价。 3 高强混凝土体积变化的各成分所引起各约束应力成分的构成情况，发生时 期、发展速度的定性及定量评价。 4 利用前面所测得的高强混凝土力学性能值( 物性值) ，建立其体积变化引起 的约束应力解析方法，并验证该法的妥当性。 本论文研究的主要内容及其流程大致如上图1 2 所示。 浙江工业大学硕- i 学位论文 第二章混凝土原材料性能及其配合比 2 1 原材料及其性能 2 1 1 水泥 由于水泥的强度与标号是影响混凝土强度的最主要因素之一，因此对水泥的 选用情况显得十分重要。目前市场上常用的水泥标号是3 2 5 级和4 2 5 级，本研究采 用4 2 5 级普通硅酸盐水泥，并按照水泥胶砂强度检验方法( i s 0 法) g b f r1 7 6 7 1 1 9 9 9 进行了水泥胶砂强度试验，测得其抗折、抗压强度性能指标见表2 一l 。 表2 - 1水泥的抗折、抗压强度性能指标 i抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) l 3 d2 8 d3 d2 8 d 5 69 62 0 74 5 1 2 1 2 水 水是混凝土的重要组成之一，水质的好坏不仅影响混凝士的凝结和硬化，还 会影响混凝土的强度和耐久性。故本试验采用饮用水( 即自来水) 。 2 1 3 砂 中砂，过5 0 0 m m 筛，细度模数e m 为3 0 ，含水率为4 7 7 ，砂的级配情况 见表2 - 2 。 214 石子 石予采用粒径为5 - 2 0 m m 的碎石，石子的级配情况见表2 3 。 215 减水剂 减水剂采用聚羧酸盐系j m p c a 引气型减水剂。 浙江 业大学硕l 学位论文 表2 - 2 砂的筛分析试验结果 i筛孔径分计筛余量 分计筛余累汁筛余 i( m m ) ( g )百分率a i ( )百分率a ( ) 50 01 0 2o 2 0 42 0 4 | 2 5 0 1 0 6 52 l - 34 1 7 1 2 54 2 5 855 02 o 6 3 06 8 51 3 76 3 9 0 3 1 51 3 5 o 2 7 o9 09 o 1 6 02 7 o 549 6 3 干燥收缩应力。不过，由于本文假设干燥条件下的温度应力与密封条件下 的温度应力相等，因此存在着过大评价干燥条件下的温度应力的可能性( 因为干 燥条件下随着混凝土中的自由水的蒸发，混凝土内部温度会有所降低，从而使槽 钢与混凝土的温差有所减小) 。有关这一问题有待今后进步研究。 表5 - 4 干燥养护条件下槽钢约柬应力的成分( 龄期9 0 d ) 干燥约束应力的成分 开始全应力自收缩应力干燥收缩应力温度应力 龄期应力值 百分率应力值 百分率应力值百分率应力值百分率 ( d ) ( m p a )( )( m p a ) ( )( m p a )( )( m p a 、( ) l2 5 51 0 01 1 14 40 6 62 60 7 83 0 32 8 11 0 0i 1 1 4 0o 9 23 30 7 82 7 72 6 1l o o1 1 1 4 2o 7 22 80 7 83 0 综合前面讨论分析所得到约束应力的分离结果可知，各应力成分在全应力中 浙江工业大学硕士学伉论文 均占有较大的比重，尤其是自收缩应力，而干燥收缩应力和温度应力都不容忽视。 5 4 本章小结 本章对0 8 0 高强混凝土体积变化引起的约束应力发展举动及其应力成分构成 进行了研究，通过钢筋和槽钢这两种约束实验分别在密封与干燥养护条件下研究 高强混凝土受到的约束应力，得到如下结论： 1 、利用钢筋约束与槽钢约束这两种不同约束方式的各自特点，提出了一个约 束应力成分的分离方法。 2 、密封养护条件下的钢筋约束应力与槽钢约束应力曲线的一个明显区别，那 就是的测量初期槽钢约束应力是负值，而后变为正值，即槽钢约束的混凝土在测 量初期受到压应力作用，而后受到拉应力作用。并且这两种约束应力的增长速度 经历了一个由快到慢的过程。 3 、不同的干燥养护条件对龄期9 0 d 的混凝土所受到的钢筋约束应力值影响不 大。但是，干燥后的初期钢筋约束应力的增长均有所加快，增长速度快慢的次序 恰好与按干燥开始龄期的次序相反，即干燥开始龄期为1 d 的约束应力增长速度最 慢，干燥开始龄期为3 d 的增长速度较快，干燥开始龄期为7 d 的增长速度最快。 4 、干燥养护条件对龄期9 0 d 的混凝土所受到的槽钢约束应力值及干燥初期约 束应力增长速度的影响情况与钢筋约束实验的情况大体一致。 5 、干燥养护条件下的钢筋约束应力分离为自收缩应力与干燥收缩应力两部 分。开始干燥后干燥收缩应力迅速增长，丽自收缩应力仍保持较快的增长速度。 不同的干燥养护条件对龄期9 0 d 时干燥收缩应力占有率影响不大，且自收缩应力 的占有率近5 0 ，因此对自收缩应力应给予特别的重视。 6 、密封养护条件下的槽钢约束应力分离为自收缩应力与温度应力两部分。龄 期2 8 d 时的温度应力占有率近5 0 ，而到了龄期9 0 d 时的温度应力占有率就降为 约4 0 ，这是由于后期自收缩应力较温度应力增长得快引起的。 7 、干燥条件下的槽钢约束应力则是以上3 种应力成分共同作用的结果。不同 浙江工业大学硕士学位论文 的干燥养护条件对龄期9 0 d 时各应力成分的占有率的影晌不显著，从实验数据可 以看到，各应力成分的占有率由大n d , 的顺序大致地排列是：自收缩应力 温度应 力 f 燥收缩应力。 8 、综上可知，各应力成分在全应力中均占有较大的比重，尤其是自收缩应力， 而干燥收缩应力和温度应力都不容忽视，因此针对高强度混凝土由于体积变化引 起的早期开裂，应综合考虑自收缩、干燥收缩和温度变形的复合作用。 浙江工业丈学硕f j 学位论文 第六章体积变化引起的约束应力的数值解析 对高强混凝土结构来说，它的开裂影响比普通混凝土结构更大，这是因为使 用高强混凝土的目的不仅是由于它的高强，更主要的是它的高耐久性和不易渗透 性。因此，能预测高强混凝土体积变化( 特别是自收缩) 引起的约束应力及其潜 在的开裂就显得十分重要。为了能做到这一点，有必要建立一个有效的应力解析 方法，包括从早龄期开始的强度、弹性模量和徐变等随时间发展的模型。这对高 强混凝土来说尤为重要，因为高强混凝土在早龄期其收缩、徐变、弹性模量和强 度都发展得很快，而收缩值及其力学性能对约束应力的产生起着主导性的影响。 在混凝土的应力解析研究方面，人们已经做了一定的研究 埘，其中有增分法 ( i n c r e m e n tm e t h o d ) 和s t e p b y s t e p 法等。增分法的主要原理是各个时间段应力发 展的累计之和，常用于预测大体积普通混