高掺量粉煤灰混凝土的早龄期徐变及应力松弛研究.pdf

浙 江 建筑 ， 第 3 3卷 ， 第 7期 ， 2 0 1 6年 7月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ， V o 1 3 3 ，N o 7 ， J u 1 2 0 1 6 ， 。 0 一 J 1 高掺量粉煤灰混凝土的早龄期徐变及应力松弛研究 S t u d y o n t h e S l o w l y C h a n g e a t t h e E a r l y,A g e a n d S t r e s s Re l a x a t i o n f o r t h e Co n c r e t e wi t h Hi g h F l y a s h Co n t e n t ， ， 、 ， 1 赵志 方 ， 林 王 成 ! ， - ， t Z H A O Z h if a n g , L I N W a ) t g c h e n g 一 ( 浙江工业大学建筑工程学 院， 浙 江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 介绍了高掺量粉煤灰混凝土的进展及早龄期混凝土徐变的概念和机理， 以及受拉徐变的测定方法； 同时给出了大 掺量粉煤 灰混凝 土受拉徐 变的研究 案列 ， 还对 应力松 弛的国 内外 研究进展作 了评述 ， 并展望绿 色高性 能高掺量粉 煤灰混凝 土的 徐变和 应力松弛研 究 。 l l i r ,3： 高掺量粉煤灰混凝土； 温度应力试验机； 徐变； 应力松弛 中圈分类号 ： T U 5 2 8 文献标志码 ： B 文章编 号： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 6 ) 0 7 0 0 4 4 0 4 1 高掺量粉煤 灰混凝 土 温室效应 已成为全世界备受关注 的环境问题。 为了减少大量温室气体排放 ， 并能充分利用大量工 业副产品如粉煤灰和矿渣 ， 从而节约土地资源和改 善 环境 ， 使 用 矿物 掺 和 料 来 代 替大 量 的 水 泥 熟 料 是 理想的方法之一。在混凝土中合理应用矿物掺和料 不仅能提高混凝土早龄期抗 裂性 ， 还能提高结构混 凝 土 的耐久 性 。 高掺量粉煤灰混凝土 ( H V F C) 较于普通掺量粉 煤灰混凝土， 其水胶 比更小且粉体含量更大， 使其水 化硬化过程和内部微 结构发生变化。Ma l h o t r a 将 粉 煤灰 占胶 凝 材 料 总 质 量 5 0 及 以 上 的混 凝 土 定 义为 H V F C 。为 了节能环保和提高大坝混凝土的耐 久性而探索进一步提高粉煤灰在水工混凝土中的掺 量 ， 近年来中国葛洲坝集 团试 验检测有 限公 司和浙 江工业大学依托我 国新近建设的高拱坝 ， _ 通过数年 系统试验研究 ， 降低用水量和水胶 比， 研发出 粉煤灰 掺量超 过 7 0 的超 高 掺量 粉 煤灰 水 工 大体 积 混 。 t， 凝 土 。 。 2 徐 变 2 1徐 变概 念和 机 理 混凝土在受约束情况下 ， 决定其早龄期抗裂性 能韵因案 不仅与其 几何形状 、 温度条件和约束程度 有关 ， 还取决于其早龄期强度 、 弹模和受拉徐变等早 龄期物理力学性能的发展 早龄期混凝土在受约束 条件下 ， 因徐变而缓解 由体积变化造成的拉应力达 6 0 以上 ， 受拉 徐 变 的 研 究 对 客 观 评 价 混凝 土 早 龄 期 开裂 敏感 性 具有 重要 意 义 。 混凝 土结构在持续荷载作用下的变形随时间不 断增加 的现象称为混凝土 的徐变。混凝土的徐变有 利有弊 ， 方面它会使结构 的变形增大 ， 在预应力结 构中还会使预应力损失 ， 这是它不利的地方。另一 方面徐变能使约康 拉应力降低 ， 也 能使收缩裂缝减 小 ， 还可使钢筋混凝 土的应力重分布来消除局部 的 应力集中 ， 这些都 是 有利 的。从 1 9 0 7年 Ha t t 第一 个发现混凝土的徐变到现在已经一个 多世 纪 ， 许多 收稿 日期 ： 2 0 1 60 30 8 一 基金项目 ： 国家 自然科学基金 ( 5 1 4 7 9 1 7 8 ) 浙江省 自然科学基金 ( L Y I 4 E 0 9 0 0 0 6) 作者简介 ： 赵志方 ( 1 9 7 0 一 )， 女 ， 河 南洛阳人 ， 教授 ， 研究方向为混凝土材料与结构 。 第 7期 赵志方等： 高掺量粉煤灰混凝土的早龄期徐变及应力松弛研究 4 5 学者研究徐变取得 了较多成果 ， 其 中对硬化混凝土 长期徐变性能做了大量且深入 的研究 ， 但很少有对 混 凝土 的 早龄 期 徐 变 性 质进 行 研 究 。然 而 ， 为 了客 观评价混凝土的早龄期开裂敏感性就亟需研究混凝 土 的早 龄期 徐 变性 能 。 在 1 9 3 4年 ， C G L y n a m 发 表 了关 于混凝 土 徐 变 渗流 理论 的文 章 ， 他 认 为 由于 胶 凝 粒 子 表 面 可 吸 附水 且 在荷 载作 用 下可 使这 些粒 子 的层 间水进 行 流 动 引起 徐 变 。F G T h o m a s 又 在 1 9 3 7年 提 出 了混 凝 土 的黏性 流 动理 论 ： 将 混 凝土 分为 两部 分 ， 一部 分 是惰 性 骨料 ， 该部 分 不会 因荷 载作 用 产生 流动 ； 另 一 部分 是 水泥 浆体 ， 它 会 因荷 载作用 而 进行 黏性 流动 。 骨料会在混凝土受到荷载作用时阻碍水泥浆体 的流 动 ， 从 而承受更高的应力。因此 ， 水泥浆体所受 的应 力会 随 时 间的增 长 而 逐 渐 减小 ， 骨 料 就 承受 了 由水 泥浆体转移而来的应力 ， 使徐变速率慢慢降低。 徐 变 的机理 很 复 杂 ， 这 与 水 化 水 泥浆 的 黏性 流动 、 从 凝胶 孔 到宏 观孔 的水 渗流 、 因硬化水 泥 浆 和 骨料 的 晶体 滑移 和局 部断 裂 引起 的塑性 变 形和 内部 微裂等因素 ， 在硬化水泥浆 中引起滑移等这样 的微 结构 性 能有 关 。 各 国学 者 在 研 究 徐 变机 理 的 同时 ， 也致 力 于对 徐变进行数值模拟 。徐变周期较长且复杂 ， 各 国学 者提出了几种不 同的徐变估算方法 。1 9 7 0年欧洲 混凝土委员会和国际预应力联合会 ( C E B F I P ) 建议 采用公 式估算 徐变 。C E B F I P在此 基础上 又于 1 9 7 8年将徐变分 为可恢复徐变 ( 迟后 弹性 变形 ) 和 不可恢 复徐变 ( 塑性流动) 两部分 ， 并给 出 2 8 d的 徐 变模 型 。 1 9 7 8年 ， B a z a n t和 P a n u l a又 提 出 了 B P 完全版 和简化版 模型。美 国混凝土协会 ( A C I ) 提出了模型较为简单的双曲一 幂函数式 。我国的 朱伯芳根据国内外相关 的徐变试验资料 ， 又得 出关 于水 工 混 凝 土 徐 变 度 的 经 验 公 式 ， 并 得 到 验 证 。 早 龄 期徐 变尤 其是 早 龄期受 拉 徐变 对分 析 由温 度应力和 自身收缩引起的开裂具有重要作用。N e v i l l e 将 徐变 定义 为 基 本 徐 变 和 干缩 徐 变 两 类 。在 没有水分流失的环境中且随时间变化产生的变形称 为基本徐变。在结构混凝土受干燥作用 ， 又超过基 本徐变的额外徐变就是干缩徐变 。干缩徐变又称为 P i c k e t t 效应 。因此 总徐变 应 是基 本徐 变 和干 缩徐 变 之 和 。 2 2早龄 期 受拉徐 变的测 定 测量 早 龄 期 受拉 徐 变 难 度较 大 ， 现今 大 部 分研 究采用 以下两种方法。一种是在混凝土试件上用装 置施加 恒定 的荷 载 。该 方 法 先 对 混 凝 土 试 件 施 加 由混凝土早期抗拉强度确定的恒定荷载 ， 但鉴 于 早 期混 凝 土抗拉 强 度 较 低 的 原 因 ， 这 个 装 置 比较 适 用测定 3 d后的受拉徐变。第二种 方法就是单轴约 束试验装置， 该方法能够通过控制约束程度和温度 变化测定不 同条件 下 的徐变 变形 和约束 应力。 早 期受 压徐 变在 混凝 土 因温 度变化 而 变形 时产 生压 应力时测定 ， 早期受拉徐变可以当混凝土受约束时 发 生 自生 收缩和 干燥 收缩 出现 拉应 力 时测定 。 单轴约束的温度应力试验装置最早 由S p r i n g e n - s c h m i d研发 ， S p r i n g e n s c h m i d最初也探索了温度应力 对 混 凝 土 早 龄 期 抗 裂 性 的 影 响 ， 但 S p f n g e n - s c h mi d采用的还是不 能调控约束 程度的开 裂试 验 架 。K o v l e r 1 4 于 1 9 9 4年 研 发 了用 于 水 泥 浆 常 温 试 验的单轴约束设备， 但没有控温装置 ， 不能做变温温 度历 程养 护 下 的 早 龄 期 抗 裂 性 研 究 。我 国第 一 台 T S T M 由覃维祖 教授及其研究 团 队于 2 0 0 2年研 发 并对混凝土的早龄期抗裂性进行 了大量研究u 埔 。 许多学者曾采用 T S T M对早期拉伸徐变进行了 较多 研究 。其 中 A l t o u b a t 就 专 门研究 了混 凝 土早 期 收缩与 徐 变 的关 系 。A l t o u b a t 根 据 B a z a n t 的徐 变理 论 ， 将 在 干燥 、 覆盖 和潮 湿条 件下 养 护 的混 凝 土 的收 缩行 为进 行 比较 ， 并 把 徐变 、 基本 徐变 和干 缩徐 变与混凝土的早期 干燥收缩分离开 ， 建立混凝士早 期的徐变模型， 该模型能结合有 限元方法对混凝土 结构的早期 收缩 应力进行计 算。但是 ， A h o u b a t 的 研 究并 没 有考 虑到 对早 龄期 大体 积混 凝土 更为 重要 的约束条件下的 自收缩变形和温度变形共 同作用下 的徐 变 与 应 力 松 弛 ， 因此 不 完 善 。 L e n n a s t e r - g a a r d等 。 根据对早龄期混凝土在不变荷载下的受 拉徐变研究 ， 得 出了荷载 和徐变变形 的关 系。G u t s c h 等 研 究 后 表 明 了不 同的 观 点 ， 早 龄 期 混 凝 土 在受到荷载作用后 ， 表现出明显的黏弹性行为 ， 但是 初 始应 力 与 强度 的 比和 徐 变 的关 系 不 大 。U m e h a r a 等 、 Ha u g g a a r d 。 和 A t r u s h i 还 对 温度 如 何影 响 早期受拉徐变进行 了研究 ， 发现早期受拉徐变会 因 温度升高而提高。 2 3 大掺 量粉 煤灰 混凝 土早 龄期 受拉 徐 变 李飞对大掺量粉煤灰混凝 土的徐变进行研究 ， 所测得普通混凝土 和大掺量粉煤灰混凝 土徐变见 浙江建筑 2 0 1 6年第 3 3卷 图 1 和图 2 ， 得 出如下结论 ： 在约束条件下 ， 由于 粉煤灰减小 自收缩及 自身约束应力 ， 大掺量粉煤灰 混凝土的早期徐变能力高于普通混凝 土， 有更高 的 松 弛 能力 。 叔 墨 塞 图 1 普通混凝 土徐变 “ 时问m 图 2大掺 量粉煤灰混凝 土徐变 ” 3应 力松弛 混凝 土 呈现 黏 弹性 和黏 塑 性 的性能 。徐变 和 应 力松弛在实际结构中同时发生。从本质上讲 ， 徐 变 和应 力 松 弛 是 黏 弹 性 行 为 在 两 个 不 同 方 面 的 表 现 。在 混凝 土 构件 受 载 时 ， 混凝 土 变 形 具 有 明 显 的延时性 。持续荷载作用下 ， 除瞬时的弹性变形 ， 徐 变逐步发展 。要保持混凝土应变为 常数 ， 就须减 小 施加的荷载。减小的部分称为松弛应力 ， 这种现 象 称 为 应力 松 弛 。混凝 土 中 的应力 会 因徐 变 的增 加 而 松弛 。通 过对 应 力 松 弛 的研 究 ， 可 以提 高对 混 凝 土 早期黏弹性行为的认识。 应 力 松 弛 的研 究 相 对 徐 变要 少 很 多 ， 且 试 验 存 在复杂不易控制等缺点 。常规的方法一般用于测试 硬 化混 凝 土 ， 先 测定 混 凝土 徐变 ， 之 后再 换 算得 到需 要的应力松弛系数。在许 多的方法之 中， 最为实用 的方法为徐变率法。该方法需要一条徐变龄期 曲线 就可以将应力松弛发展 的情况进行预测 ， 但是这种 方法存在其片面性 ， 特别 是无法正确估 算后期 混凝 土 应力 松 弛能 力 。 B r o o k s 等研究表 明加 载 1 4 d的轻骨料混凝 土 ， 在 恒定 的应 变 条 件 下 比在 恒定 应 力 条 件 下 的应 力 松 弛发展 要 快 ， 同时 也 建 立 了关 于 徐 变 系 数 和应 力松弛系数 之间的关系。Ho s s a i n 等采用环形试 验 对砂 浆 进 行 了 研 究 。研 究 得 到 了 砂 浆 的 自由 收 缩 ， 环的变形和弹性模量 ， 再通过计算弹性应力 ， 并 与约束应力进行比较 ， 反映出材料应力松弛的能力 。 张涛 基于温度应力试 验机的半绝热条件模 式 ， 对 由徐 变 引起 的 应 力 松 弛 的 松 弛 系 数 进行 了测 定 ， 通过对 比不同配比的混凝土 ， 得 出在全约束条件 下 ， 早 期松 弛 系 数 约 为 0 50 8 ， 即 能 松 弛2 0 5 0 的约束拉应力 ， 其所 做的早 龄期松 弛系数见 图 3 u 2 。且不同的混凝土也有明显的区别。但并没有 涉 及 高掺 量粉 煤 灰混凝 土 的测 定 。 图 3 混 凝 土 的 应 力 松 弛 系 数 李 飞 采 用 温度 应 力 试 验 机 对 不 同水 灰 比 的 混凝土在 1 0 0 约束条 件下进行 了研 究 ， 指 出混凝 土的黏弹性行 为对其早龄期 约束应 力具有松 弛作 用 ， 可改善混凝土的抗裂能力 。且使用张涛 的早龄 期徐变数据建立了早龄期徐 变的流变模 型， 来对早 龄期的应力松弛进行模拟 ， 并建立了混 凝土黏弹性 指 标 与早 龄期 徐变 松 弛 系数 之 间 的关 系 ， 其 所 作 不 同水胶 比的混 凝 土 的平 均 松 弛系 数见 图 4 。 簌帐幕 第 7期 赵志方等 ： 高掺量粉煤灰混凝土的早龄期徐变及应力松弛研究 4 7 1谣 时间 ll 图 4混 凝 土 平均 应 力 松 弛 系数 4 结 语 高掺量粉煤灰混凝 土作为绿色环保混凝土 ， 具 有可持续发展性。其早龄期各项物理力学性能测试 存在一定的困难， 特别是拉应力状态下 的徐变与应 力松弛 ， 国内外 的研究非常稀少。为更好地 了解 高 掺 量粉 煤灰 混凝 土 早龄 期 的开 裂敏感 性 和其 在结 构 中的耐 久性 ， 其 早期 徐 变 和应 力 松 弛 的分 析 研 究 必 不 可少 且需 深人 。 2 3 4 5 6】 7 8 参 考 文 献 吴 中伟 高性 能混凝 土及其 矿物细掺 料 J 建筑 技术 ， 1 9 9 9 ， 3 O( 3 ) ： 1 6 01 6 3 Ame ri c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e Re p o rt o n h i g h v o l u me fly a s h c o n c r e t e f o r s t r u c t u r a l a p p l i c a t i o n s R A C I 2 3 2 3 R一1 4， 2 0 1 4 Z h a o Z F， Ma o K K，J i S W ，e t a 1 Adi a b a t i c t e mp e r a t u r e ris e mo d e l o f u l t r a h i g h - v o l u me fl y a s h c o n v e n t i o n a l d a m c o n c r e t e a n d F E M s i m u l a t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e h i s t o r y c u r v e C V i e n n a ， Au s t r i a ：P r o c e e d i n g s o f t h e 1 0 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Me c h a n i c s a n d P h y s i c s o f Cr e e p，S h rin k a g e，a n d Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e a n d Co n c r e t e S t r u c t u r e s AS C E2 01 5： 1 41 0 1 4 1 9 杨杨 ， 许 四法 ， 叶德 艳 ， 等 早龄 期高 强混凝 土拉 伸徐 变特性 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 7 ) ： 1 1 2 41 1 2 9 Ne v i l l e A M ，Di l g e r W H，Br o o k s J J C r e e p o f p l a i n a n d s t r u c t u r al c o n c r e t e M C o n s t r u c t i o n P r e s s ，L o n d o n a n d N e w Y o r k， l 9 8 3 B a z a n t Z P，Fe r r e t t i DAs y mp t o t i c t e mp o r a l a n d s p a t i a l s c a l i n g o f c o u p l e d c r e e p，a g i n g ，d i f f u s i o n a n d fr a c t u r e p r o c e s s e sC Cr e e p，S h r i n k a g e ，a n d Du r a b i l i t y Me c h a n i c s o f C o n c r e t e a n d Ot h- e r Q u a s i B r i t t l e Ma t e ri a l s ，P r o c e e d i n g s o f t h e S i x t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e，El s e v i e r ，Ca mb r idg e ，MA 2 0 01 ： 1 2 11 4 5 C EB F I P Mo d e l C o d e for Co n c r e t e S t ru c t u r e C o mi t e E u r o I n t e r n a t i o n al d u B e t o n M P a r i s ： s n ， 1 9 7 8 Ba z a n t Z P，P a n u l a LP r a c t i c a l p r e d i c t i o n o f 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 t e J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 7 8 ， 1 1 9 1 O I 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 O 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 ( 6 5 ) ： 3 0 73 2 8 Ba z a n t Z PP a n u l a LS i mp l i f i e d p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e c r e e p a n d s h r i n k a g e f r o m s t r e n g t h a n d mi x J S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g R e - p o r t ， 1 9 7 8 ( 7 81 0 ) ： 6 4 0 5 2 0 9 AC I PRE DI CT I ON OF C REEP，S HRI NKAGE，AND TEM P E R A T U R E E F F E C T S I N C O N C R E T E S T RU C T U R E S S A c i S pe c i a l P u b l i c a t i o n，1 9 9 2 朱 伯芳 关 于 混凝 土徐 变 理论 的 几个 问题 J 水 利 学报 ， 1 9 8 2 ( 3 ) ： 3 5 4 0 朱伯芳 混凝 土的弹性 模数 、 徐变度 与应力松 弛系数 J 水 利学报 ， 1 9 8 5( 9 )： 5 46 1 P a n e I ，Ha n s e n W Ea r l y a g e c ree p a n d s t r e s s r e l a x a t i o n o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g b l e n d e d c e me n t s J Ma t e ri a l s S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2， 3 5 ( 2 ) ： 9 29 6 Ko v l e r KTe s t i n g s y s t e m for d e t e rm i n i n g t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f e a r l y a g e c o n c r e t e u n d e r r e s t r a i n e d a n d fre e u n i a x i al s h rin k a g e J Ma t e ri a l s a n d s t ruc t u res ，1 9 9 4， 2 7 ( 1 7 0 ) ： 3 2 43 3 0 S n g e n s c hmi d R ，B rei t e n b U e h e r R ，Ma n g o l d M De v e l o p me n t o f t h e c r a c k i n g f r a me a n d t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s t e s t i n g ma c h i n e c R I L E M P r o c e e d i n g s C h a p m a n Ha l l ， 1 9 9 5 ： 1 3 71 3 7 林 志海 ， 覃 维祖 ， 张士海 ， 等 混凝 土早期 温度应 力发 展与抗 裂性 能评 价 J 建筑技术 ， 2 0 0 3 ， 3 4 ( 1 )： 3 43 5 张涛 混凝 土早期 开裂敏 感性 的影响因素研 究 D 北京 ： 清 华 大学 ， 2 0 0 6 李飞 混凝土早期 约束应 力发展 与松弛过程 研究 D 北京 ： 清华大学 ， 2 0 0 9 Ah o u b a t S A， Da v i d A La n g e Te n s i l e b a s i c c ree p：Me a s u r e - me ri t s a n d b e h a v i o r a t e a r l y A g e J AC I Ma t e r J ，2 0 0 1 。 9 8 ( 5 )： 3 8 63 9 3 L e n na r t s t e r g a a r d，Da v i d A L a n g e 。 e t a 1 T e n s i l e b a s i c c r e e p o f e a r l y a g e c o n c r e t e u n d e r c o n s t a n t l o a d J C e m C o n e r ， 2 0 0 1 ， 31： 1 8 9 51 8 9 9 Gu t s c h A W P r o p e r t i e s o f e a r l y a g e c o n c r e t e - Ex pe rime n t s a n d m o d e l i n g J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， 3 5： 7 6 7 9 Ume h a r a H ，Ue h a r a T，I i s a k a T，e t a1 E ff e c t o f c r e e p i n c o n c r e t e a t e a r l y a g e s o n t h e rma l s t r e s s C R I L E M P r o c e e d i n g s C h a p ma n Ha l 1 1 9 9 5： 7 6 7 9 Ha u g g a a r d A B，Da mk i l d e L，Ha ns e n P FTr a n s i t i o n al t h e rm al c r e e p o f e a r l y a g e c o n c ret e J E n g Me c h ， 1 9 9 9 ， 1 2 5 ( 4 )： 4 5 8 46 5 At ru s h i D S Te n s i l e a n d c o mp r e s s i v e c r e e p o f e a r l y a g e c o n c r e t e ： T e s t i n g a n d Mo d e l l i n g D T h e N o r w e g i a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，2 0 0 3 Br o o k s J JNe v i l l e A M Re l a x a t i o n o f s t r e s s i n c o n c r e t e a n d I t s r e l a t i o n t o c r e e p J A C I Ma t e r J ，1 9 7 6 ， 7 3 ( 4 )： 2 2 72 3 2 Ho s s a i n A B，W e i s s J As s e s s i n g r e s i d u a l s t r e s s d e v e l o p me n t a n d s t r e s s rel a x a t i o n i n r e s t r a i n e d c o n c ret e ri n g s p e c i m e n s J c e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 4， 2 6 ( 5 )： 5 3 15 4 0