温度应力试验机与温度应力实验_林志海.pdf

温度应力试验机与温度应力实验 林志海 覃维祖 万科企业股份有限公司 清华大学 摘要摘要 温度应力试验机是将混凝土材料与其在结构表现相互桥接 联系起来的现今唯一的试验设备 其他试验与仪器则都是把这两者分离的 即要么是测试材料在实验室里处于新拌或硬化状态且变形不受约 束的性能 要么是混凝土业已硬化的构件的力学与其他性能测试 而事实上混凝土自半液半固的塑形状态 向弹塑性转化过程 其温度变化 变形以及所形成的内应力 对其后抵抗外荷载 以及各种收缩变形受约 束产生的应力积累 微裂缝延伸 扩展 很有可能导致混凝土的宏观开裂 都具有重要或决定性作用 在 很大程度上影响混凝土结构耐久性 因此 温度应力试验机以及相关实验方法把混凝土材料与结构行为的 表现联系起来的这种效能应该引起混凝土结构相关的设计 研究 生产与应用部门的广泛重视 关键词关键词 温度应力试验机 约束应力 温度变形 温度应力 结构性能 1 问题的提出 混凝土的开裂问题一直是难以解决的问题 混凝土结构物由于开裂的发生而导致内部 钢筋锈蚀也大大影响了其耐久性 如果要实现钢筋混凝土结构物可以耐久使用 必须要首 先克服开裂问题 可是 到目前为止 还很难说在实际工程中通过采用材料或者工程上的技术去有把握 地避免混凝土开裂的发生 这是因为混凝土固有的材料特性所决定的 即混凝土从浇筑到 凝固的过程当中 各种收缩总要受到约束而产生内部拉应力 这种拉应力通常会大于抗拉 强度 因此开裂很容易发生 从提高混凝土抗裂性能的角度去避免开裂 需要从控制拉应力入手 因为抗拉强度难 以大幅度提高 与提高抗拉强度相比 控制拉应力会相对容易一些 决定拉应力的因素包 括 约束程度 变形 弹性模量 约束程度是指混凝土自浇筑开始所发生的自由变形受到 限制的程度 即受限制的自由变形与自由变形的百分比 约束程度越大 拉应力也越大 由于产生开裂的原因既有材料自身的原因 也有结构设计 施工工艺的原因 为了界定开 裂产生的责任 可以定义当约束程度为 100 时混凝土是否有较好的抗裂性能 为材料是否 合格的标准 工程现场混凝土结构物各个部位的约束程度有可能小于或者大于 100 如果 是后者 则是在外力的作用下是混凝土发生了额外的变形 这种情况可以认为是设计或者 施工的原因 从材料自身属性以及收缩变形受到约束的角度来看可以认为 约束程度在 100 时是最不利的情况 另外一个决定拉应力大小的因素是变形 通常混凝土的变形种类有温度变形 自生收 作者简介 林志海 男 1975 年 3 月 资深专业经理 深圳市盐田区大梅沙环梅路 33 号 518083 0755 25606666 转 81387 缩 干燥收缩 在添加膨胀剂的情况下还有膨胀变形 由于混凝土的热膨胀系数在硬化阶 段由一个较大的数值降到一个较小的数值 1 6 单纯的升温膨胀比降温收缩要大 混凝土的 整体温度变形是呈膨胀的 自生收缩是混凝土水化反应及内部自干燥所引起的固有收缩 7 干燥收缩是混凝土内部未水化水分蒸发引起的毛细吸力所引起的体积收缩 这些收缩所叠 加起来的变形受到约束时 就会产生应力 收缩越大 拉应力也越大 还有一个决定拉应力大小的因素是弹性模量 可以认为 当混凝土的弹性模量越大 引起的约束应力也越大 虽然前面所说到了升温膨胀会比降温收缩大 但是由于混凝土的 弹性模量在硬化过程中从零发展到一定的数值 也就是在升温阶段的模量比降温阶段的模 量要小很多 因此对应单纯的温度变形所产生的应力是拉应力 再叠加上自生收缩和干燥 收缩的影响 混凝土在工程中表现出的材料特性呈现为容易开裂 需要指出的是 混凝土还有一个重要的材料性质是应力松弛作用 8 12 也就是所发生 的自由变形中 有一部分的变形会由于徐变的作用而使应力发生松弛 这部分变形就是徐 变变形 另一部分能产生应力的变形为弹性变形 当这部分变形受到约束 就会产生应力 并且与弹性模量成正比 为了克服开裂问题 就需要在最不利的约束程度条件下 对混凝土的变形 弹性模量 和徐变等因素进行深入的研究 掌握这些因素对应力的影响规律 从而找出通过控制某个 或某些因素来减小拉应力的方法来降低开裂的可能性 由于混凝土的约束应力是由上述众 多因素所综合决定的 仅研究其中的单个因素并不能有效找到该因素与约束应力的直接关 系 在工程当中 受环境温湿度条件的影响各种因素的变化是复杂的 根据各种因素从实 验室试验中获得的在固定条件下出现的变化规律 并不能准确分析出混凝土结构物内应力 的大小 另外 有一些因素是难以用实验方法测量 例如混凝土硬化阶段的热膨胀系数由 于不能可靠分离出温度变形和自生收缩变形而难以测量出来 自生收缩由于温度活性的影 响也不能有效测量 因此 如何综合考虑混凝土各种影响因素与约束应力之间的联系 并 进一步可靠评价 分析混凝土在实际工程中的开裂敏感性 成为缓解开裂发生的关键问题 2 温度应力实验研究简介 2 1 温度应力试验机 图 1 Springenschmid 提出的温度应力试验机原理图 图 2 温度应力试验机实物图 Springenschmid于 20 世纪 80 年代提出了温度应力试验机 TSTM Temperature stress testing machine 和温度应力试验方法 通过对混凝土试件的约束程度进行控制 研究各 种因素对约束应力的综合影响 来评价混凝土的开裂敏感性 13 14 尽管之前也有人提出过 并尝试开发过类似的室验设备 但是由于当时各种测控技术的限制 并没有成功 Springenschmid 经过长时间的研究 不仅设计并制造出各方面性能达到实用要求的设备 还做了大量的实验 证明该设备在研究混凝土开裂敏感性的有效性和实用性 并在如何避 免开裂上提出了许多很有意义的建议 该试验机的原理图和实物图如图 1 图 2 所示 该 设备的试件尺寸为 150 150 1500 mm 可对使用常用大小粗骨料的混凝土进行试验 2 2 单轴收缩约束设备 以色列的 Kovler 在 1994 年提出了单轴收缩约束试验设备 15 如图 3 所示 该设备的 试件的尺寸为 40 40 1500 mm 仅能对水泥浆体或水泥砂浆进行实验 由于没有配备温 度控制系统 只能进行常温条件下的实验 因此 该设备不能用于评价混凝土开裂敏感性 Kovler 的贡献在于他进行了评价混凝土早期徐变的尝试 该尝试的方法是把在约束实验中 获得的试件复位变形累计起来 形成复位累计变形曲线 然后与自由变形实验获得的自由 图 3 Kovler 研制的单轴收缩约束试验设备 图 4 Kovler 提出的评价早期徐变方法 图 5 温度应力模拟实验设备原理图 图 6 温度应力模拟实验设备实验结果 变形进行对比 其相差的部分即为徐变 如图 4 所示 在后来的很多年里有不少科研人员 采用了该方法用于早期徐变研究 需要指出的是 由于复位累计变形曲线受设备的刚度的 影响 在不同设备上获得的结果不能直接相互比较 2 3 温度应力模拟实验设备 1998 年 Mizobuchi 提出了温度应力模拟实验设备 用于混凝土开裂敏感性的评价 16 该设备的试件尺寸为 150 150 1000 mm 原理图如图 5 所示 性能与 Springschmid 的温 度应力试验机相似 Mizobuchi 在该设备上对分别使用低热水泥 中热水泥 膨胀剂 减 缩剂 高炉矿渣的混凝土进行了实验 结果如图 6 所示 成果是证明了低 中热水泥在降 低混凝土在工程中的开裂风险有较好的效果 2 4 Breugel 温度应力试验机 1999 年 Breugel 以 Springenschmid 的 TSTM 原型制造了第二台 TSTM 17 如图 7 所示 两者在设计上有一些区别 Breugel 的 TSTM 采用了液压位移控制系统并取消了温度控制系 统 采用液压位移控制系统可以提供更大的轴向力 可用于带有钢筋的试件的研究 取消 温控系统是因为 Breugel 用数学模型的方式对温度活性的影响进行考虑 在该设备上产生 了不少成果 如钢筋对混凝土开裂的抑制机理 轻骨料可有效减小自生收缩等 2 5 Lange 单轴收缩约束设备 2001年Altoubat和Lange基于Kovler的设备原型设计了第二台单轴收缩约束设备 18 如图 9 图 10 所示 这台设备上有两个改进 一是采用了液压位移控制系统 可以提供更 图 7 温度应力模拟实验设备原理图 图 8 温度应力模拟实验设备实验结果 图 9 单轴收缩约束设备 图 10 单轴自由收缩仪 大的轴向力 二是试件的截面尺寸增加到 76 76 mm 可对混凝土进行实验 在这台设备 上做了较多的早期徐变评价研究 由于采用与 Kovler 一样的评价方法 早期徐变的实验结 果并不准确 2 6 可变约束试验机 2002 年 Maruyama 基于 Breugel 的 TSTM 研制出可变约会试验机 原理图如图 11 所示 在该设备上的研究主要集中在高强混凝土 膨胀混凝土和早期徐变评价 在这台设备上早 期徐变的评价方法源于 Kovler 的方法 但是有很大的不同 其方法是 在每次试件的变形 达到复位限值以前 轴向约束力保持恒定 然后直接测量在恒定荷载下试件的徐变变形 把这些两次复位变形之间的细小徐变变形累计起来 即为早期徐变变形 过程如图 12 所示 可是 由于受传感器精度的限制 对细小徐变的测量的误差很大 因此未能得出较为精确 图 11 可变约束试验机 图 12 约束实验中徐变的评价方法 图 13 国内第一台温度应力试验机 图 14 实验结果示例 的实验结果 2 7 国内第一台温度应力试验机 2002 年本文作者基于 Springenschumid 的设备原型研制出国内第一台温度应力试验 机 如图 13 所示 该设备基本上达到了原型的各项性能指标 实验结果较好 如图 14 所 示 可对混凝土的开裂敏感性进行评价 21 24 2 8 东京大学的温度应力试验机 2004 年本文作者在东京大学研制出新的温度应力试验机 如图 15 图 16 所示 在以 往的约束设备中 试件与底模或者侧模都是接触的 因此在混凝土硬化阶段早期 模板的 摩擦力的影响较大 不利于约束应力的测量 在这台温度应力试验机上 侧模和底模可以 通过机械机构与试件脱离 另外 为了避免试件与底模脱离后在自重的影响下出现挠曲 在试件的底部均匀分布三个滑动支点 在有效消除模板对试件的摩擦力后 使测量试件的 弹性模量成为可能 在下一节中将对如何使用温度应力试验机进行温度应力实验研究方法 进行介绍 3 温度应力实验研究方法 图 15 东京大学温度应力试验机设计图 图 16 东京大学温度应力试验机实物图 图 17 侧模和底模分离机构示意图 图 18 侧模和底模分离过程示意图 3 1 约束应力的测量 混凝土试件的两端由两个钳状夹头夹紧 可以对试件实际发生的变形进行控制 通过 变形测量系统可以测量试件的实际变形 在整个实验过程中当这个变形达到 0 5 微米 计 算机控制系统根据设定使位移控制系统运行起来 把这个变形减小并保持在 0 5 微米以内 如图 17 所示 可以认为 在这种状态下试件的约束程度为 100 与此同时所测量出的应 力即为约束应力 3 2 自由变形的测量 与上述实验方法相反 对混凝土试件的约束应力进行控制 而不是变形 即可得到自 由变形 在实验过程中 当混凝土的约束应力达到 0 01MPa 计算机控制系统根据设定使 位移控制系统运行起来 调整试件的变形使其应力减小 如图 18 所示 这样一直保持试件 的约束应力为一个很小的值 就可以把自由变形的发展全过程测量出来 这种方法可以克 服用应变片测量试件变形时必须从具有一定硬度之后才能开始的弊端 3 3 弹性模量的测量 温度应力试验机在测量约束应力或自由变形的过程当中 可以测量弹性模量 其原理 是每间隔一个固定的时间如 1 小时 在很短的时间内如数分钟内由计算机控制系统驱使位 移控制系统作用改变试件的变形约 20 微米 记录相应的应力变化后调整试件的变形回复原 来的数值 如图 21 22 所示 根据变形与应力的变化值即可计算该时点的弹性模量 如此 图 19 100 约束程度的模拟以及约束应力的测量 图 20 自由变形的模拟与测量 D 图 21 测量弹性模量的实验截图 图 22 应力与应变的微小变化 在整个实验过程中周而复始地测量不同时点的弹性模量 即可测得混凝土在整个硬化过程 的弹性模量发展 为了避免对实验带来影响 受改变的变形越小越好 20 微米的设定主要 是考虑到位移传感器 0 1 微米的测量精度以及 0 5 足够小的变形测量误差 弹性模量的测 量与数学描述结果如图 23 所示 3 4 热膨胀系数的确定 热膨胀系数虽然不能准确测量 但是根据过去的研究结果 还是可以看到热膨胀系数 的大致发展过程 可以认为 混凝土在硬化过程中热膨胀系数发生了质的变化 因为混凝 土在硬化以前呈现液态 在硬化以后呈现固态 由于水的热膨胀系数较大 因此混凝土的 热膨胀系数在液态时较大 而在固态时则较小 在这个研究中 可以通过三个步骤确定热 膨胀系数的数学描述 首先 通过以下公式计算混凝土在液态时的热膨胀系数 ggpaste cc 60 0 其中 0是混凝土液态热膨胀系数 60 是水的热膨胀系数 Cpaste是水泥浆的体积比 率 g是骨料热膨胀系数 Cg是骨料的体积比率 然后 测量混凝土硬化后的热膨胀系数 最后 根据弹性模量的发展过程描述热膨胀系数的发展过程 热弹性模量的数学描述 结果如图 24 所示 3 5 各种变形的分离 在确定热膨胀系数后 可以计算温度变形 用温度变形和自由变形做比较 其差值即 为非温度变形 包括自生收缩和干燥收缩 如果在实验中采取措施防止试件内部水分的蒸 发 非温度变形即为自生收缩 把混凝土的变形进行分离的目的在于研究在温度下降阶段 温度收缩是否可以被有效补偿 变形分离的示例如图 25 26 所似乎 3 6 徐变的评价 尽管 Kolver 提出了评价混凝土早期徐变的方法 但是这个方法是存在缺陷的 因为累 计复位变形是受设备刚度影响的 设备刚度越大 这个变形就越小 评价出的徐变就越大 图 23 弹性模量的测量与数学描述结果 图 24 热弹性模量的数学描述结果 为了正确评价混凝土早去徐变 可以应用以下方法 用测得的自由变形和弹性模量计算出 不存在徐变影响的理论应力 然后与约束应力进行比较 其差值即为徐变作用所消减的松 弛应力 既通过松弛应力评价早期徐变的影响 图 27 28 是轻骨料膨胀混凝土在低 高温 升条件下的早期徐变评价结果 4 讨论与总结 目前结构分析中经常应用有限元分析技术 在计算前需要输入混凝土材料的许多属性 20 24 28 32 36 Temperature oC 020406080100 300 200 100 0 100 200 300 Shrinakge Deformation 10 6 Age hour Expansion 20 30 40 50 60 Temperature oC 050100150200250 600 400 200 0 200 400 600 Shrinkage Deformation 10 6 Age hour Expansion Thermal deformation Free deformation Autogenous shrinkage Thermal deformation Free deformation Autogenous shrinkage 图 25 普通混凝土在低温升条件下的各种变形 图 26 普通混凝土在高温升条件下的各种变形 020406080100 8 4 0 4 8 Stress MPa Age hour 050100150200 12 8 4 0 4 8 12 Stress MPa Age hour Theroetical elastic stress Restrained stress Relaxed stress Relaxed stress Restrained stress Theroetical elastic stress 图 27 轻骨料膨胀混凝土在低温升条件下的早期徐变 图 28 轻骨料膨胀混凝土在高温升条件下的早期徐变 参数 如热膨胀系数 弹性模量 徐变系数等 通常这些参数都是以常量的形式输入 在 受力计算及抗震分析中基本上可以达到要求 比如在最不利地震 风荷载作用下计算出结 构物内部的应力与应变分布 检查其最大应力与应变是否超出设计的允许应力与应变要求 但是在应用有限元分析技术进行混凝土结构物的耐久性分析 也就是常见的开裂敏感性分 析中 这些参数以常量的形式则显得过于粗糙 无法真实反映混凝土材料与结构行为表现 的有机结合 也即无法准确分析出开裂的风险 结构分析与开裂分析的区别主要在于 前者处理的材料属性为钢筋混凝土的整体表现 其拉压应力的特性都远远不同于素混凝土 而后者处理的材料属性主要表现为局部素混凝 土的内部拉应力与抗拉强度 这种区别决定了两种分析中有限元单元的划分尺度的不同 在结构分析中 单元的尺度要足够的大 使单元内混凝土与钢筋两种不同材料可以视为合 成一种材料来处理 而在开裂分析中 单元的尺度要足够的小 即单元要小于素混凝土与 钢筋 要把两种材料分开处理 因此 在应用有限元技术进行开裂分析时 必须对混凝土 的材料性质有足够的了解 把可以精确描述热膨胀系数 弹性模量 徐变等因素的数学表 达 输入计算模型中 可以给出任一时刻 任一条件下的可靠参数 才能获得有用的结果 如果开裂分析可以可靠地完成 那么结合结构分析的结果 钢筋混凝土结构物才能在结构 性能以及耐久性能上可以满足让业主 设计人员以及施工人员的要求 一直以来 在实验室里对混凝土材料的研究基本上都是针对单个因素进行 很少考虑 各种因素的相互影响以及对结构物耐久性能的综合影响 在材料角度 首先以选择水泥为 例 目前以水化热高低作为评价指标的方法 是并不合适的 因为混凝土水化温升大小其 实更取决于发热速率 况且水化热试验是 20 度恒温下测试 7 天得到结果 而受混凝土温升 影响 在较高温度下 中热水泥的水化热就未必低于普通水泥了 用温度应力试验机可以 综合许多参数的影响评价出使混凝土开裂温度较低的水泥 使其开裂敏感性显著减小 可以认为 到目前为止在开裂敏感度评价上最为有效的实验设备和研究方法是温度应 力试验机和温度应力实验方法 这种研究方法可以考虑各种因素对约束应力的综合影响 并同时分析各种因素影响过程中所起到的作用以及相互影响 首先 这种研究方法可以通 过约束应力 开裂温度等参数直接评价混凝土的抗裂性能或开裂敏感性 其次 这种研究 方法可以对弹性模量 热膨胀系数 徐变等以测量与数学分析相结合的方法进行准确的数 学描述 从而使可靠的有限元开裂分析成为可能 在可靠的开裂分析实现之后 才能在材 料设计 结构设计 施工上采取各种各样的方法进行改良与优化 在经开裂分析确认后 可使开裂敏感性降低 还有 这种研究方法通过实验直接检验膨胀剂 轻骨料 减缩剂 纤维等材料对开裂敏感性的影响 可以为混凝土抗裂性能的提高提供一种可靠的检测工具 温度应力实验研究方法通过以上三个途径使缓解甚至解决工程现场的开裂问题成为可能 可以说 温度应力试验机是将混凝土材料与其在结构表现相互桥接 联系起来的现今 唯一的试验设备 温度应力试验机以及相关实验方法把混凝土材料与结构行为的表现联系 起来的这种效能应该引起我们的广泛重视 参考文献 1 H Yamagawa Study of thermal expansion coefficient of concrete Japan Concrete Institute 8th Conference pp 313 316 1986 Japanese 2 Y Yang Proposal of measurement method of high strength hardening concrete Japan Concrete Institute Conference Vol 22 NO 2 pp 961 966 2000 Japanese 3 R Kokumori Experimental study on thermal expansion coefficient of young concrete Japan Concrete Institute Conference Vol 22 No 2 pp 1033 1038 2000 Japanese 4 Ozawa Measurement of thermal expansion coefficient of young concrete based on un touch displacement transducer Japan Concrete Institute Conference Vol 23 No 2 pp 1099 1104 2001 Japanese 5 H Ding Research of thermal expansion coefficient of high strength concrete Japan Concrete Institute Conference Vol 22 No 2 pp 955 960 2000 Japanese 6 Bjontegaard and E J Sellevold Thermal dilation autogenous shrinkage how to separate 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