摘 要: 量測(cè)了28 個(gè)商品混凝土無筋構(gòu)件在360d 內(nèi)的收縮變形,主要考慮了4 個(gè)參數(shù)(混凝土的齡期、混凝土抗壓強(qiáng)度、環(huán)境條件和構(gòu)件尺寸) 對(duì)構(gòu)件收縮變形的影響。回歸67 組試驗(yàn)數(shù)據(jù),首先得出了標(biāo)準(zhǔn)條件下無筋構(gòu)件收縮變形隨齡期和強(qiáng)度變化的估算公式;其次,變化構(gòu)件所處的環(huán)境條件和構(gòu)件尺寸,采用多系數(shù)乘積的疊加原理,回歸得出了非標(biāo)準(zhǔn)條件下無筋構(gòu)件的收縮變形估算公式,公式的計(jì)算結(jié)果與130 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好,精確度較高,可以滿足工程上的應(yīng)用需要。
關(guān)鍵詞: 商品混凝土; 收縮; 變形
中圖分類號(hào): TU 378 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):167124431 (2007) 專輯Ⅱ20075204
近年來,商品混凝土在應(yīng)用過程中,發(fā)現(xiàn)其構(gòu)件較易出現(xiàn)收縮裂縫,成為混凝土結(jié)構(gòu)的常見通病之一。
分析其原因,則認(rèn)為是由于商品混凝土的組分較以往普通混凝土發(fā)生了較大的變化,從而造成其收縮變形明顯增大的緣故;而且,基于普通混凝土試驗(yàn)基礎(chǔ)上得出的計(jì)算公式已不再適用于商品混凝土收縮變形的計(jì)算。因此,有必要對(duì)商品混凝土的收縮變形展開進(jìn)一步的試驗(yàn)研究[1 ,2 ] 。
1 試驗(yàn)方案
1. 1 試驗(yàn)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及量測(cè)
共設(shè)計(jì)28 個(gè)無筋混凝土構(gòu)件,構(gòu)件均采用標(biāo)準(zhǔn)收縮構(gòu)件尺寸:100 mm ×100 mm ×515 mm。構(gòu)件的主要變化參數(shù)為:混凝土28 d 立方體抗壓強(qiáng)度、環(huán)境條件和混凝土的齡期。由于條件所限,不可能將混凝土的各個(gè)組分(諸如水泥用量、水灰比、骨料狀況等) 對(duì)收縮的影響一一進(jìn)行試驗(yàn)研究,而將其歸結(jié)為混凝土強(qiáng)度的影響,為此,將混凝土28 d 立方體抗壓強(qiáng)度作為構(gòu)件的主要變化參數(shù)之一,試驗(yàn)中構(gòu)件的強(qiáng)度變化范圍為27. 5 —74. 3 MPa[3 ] ;環(huán)境條件選為構(gòu)件所處的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境和自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,構(gòu)件(1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6) 置于溫度為20 ℃,濕度為90 %以上的養(yǎng)護(hù)室內(nèi);自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,構(gòu)件(4N2 ,5N4 ,27N4和25N6) 置于室外,室外溫度變化范圍為:9 —36 ℃,相對(duì)濕度變化范圍為:9 % —100 % ,以研究構(gòu)件周圍環(huán)境對(duì)收縮變形的影響;為研究混凝土收縮變形隨齡期變化的情況,對(duì)1S2 ,2S4 ,4N2 和5N4 構(gòu)件分別測(cè)定其1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、20 d、28 d、45 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d 和360 d 齡期時(shí)的收縮變形;對(duì)19S4 ,26S6 ,27N4 和25N6 構(gòu)件則在1 —28 d 齡期內(nèi)測(cè)定其每天的收縮變形,詳見表1 。
采用混凝土收縮膨脹儀量測(cè)構(gòu)件在試驗(yàn)期內(nèi)的長(zhǎng)度變化值,然后再轉(zhuǎn)化為收縮變形值。收縮膨脹儀的標(biāo)準(zhǔn)桿長(zhǎng)度為540 mm ,端部裝有精度為0. 01 mm 的百分表。于2003 年4 月8 日開始量測(cè),得到不同強(qiáng)度、不同環(huán)境條件和不同齡期的混凝土收縮數(shù)據(jù)共計(jì)130 組。
1. 2 混凝土的配合比
試驗(yàn)中所用的混凝土配合比由鄭州市鑫海混凝土公司按其現(xiàn)用的配合比提供,各種強(qiáng)度等級(jí)1 m3 混凝土中各種材料的用量見表2 。
2 混凝土無筋構(gòu)件收縮影響因素的分析
2. 1 混凝土齡期和抗壓強(qiáng)度的影響
從圖1 —圖2 中可以看出:在2 種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,混凝土在拆模后即出現(xiàn)收縮變形,隨著齡期的增長(zhǎng)收縮變形也隨之增加,在早期(28 d 內(nèi)) 收縮變形發(fā)展很快,此后逐漸緩和下來,90 d 后漸趨于穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下構(gòu)件的360 d 收縮變形達(dá)(140 —160) ×10 - 6 ,自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下構(gòu)件的360 d 收縮變形達(dá)(260 —320) ×10 - 6 ;而且在某一給定齡期,隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的提高,混凝土的收縮變形也隨之增加,以圖1 為例:26S6構(gòu)件(74. 3 MPa) 28 d 的收縮變形為138με,1S2 構(gòu)件(27. 8 MPa) 28 d 的收縮變形為77με,2S4 (52. 0 MPa)和19S4 (41. 3 MPa) 構(gòu)件28 d 的收縮變形分別為122με和94με,這是因?yàn)殡S著混凝土抗壓強(qiáng)度的提高,其水泥用量增大,水灰比減小,使混凝土內(nèi)部有更多的空間用于自由水的擴(kuò)散,從而減少了混凝土抵抗變形的剛度,引起混凝土的收縮也隨之增加。
2. 2 環(huán)境條件(溫度和相對(duì)濕度) 的影響
圖3 為構(gòu)件1S2 和4N2 的收縮變形比較。4N2 構(gòu)件所處環(huán)境的變化情況為:溫度變化為11 —33 ℃;相對(duì)濕度變化為31 % —100 %。對(duì)溫度及相對(duì)濕度變化取平均值,得出4N2 構(gòu)件所處環(huán)境的平均溫度T 為20. 69 ℃,平均相對(duì)濕度R H 為68 %;1S2 構(gòu)件所處環(huán)境的平均溫度T 為20 ℃,平均相對(duì)濕度R H 為95 %。
由圖中可以看出:在任一給定齡期,4N2 構(gòu)件的收縮變形要大于1S2 構(gòu)件的收縮變形,即隨著環(huán)境溫度的升高,濕度的降低,混凝土失水越多,造成其收縮變形也越大。值得一提的是1S2 構(gòu)件與4N2 構(gòu)件相比,其收縮變形曲線圖較為光滑,這是因?yàn)?S2 構(gòu)件處于恒溫恒濕的環(huán)境,而4N2 構(gòu)件所處環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度一直處于不斷的變化之中,在此環(huán)境下混凝土的收縮曲線圖出現(xiàn)了脹縮交替的波動(dòng)情況,這些波動(dòng)與大氣溫度和相對(duì)濕度的波動(dòng)大致對(duì)應(yīng),例如:4N2 構(gòu)件90 d 的收縮變形為207 ×10 - 6 (溫度T 為31 ℃,平均相對(duì)濕度R H 為69 %) ;120 d 的收縮變形為229 ×10 - 6 (溫度T 為33 ℃,平均相對(duì)濕度R H 為71 %) ;150 d 的收縮變形為210 ×10 - 6 (溫度T 為30 ℃,平均相對(duì)濕度R H 為95 %) [4 ] 。
2. 3 構(gòu)件尺寸的影響
構(gòu)件截面尺寸的大小對(duì)混凝土收縮有較大的影響,因?yàn)榛炷羶?nèi)部水分是從裸露表面蒸發(fā)散失的,在同一環(huán)境條件下,構(gòu)件的截面尺寸越大,混凝土收縮則越小。國內(nèi)外表示構(gòu)件尺寸大小的方法很多。有的采用構(gòu)件體積與表面積之比( V / S ) ;有的采用理論厚度( h0 = 構(gòu)件橫截面面積/ 與大氣接觸的半周長(zhǎng)) ;有的采用構(gòu)件橫截面的水力半徑倒數(shù)值(τ= S / A , S 為橫截面周長(zhǎng)) 。在進(jìn)行詳細(xì)地比較分析之后,試驗(yàn)中采用理論厚度h0 來反映構(gòu)件尺寸對(duì)混凝土收縮變形的影響,隨著理論厚度h0 的增大,混凝土收縮越小。
3 標(biāo)準(zhǔn)條件下無筋構(gòu)件收縮變形的基本方程
由于影響混凝土收縮的因素眾多,其計(jì)算很難獲得精確值,只能稱作為估算?；炷潦湛s的多系數(shù)估算公式,由基本方程和一系列的影響系數(shù)2 大部分組成?；痉匠桃话闶怯稍囼?yàn)所得的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土收縮隨時(shí)間變化的曲線回歸而成,它可能是用指數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、雙曲線2冪函數(shù)等表示;多系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式中的一系列影響系數(shù)也是通過試驗(yàn)來確定,在確定某個(gè)影響系數(shù)時(shí),則采用固定其它因素,變化某個(gè)因素的方法,因此,根據(jù)系數(shù)疊加原理可寫成
εsh ( t) = εsh0 ( t) ·β1 ·β2 ⋯⋯βn
式中,β1 ,β2 , ⋯,βn 分別表示各種影響因素的系數(shù),如環(huán)境濕度影響系數(shù);構(gòu)件尺寸影響系數(shù)等。
試驗(yàn)中收縮變形確定的標(biāo)準(zhǔn)條件是:混凝土構(gòu)件中不摻膨脹劑,其截面尺寸為100 mm ×100 mm ,養(yǎng)護(hù)方法為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為90 %以上) 。對(duì)于符合上述標(biāo)準(zhǔn)條件的1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6構(gòu)件,它們的收縮變形隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),二者大致呈對(duì)數(shù)關(guān)系;而且在某一給定齡期隨著混凝土強(qiáng)度的提高,收縮變形也隨之增加,按照此收縮變形發(fā)展規(guī)律,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得出混凝土無筋構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)條件下收縮變形的估算式(2) 。
式中, t 為齡期(d) ; f cu為混凝土28 d 立方體抗壓強(qiáng)度(MPa) 。
式(2) 的相關(guān)系數(shù)R = 0. 989 ,將式(1) 的計(jì)算值與1S2 、2S4 、19S4 和26S6 構(gòu)件的67 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,比值的平均值μ= 1. 025 ,標(biāo)準(zhǔn)差σ= 0. 142 ,變異系數(shù)δ= 0. 138 ,公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合良好[5 ] 。
4 非標(biāo)準(zhǔn)條件下無筋構(gòu)件收縮變形的多系數(shù)估算公式
4. 1 溫濕度影響系數(shù)
此次試驗(yàn)共考慮了4 種不同的環(huán)境條件,即4N2 構(gòu)件所處的環(huán)境條件:平均溫度T = 20. 7 ℃,平均相對(duì)濕度R H = 68. 1 % ,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件為1S2 ; 5N4 構(gòu)件所處的環(huán)境條件:平均溫度T = 22. 5 ℃,平均濕度R H = 64. 4 %,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件為2S4 ; 27N4 構(gòu)件所處的環(huán)境條件為: 平均溫度T = 22. 2 ℃,平均濕度R H = 73. 4 % ,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件為19S4 ; 25N6 構(gòu)件所處的環(huán)境條件為: 平均溫度T = 27. 6 ℃,平均濕度R H = 71. 4 % ,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件為26S6 。取測(cè)試齡期內(nèi)4N2 ,5N4 ,27N4 和25N6 的實(shí)測(cè)收縮變形與對(duì)應(yīng)的1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6 的計(jì)算收縮變形(式(2) ) 之比的平均值作為因變量,上述對(duì)應(yīng)的平均溫度和平均相對(duì)濕度為自變量,回歸出溫濕度影響系數(shù)β1
β1 = 2. 302 + 0. 088 T - 0. 034 R H (3)
式(3) 的相關(guān)系數(shù)R = 0. 994 。從式(3) 中可以得出,混凝土所處環(huán)境的溫度越高,相對(duì)濕度越低,β1 值越大。當(dāng)構(gòu)件所處環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境時(shí),溫濕度影響系數(shù)β1≈1 。
4. 2 構(gòu)件尺寸影響系數(shù)
由于試驗(yàn)工作量大和試驗(yàn)條件的限制,此次試驗(yàn)中只做了100 mm ×100 mm 截面尺寸的構(gòu)件,為此,參考中國建筑科學(xué)院于1987 年完成的“混凝土收縮與徐變的試驗(yàn)研究”資料,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析確定出構(gòu)件尺寸影響系數(shù)β2 。
β2 = 1. 053 1 - 0. 001 3 h0 (4)
式中,h0 為構(gòu)件的理論厚度。
式(4) 的相關(guān)系數(shù)R = 0. 981 。當(dāng)構(gòu)件截面尺寸為100 mm ×100 mm 時(shí), h0 = 50 mm ,此時(shí)β1≈1 。
4. 3 混凝土收縮變形的多系數(shù)估算公式
在非標(biāo)準(zhǔn)條件下,混凝土的收縮變形多系數(shù)估算公式為
εsh ( t) = εsh0 ( t) ·β1 ·β2 (5)
式中各符號(hào)意義同上。對(duì)于1S2 ,2S4 ,19S4 ,26S6 ,4N2 ,5N4 ,27N4 和25N6 構(gòu)件,將式(5) 的計(jì)算結(jié)果與其130 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,比值的平均值μ= 1. 014 ,標(biāo)準(zhǔn)差σ= 0. 152 ,變異系數(shù)δ= 0. 149 ,由此可知:式(5) 的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果符合良好,能滿足工程上的應(yīng)用要求。
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