邸元秀

(中國水利水電第十二工程局有限公司施工科學(xué)研究所，浙江 建德 311600)

限制收縮下混凝土斷裂和誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力特性測(cè)定法

邸元秀

(中國水利水電第十二工程局有限公司施工科學(xué)研究所，浙江 建德 311600)

采用鋼環(huán)試驗(yàn)方法測(cè)定混凝土在限制收縮下斷裂和誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力特性,以確定不同膠凝材料的拌合物早期斷裂的相對(duì)可能性,以及在誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力下拌合物材料變化的相對(duì)結(jié)果和斷裂潛在性,為水利水電土建工程混凝土原材料的選擇提供參考。

鋼環(huán)試驗(yàn)方法;混凝土;限制收縮;斷裂;誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力;斷裂潛在性

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本試驗(yàn)方法用于確定不同膠凝材料混凝土拌合物早期斷裂的相對(duì)可能性，有助于水泥材料的選擇;同時(shí)可用來確定在誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力下混凝土材料變化的相對(duì)結(jié)果和斷裂潛在性。

2 試驗(yàn)設(shè)備(測(cè)試裝置)

(1)鋼環(huán)。鋼環(huán)可由鋼管制作而成，鋼環(huán)尺寸要求:壁厚(13±1)m m，外徑(330±3)m m，高度(150±6)m m，測(cè)試裝置視圖如圖1所示。鋼環(huán)內(nèi)表面和外表面光滑度要求:紋理1.6 μ m或更細(xì)。

圖1 測(cè)試裝置視圖

圖示尺寸 尺寸要求/m m A 13±1 B 330±3 C 405±3 D 150±6

(2)應(yīng)變計(jì)。至少采用2只電阻應(yīng)變計(jì)，以監(jiān)測(cè)鋼環(huán)內(nèi)應(yīng)力的發(fā)展變化情況。每只應(yīng)變計(jì)應(yīng)配置有1/4電橋的金屬絲。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)與應(yīng)變儀器相配套，每只應(yīng)變計(jì)要求獨(dú)立自動(dòng)記錄。系統(tǒng)的分辨率應(yīng)為±0.0000005m/m。該系統(tǒng)要求記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔不超過30m i n。

(4)基座。用環(huán)氧涂層膠合板或其他無吸附性能及非活性面層制作基座。

(5)外環(huán)。使用下列材料之一作為外環(huán):①聚氯乙烯管——按照A ST M F441/F441M《氯化聚氯乙烯(C P V C)塑料管標(biāo)準(zhǔn)》中表80-18規(guī)定，配置聚氯乙烯管材外環(huán):內(nèi)徑(405±3)m m，高度(150 ±6)m m，如圖1所示。②鋼板——由厚度為3m m的鋼板構(gòu)成:內(nèi)徑(405±3)m m，高度(150±6)m m。③其他材料——無吸附性能和非活性材料構(gòu)成的外環(huán):內(nèi)徑(405±3)m m，高度(150±6)m m。

3 試驗(yàn)步驟

3.1 拌合物原材料及拌合物性能試驗(yàn)

(1)水泥性能應(yīng)符合A ST M C 150《硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》、A ST M C 595《混合水硬性水泥標(biāo)準(zhǔn)》及A ST M C 1157《水硬性水泥性能標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)骨料性能應(yīng)符合A ST M C 33《混凝土集料規(guī)程》。粗骨料最大粒徑要求為13m m或以下。

(3)混凝土拌合物應(yīng)進(jìn)行密度、含氣量和坍落度試驗(yàn)。密度和含氣量試驗(yàn)按照 A ST M C 138/ C 138M《混凝土密度、產(chǎn)量及含氣量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法》進(jìn)行;坍落度試驗(yàn)按照A ST M C 143/C 143M《水硬性水泥混凝土坍落度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

3.2 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

(1)沿著鋼環(huán)直徑在內(nèi)表面高度中間位置處安裝2個(gè)應(yīng)變計(jì)(即:2個(gè)應(yīng)變計(jì)在環(huán)內(nèi)壁高度中間位置處沿直徑相向)。通過旋轉(zhuǎn)應(yīng)變計(jì)來測(cè)量圓環(huán)周圍方向的應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)應(yīng)有防水裝置，用導(dǎo)線連接鋼環(huán)與應(yīng)變片。

(2)試模應(yīng)由一個(gè)基座，一個(gè)內(nèi)鋼環(huán)和一個(gè)外鋼環(huán)組成:①為每個(gè)試件制做一個(gè)基座，每個(gè)基座頂面應(yīng)盡量減少與試件的磨擦阻力。②在裝模之前，用螺栓和偏心墊圈將鋼環(huán)和基座固定，如圖1所示，并在鋼環(huán)內(nèi)外表面涂一層隔離劑。③采用螺栓和偏心墊圈固定外鋼環(huán)與基座，試模安裝完成。內(nèi)鋼環(huán)與外鋼環(huán)之間保持(38±1.5)m m的間距。

(3)不同材料的拌合物至少應(yīng)制作并養(yǎng)護(hù)3個(gè)試件，試驗(yàn)條件應(yīng)符合A ST M C 192/C 192M《實(shí)驗(yàn)室中混凝土試樣制備和養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》的要求。在制作試件時(shí)，將試模放置在振動(dòng)臺(tái)上，試模內(nèi)填充大致相等的2層拌合料，用直徑為10m m的振搗棒每層振搗75次，振動(dòng)每層填充料使拌合物成為一體。

(4)拌合物振實(shí)后將試件表面修刮平整，并清除溢出鋼環(huán)內(nèi)側(cè)或外環(huán)外側(cè)的混凝土，以保持基座干凈。試件成型后應(yīng)在10m i n之內(nèi)移至試驗(yàn)環(huán)境中。

(5)試驗(yàn)環(huán)境要求溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度(50±4)%。

(6)將試件移至測(cè)試環(huán)境中，立即松開帶有偏心墊圈的螺栓，并旋轉(zhuǎn)墊圈，避免與鋼環(huán)及外環(huán)接觸。松開帶有偏心墊圈的螺栓后，在2m i n之內(nèi)將應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，同時(shí)記錄時(shí)間，在時(shí)間間隔不超過30m i n內(nèi)開始監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)。保持應(yīng)變計(jì)連接導(dǎo)線處于自然松馳狀態(tài)。將第一次應(yīng)變測(cè)量時(shí)間視為試件齡期計(jì)時(shí)點(diǎn)。

(7)除特殊規(guī)定外，根據(jù) A ST M C 171《養(yǎng)護(hù)混凝土用薄板材標(biāo)準(zhǔn)》要求，試件在模具中養(yǎng)護(hù)期要用聚乙烯薄膜覆蓋，并鋪上濕麻袋，在(23±2)℃條件下保濕養(yǎng)護(hù)24h。第一次應(yīng)變讀數(shù)后5m i n之內(nèi)開始進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期。如果養(yǎng)護(hù)期大于24h，在養(yǎng)護(hù)24h后移去外環(huán)，繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

(8)在養(yǎng)護(hù)末期和測(cè)量應(yīng)變之間，按如下步驟準(zhǔn)備干燥試件，并要求在15m i n內(nèi)完成試件的準(zhǔn)備工作。①移去試件上的外鋼環(huán)、聚乙烯薄膜和麻袋。②如果有松散材料存在，可輕輕地從試件的頂表面清除。③使用下列任意一種方法來密封試件頂表面:石蠟密封法——用熔化的石蠟涂在試件頂表面，應(yīng)采取一定的措施以保證試件外圍不粘石蠟;鋁箔膠帶粘合劑密封法——用鋁箔膠帶粘合劑密封試件頂表面。④ 試件密封之后即為干燥起始點(diǎn)，也視為第一次應(yīng)變讀數(shù)的時(shí)間。

3.3 測(cè)量程序

(1)按本測(cè)試方法前款規(guī)定，記錄應(yīng)變監(jiān)測(cè)起始時(shí)間。

(2)每天記錄測(cè)試環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度。

(3)在每一次測(cè)量時(shí)應(yīng)記錄時(shí)間和應(yīng)變。監(jiān)測(cè)鋼環(huán)內(nèi)應(yīng)變的時(shí)間間隔不應(yīng)超過30m i n，分別記錄每個(gè)應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)。一個(gè)或兩個(gè)應(yīng)變計(jì)的壓力應(yīng)變突然下降，表明試件斷裂。時(shí)間間隔在3d內(nèi)，檢查應(yīng)變測(cè)量情況，并目視檢查試件的斷裂情況。

(4)從試件干燥起始點(diǎn)起，監(jiān)測(cè)和記錄鋼環(huán)內(nèi)的應(yīng)變至少持續(xù)28d，試件在28d之前發(fā)生斷裂除外。

(5)繪制每一個(gè)應(yīng)變計(jì)的鋼環(huán)應(yīng)變與對(duì)應(yīng)的試件齡期關(guān)系，如圖2所示。

圖2 鋼環(huán)應(yīng)變與試件齡期關(guān)系

4 試驗(yàn)結(jié)果及斷裂潛在性分類

4.1 斷裂期

每個(gè)試件的應(yīng)變突然下降點(diǎn)確定為斷裂期(從試件成型起開始測(cè)量)。每個(gè)試件的斷裂期計(jì)算結(jié)果精確至0.25d。在試驗(yàn)期間如試件未發(fā)生斷裂，報(bào)告結(jié)果為“未發(fā)生斷裂”，并記錄測(cè)試終止期。試件的平均斷裂期計(jì)算值精確至天。

4.2 初始應(yīng)變

每個(gè)應(yīng)變計(jì)的時(shí)間與應(yīng)變數(shù)據(jù)關(guān)系圖中，與試件干燥起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，記錄為初始應(yīng)變(如圖2所示)。

4.3 最大應(yīng)變

每個(gè)試件的各個(gè)應(yīng)變計(jì)顯示的時(shí)間與應(yīng)變數(shù)據(jù)關(guān)系中，與斷裂期或測(cè)試終止期相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，記錄為最大應(yīng)變。當(dāng)發(fā)生斷裂時(shí)，應(yīng)變突然下降之前的應(yīng)變值即為最大應(yīng)變。

4.4 平均最大應(yīng)變(εmax)

計(jì)算每個(gè)試件的平均最大應(yīng)變。

4.5 應(yīng)力速率(s)

在試件斷裂期或測(cè)試終止期相對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力變化率，按下列步驟計(jì)算。

(1)經(jīng)歷時(shí)間(t)。根據(jù)每次記錄的時(shí)間與試件干燥起始點(diǎn)的差值，計(jì)算每個(gè)試件所經(jīng)歷時(shí)間。

(2)凈應(yīng)變(εnet)。從試件干燥起始點(diǎn)開始，每次記錄時(shí)間時(shí)，根據(jù)鋼環(huán)應(yīng)變與初始應(yīng)變的差值，計(jì)算試件上每個(gè)應(yīng)變計(jì)的凈應(yīng)變。

(3)應(yīng)變速率因子(α)。繪制每個(gè)測(cè)試應(yīng)變計(jì)的凈應(yīng)變與所經(jīng)歷時(shí)間的平方根關(guān)系圖表，通過數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性回歸分析擬合直線，可以得出應(yīng)變速率因子即為直線的斜率:

式中:εnet—凈應(yīng)變，m/m;α—試件上每個(gè)應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變速率因子(m/m)·d-1/2;t—經(jīng)歷時(shí)間，d; k—回歸常數(shù)。

(4)平均應(yīng)變速率因子 αavg。計(jì)算每個(gè)試件的平均應(yīng)變速率因子。

(5)在試件斷裂或測(cè)試終止時(shí)計(jì)算應(yīng)力速率:

式中:s—單個(gè)試件的應(yīng)力速率，MP a/d;G—72.2 G P a，與本測(cè)試方法中使用的鋼環(huán)的尺寸相關(guān)的一個(gè)常數(shù);—試件的平均應(yīng)變速率因子的絕對(duì)值，(m/m)·d-1/2;tr—試件斷裂經(jīng)歷時(shí)間，或每個(gè)試件測(cè)試終止所經(jīng)歷時(shí)間，d。

(6)平均應(yīng)力速率S-。試驗(yàn)結(jié)果取不少于3個(gè)試件的應(yīng)力速率平均值，平均應(yīng)力速率計(jì)算結(jié)果精確至0.01MP a/d。

4.6 試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告

在試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)記錄與變量研究有關(guān)的下列數(shù)據(jù):被測(cè)試材料的性能:混凝土拌合物的配合比、含氣量、坍落度、密度;養(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間;測(cè)試環(huán)境溫度和相對(duì)濕度;繪制每個(gè)試件的鋼環(huán)應(yīng)變與對(duì)應(yīng)的齡期關(guān)系圖;平均斷裂期;在測(cè)試期間未發(fā)生斷裂的試樣的測(cè)試終止期;平均初始應(yīng)變;平均最大應(yīng)變;繪制每個(gè)試件的凈應(yīng)變與對(duì)應(yīng)的經(jīng)歷時(shí)間的平方根關(guān)系圖;試件斷裂時(shí)或測(cè)試終止時(shí)的平均應(yīng)力速率。

4.7 試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度

單次試驗(yàn)斷裂期重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為2d。對(duì)于平均應(yīng)力速率等于或小于0.28MP a/d的試件，單次試驗(yàn)斷裂應(yīng)力速率重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03MP a/d。對(duì)于平均應(yīng)力速率大于0.28MP a/d的試件，單次試驗(yàn)斷裂應(yīng)力速率重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08MP a/d。

4.8 斷裂潛在性分類

根據(jù)試件的有效抗裂期和平均應(yīng)力速率測(cè)定值對(duì)斷裂潛在性進(jìn)行分類。斷裂潛在性分類見表1。

(1)有效抗裂期(tcr)。根據(jù)試件斷裂期與干燥起始點(diǎn)的差值，計(jì)算試件的有效抗裂期，如果在養(yǎng)護(hù)期斷裂(即干燥起始之前)，則抗裂期為零。

(2)斷裂潛在性?；谟行Э沽哑诤蛿嗔鸦驕y(cè)試終止時(shí)的平均應(yīng)力速率，所作出的斷裂潛在性分類表，有助于材料的選擇比較。

(3)表1中有效抗裂期分類可用于評(píng)估在測(cè)試期間斷裂的材料的相對(duì)性能。

(4)在測(cè)試期間沒有發(fā)生斷裂的且平均應(yīng)力速率低于0.10MP a/d的材料，平均應(yīng)力速率的大小可用來比較評(píng)估斷裂相對(duì)潛在性。由于時(shí)間限制不允許試驗(yàn)進(jìn)行至斷裂發(fā)生的情況下，平均應(yīng)力速率可用于材料的比較選擇。

5 結(jié)語

本試驗(yàn)方法適用于非膨脹性材料以及骨料最大公稱粒徑為13m m或以下的的混凝土拌合物。混凝土原材料的變化包括但不限于:骨料來源、骨料級(jí)配及含水量，水泥品種及用量，輔助性膠凝材料，或化學(xué)外加劑。對(duì)于在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生斷裂的材料，在試驗(yàn)終止時(shí)的拉伸應(yīng)力變化率可作為材料選擇的依據(jù)。本試驗(yàn)方法可測(cè)定原材料及配制比例的變化對(duì)混凝土在限制收縮下發(fā)生斷裂的影響結(jié)果，僅為水利水電土建工程混凝土原材料的選擇提供參考。

［1］ASTM C1581/C1581M～2009a.Standard Testmethod forDeterminingAgeatCracking and Induced TensileStressCharacteristicsofmortarandConcreteunderRestrained Shrinkage.

T V 41

B

1008-1305(2016)05-0025-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.011

2016-04-14

邸元秀(1972年—)，女，高級(jí)工程師。