曹立學(xué)，郭君華，張 磊，高春勇

(1.天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024)

0 引 言

早期抗裂性能是衡量混凝土體積穩(wěn)定性的主要因素之一，如何對(duì)其早期抗裂性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果指導(dǎo)混凝土的制備與養(yǎng)護(hù)，以保證各混凝土結(jié)構(gòu)在服務(wù)于各種環(huán)境中時(shí)，均能滿足規(guī)定的建筑使用要求，已成為國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家混凝土材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

混凝土裂縫的產(chǎn)生包含兩個(gè)方面：一方面是混凝土本身固有性質(zhì)的限制，如彈性模量、收縮、抗拉強(qiáng)度等；另一方面則是外部因素的影響，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造、環(huán)境條件以及所受約束等[1]?；谏鲜隽芽p成因并根據(jù)混凝土成型的形狀，目前混凝土早期抗裂性能測(cè)試方法可分為三種：平板法、圓環(huán)法和單軸約束法。平板法成型的混凝土試件呈板狀，通過(guò)提供四周約束、刀口誘導(dǎo)等方式，加速混凝土開(kāi)裂；圓環(huán)法成型的混凝土試件呈圓環(huán)狀，通過(guò)內(nèi)部的剛性構(gòu)件約束混凝土，加速其開(kāi)裂；單軸約束法成型的混凝土試件呈軸狀，通過(guò)兩端施加約束，加速開(kāi)裂。本文以上述三種方法為基礎(chǔ)，對(duì)用于混凝土早期抗裂性能檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了綜合評(píng)述，并對(duì)今后測(cè)試方法的研究進(jìn)行了展望。

1 混凝土早期抗裂性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法

1.1 平板法

四周約束型的平板開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)法最早是由美國(guó)的Kraai[2]在1985年提出的，后來(lái)在Kraai設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，目前被廣泛使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1所示。模具主要包括用于混凝土成型的底板、鋼制框架，用于提高模具穩(wěn)定性的加固肋、螺栓以及用于提供約束的螺桿。

圖1 平板法示意圖——四周提供約束[2]Fig.1 Sketch of plate method—constraints around[2]

試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土在碘鎢燈、風(fēng)扇共同作用下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。此時(shí)混凝土表面水分蒸發(fā)速度增加，混凝土收縮增大，混凝土早期干燥收縮與蒸發(fā)速率的關(guān)系如圖2所示，而螺桿約束了混凝土的收縮，因此螺桿周?chē)幕炷寥菀壮霈F(xiàn)裂縫，且裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展在試件表面均能得以體現(xiàn)。平板法的表征參數(shù)包括初始開(kāi)裂時(shí)間、裂縫開(kāi)裂面積、單位面積上的裂縫數(shù)量、單位面積上的開(kāi)裂總面積等。其計(jì)算方法如式(1)～(3)所示。

圖2 混凝土早期干燥收縮與蒸發(fā)速率的關(guān)系[3]Fig.2 Relationship between drying shrinkage and evaporation rate of concrete[3]

裂縫開(kāi)裂面積S(mm2)計(jì)算公式：

(1)

式中：N代表裂縫總條數(shù)；Wi代表第i條裂縫的最大寬度，mm；Li代表第i條裂縫的長(zhǎng)度，mm。

單位面積上的裂縫數(shù)量X(piece/m2)計(jì)算公式：

(2)

式中：A為平板的面積，m2。

單位面積上的開(kāi)裂總面積Y(mm2/m2)計(jì)算公式：

(3)

周茗如等[4]在此評(píng)價(jià)方法上建立了抗裂效果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，使得平板法評(píng)價(jià)纖維混凝土早期抗裂性能更為直觀，抗裂性能劃分等級(jí)如表1所示。

表1 抗裂性能劃分等級(jí)[4]Table 1 Crack resistance division level[4]

李麗[5]分析認(rèn)為混凝土裂縫是客觀存在的，且混凝土在實(shí)際應(yīng)用中是帶裂縫工作的，因此在對(duì)高性能混凝土的開(kāi)裂規(guī)律研究中，通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同寬度下裂縫的數(shù)量，對(duì)裂縫寬度對(duì)應(yīng)的權(quán)重值進(jìn)行了定義，如表2所示。賦予權(quán)重值后的計(jì)算表達(dá)式即在式(1)后乘以每條裂縫對(duì)應(yīng)的權(quán)重值ωi，如式(4)所示。

表2 裂縫權(quán)重值和最大列寬對(duì)應(yīng)表[5]Table 2 Corresponding table of crack weight and maximum column width[5]

(4)

美國(guó)的Dr. Soroushian等[6]研究了一種彎起鋼板作為底部約束的平板實(shí)驗(yàn)裝置。這種底部帶肋的實(shí)驗(yàn)裝置尺寸如圖3所示，它利用底部三角形鋼肋結(jié)構(gòu)限制混凝土的收縮以加速混凝土開(kāi)裂。該方法被ICBO(International Conference of Building Officials)的合成纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)收錄，認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)裝置能很好地測(cè)試和評(píng)價(jià)混凝土的開(kāi)裂性能。因此，這種方法又稱ICBO標(biāo)準(zhǔn)法。Combrinck等[7]利用這種方法研究了混凝土塑性沉降和塑性收縮的聯(lián)合作用對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的影響。

圖3 平板法示意圖——底板提供約束[6]Fig.3 Sketch of plate method—bottom constraint[6]

這種實(shí)驗(yàn)方法的原理與四周提供約束的方法類似，約束混凝土收縮的構(gòu)件為底板上彎起的肋，當(dāng)混凝土收縮時(shí)，底部結(jié)構(gòu)會(huì)約束混凝土的收縮，沿肋方向上容易出現(xiàn)裂縫。但是這種方法所使用的模具深度只有80 mm，因此不適用于大骨料粒徑的混凝土。對(duì)于這種測(cè)試方法，前文提到的裂縫計(jì)算方法依然適用，但是不易建立等級(jí)評(píng)價(jià)體系。

由于這種底部約束的局限性，中國(guó)建材院自行研制了多道應(yīng)力誘導(dǎo)平板開(kāi)裂的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4所示，在平板試模中等間距平行排布裂縫誘導(dǎo)器[8]。

圖4 平板法示意圖——刀口誘導(dǎo)開(kāi)裂[8]Fig.4 Sketch of plate method—induced cracking by edge[8]

對(duì)任一裂縫誘導(dǎo)器做力學(xué)角度的分析可以發(fā)現(xiàn)，混凝土收縮會(huì)使得誘導(dǎo)裝置的AB、C兩個(gè)面分別對(duì)混凝土產(chǎn)生垂直于作用面的反作用力F、F′，將反作用力F、F′進(jìn)行分解，得到縱向分力F1、F′1，和橫向分力F2、F′2(如圖5所示)[8]。

圖5 單道應(yīng)力誘導(dǎo)器受力分析圖[8]Fig.5 Stress analysis diagram of single channel stress inducer[8]

F=F1+F2

(5)

(6)

因此，當(dāng)混凝土發(fā)生收縮時(shí)，A點(diǎn)處的混凝土同時(shí)受到縱向向上的作用力F1、F′1和橫向作用力F2、F′2(如圖6所示)。因此，誘導(dǎo)裝置頂端A點(diǎn)處的混凝土在F2、F′2作用下最容易出現(xiàn)裂縫。而且任一裂縫誘導(dǎo)器頂端的混凝土在水平力作用下產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫走向均沿著裂縫誘導(dǎo)器的平行直線方向，方便對(duì)裂縫進(jìn)行觀察和測(cè)量[8]。

圖6 A點(diǎn)受力分析圖[8]Fig.6 Stress analysis diagram of point A[8]

結(jié)合混凝土開(kāi)裂原理的分析，這種誘導(dǎo)開(kāi)裂方法的優(yōu)勢(shì)在于能誘導(dǎo)混凝土試件更快產(chǎn)生裂縫，且裂縫位置可提前預(yù)測(cè)，便于觀察。開(kāi)裂程度同樣可以通過(guò)裂縫結(jié)果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，做到一定程度的量化。

肖建莊等[9]在研究再生粗骨料取代率及粉煤灰、礦粉的摻量對(duì)再生混凝土早期抗開(kāi)裂性能的影響時(shí)應(yīng)用了這種刀口誘導(dǎo)開(kāi)裂的平板法。并引入了裂縫變異系數(shù)的概念，裂縫變異系數(shù)δ按式(7)、(8)計(jì)算，裂縫變異系數(shù)可以反映時(shí)間早期的裂縫分布的離散性，離散性越大說(shuō)明混凝土的收縮越不均勻。

(7)

(8)

鄭建嵐等[10]設(shè)計(jì)了一種隔板誘導(dǎo)開(kāi)裂的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖7所示。通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)這種試驗(yàn)裝置能避免混凝土裂縫出現(xiàn)位置的隨機(jī)性，加快裂縫發(fā)展速度，裂縫出現(xiàn)時(shí)間提前且易于觀測(cè)，降低了實(shí)驗(yàn)誤差，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖7 平板法示意圖——隔板誘導(dǎo)開(kāi)裂[10]Fig.7 Sketch of plate method—induced cracking by baffle[10]

但是目前針對(duì)隔板大小、位置、厚度、數(shù)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響還沒(méi)有系統(tǒng)的分析。并且，由于出現(xiàn)裂縫的數(shù)量少，且裂縫長(zhǎng)度也受限，因此評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能的因素僅包括開(kāi)裂時(shí)間、開(kāi)裂面積和最大裂縫寬度。這種評(píng)價(jià)方法過(guò)于局限，不能形成量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，僅能用于定性的分析比較，目前應(yīng)用較少。

對(duì)于四種不同的平板實(shí)驗(yàn)方法，將它們實(shí)驗(yàn)原理、評(píng)價(jià)方法及在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的推廣應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，如表3所示。平板法的優(yōu)勢(shì)包括：模具中成型的混凝土呈板狀，表面面積大，開(kāi)裂速度較快，開(kāi)裂敏感性高；能在一定程度上反映工程實(shí)際中混凝土板的早期開(kāi)裂；評(píng)價(jià)體系相對(duì)完善，可通過(guò)裂縫開(kāi)裂面積、單位面積的裂縫數(shù)量、單位面積上的開(kāi)裂總面積等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，還可以結(jié)合賦值權(quán)重和裂縫變異系數(shù)進(jìn)行更科學(xué)的量化。其劣勢(shì)包括：實(shí)驗(yàn)的外部環(huán)境因素難以控制，由于試塊須在碘鎢燈和風(fēng)扇的作用下加速開(kāi)裂，但不同研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)速和溫度很難做到一致；混凝土在模具中的受力不均勻，很難從理論上對(duì)平板法實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

表3 平板法抗裂試驗(yàn)總結(jié)Table 3 Summary of plate method anti-cracking tests

1.2 圓環(huán)法

Carlson等[11]最早提出圓環(huán)式約束收縮開(kāi)裂的實(shí)驗(yàn)方法，用于測(cè)試水泥砂漿和混凝土早期抗裂性能。目前美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì) (American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO)[12]和美國(guó)實(shí)驗(yàn)材料學(xué)會(huì) (American Society for Testing and Materials，ASTM)[12]將圓環(huán)法作為一種評(píng)定混凝土早期抗裂性的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法。此外，我國(guó)的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》CCES01—2018也收錄了這種方法，將其定為測(cè)試混凝土早期抗裂性的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》CCES01—2018尺寸如圖8所示，內(nèi)徑41.3 mm，外徑66.7 mm，混凝土環(huán)厚度25.4 mm，高度25.4 mm。試驗(yàn)時(shí)，在試件成型(24±1) h后拆去外模。對(duì)試件上下表面進(jìn)行密封處理，試件連同芯模一起做恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，溫度控制在19.5～20.5 ℃之間，濕度控制在40%～60%之間。通過(guò)計(jì)算機(jī)每隔2 min采集一次應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制應(yīng)變曲線，當(dāng)應(yīng)變曲線發(fā)生突變時(shí)，即說(shuō)明試件開(kāi)裂。

圖8 圓環(huán)法示意圖Fig.8 Sketch of circle method

混凝土圓環(huán)在收縮時(shí)受到內(nèi)側(cè)鋼圓環(huán)的限制，混凝土試件的內(nèi)部應(yīng)力情況如圖9所示，圖中σθ、σr分別為(r，θ)處混凝土環(huán)形試件的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；ri、re分別為混凝土環(huán)的內(nèi)徑和外徑；p為混凝土試件收縮時(shí)對(duì)鋼環(huán)產(chǎn)生壓力的反作用力[14]。金南國(guó)等[14]在彈性理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了受約束混凝土切向應(yīng)力σ(t)計(jì)算式，如式(9)所示:

圖9 混凝土環(huán)內(nèi)部應(yīng)力[14]Fig.9 Internal stress of concrete ring[14]

(9)

式中:C為混凝土試件的尺寸參數(shù)，其計(jì)算方法如式(10)[13]所示;K(t，τ)為混凝土的松弛系數(shù);ε(τ)為混凝土自由收縮應(yīng)變;RS為約束度；E(τ)為彈性模量，t為時(shí)間。

(10)

式中:ν為混凝土環(huán)形試件的泊松比;rm為混凝土圓環(huán)內(nèi)外徑的均值，rm=(re+ri)/2。

根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，當(dāng)混凝土試件在t0時(shí)的切向應(yīng)力σ(t0)超過(guò)混凝土在該時(shí)刻的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土開(kāi)裂，混凝土開(kāi)裂時(shí)間即為t0。

Moon等[15-16]研究表明，圓環(huán)法實(shí)驗(yàn)使用側(cè)面干燥方式時(shí)，對(duì)于圓環(huán)厚度較小的試件與橢圓環(huán)試件可以忽略徑向濕度梯度的影響，混凝土環(huán)的收縮可以認(rèn)為是均勻一致的，采用均勻溫度場(chǎng)分析混凝土環(huán)的性能從理論上是可行的。周小菲[17]分析認(rèn)為混凝土環(huán)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于環(huán)外表面暴露，導(dǎo)致外側(cè)的干縮較大，內(nèi)側(cè)的干縮較小，這導(dǎo)致在本實(shí)驗(yàn)的干燥過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)表層混凝土受拉而內(nèi)部混凝土受到外部混凝土的壓應(yīng)力的情況(同時(shí)不排除內(nèi)外均受拉的情況)，最終導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂從表面開(kāi)始并向內(nèi)部發(fā)展?？赡艿氖芰κ疽鈭D如圖10所示，外層與空氣接觸的部分拉應(yīng)力最大。Dong等[18]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圓環(huán)厚度較大的試件，采取環(huán)外表面干燥時(shí)，裂縫首先出現(xiàn)在混凝土環(huán)外圓周一側(cè)，裂縫出現(xiàn)的原因主要是徑向濕度梯度引起的不均勻收縮，此時(shí)混凝土環(huán)的應(yīng)力變化情況更為復(fù)雜。而對(duì)于圓環(huán)厚度較小的試件，裂縫出現(xiàn)主要源自內(nèi)鋼環(huán)對(duì)混凝土收縮的約束，使得混凝土試件內(nèi)部出現(xiàn)切向拉應(yīng)力，當(dāng)切向拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度極限時(shí)混凝土開(kāi)裂。因此，對(duì)于圓環(huán)法而言，應(yīng)盡量采用厚度較小的圓環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖10 干燥不均勻時(shí)混凝土截面的應(yīng)力分布[16]Fig.10 Stress distribution of concrete section when drying is uneven[16]

圓環(huán)法的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括混凝土環(huán)的初始開(kāi)裂時(shí)間、初始裂縫寬度、初始裂縫長(zhǎng)度、最終裂縫長(zhǎng)度、最終裂縫寬度。并且，可以通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)分析混凝土的收縮開(kāi)裂情況。其中裂縫寬度的觀測(cè)如圖11所示[19]，沿裂縫方向取5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將它們的均值作為裂縫寬度值。

圖11 環(huán)形約束混凝土試件裂縫觀測(cè)示意圖[19]Fig.11 Observation direction sketch of cracks in ring constrained concrete specimens[19]

圓環(huán)法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)初始開(kāi)裂時(shí)間的檢測(cè)和記錄更為精確，并且通過(guò)對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變的記錄能夠更加真實(shí)地反映混凝土在收縮被約束時(shí)，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)展情況；內(nèi)部圓環(huán)對(duì)混凝土的約束是均勻分布的(如圖9所示)，這有利于通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和擬合。圓環(huán)法的劣勢(shì)在于圓環(huán)法裂縫出現(xiàn)位置隨機(jī)，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，敏感性差。試件往往需要較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)開(kāi)裂，甚至因敏感性差出現(xiàn)混凝土不開(kāi)裂的情形。

針對(duì)圓環(huán)法開(kāi)裂敏感性差，裂縫隨機(jī)不易觀測(cè)的問(wèn)題，有學(xué)者提出用橢圓環(huán)代替圓環(huán)進(jìn)行約束混凝土收縮實(shí)驗(yàn)，橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比圓環(huán)法實(shí)驗(yàn)，橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)提高了約束度，縮短了開(kāi)裂時(shí)間，并能預(yù)測(cè)裂縫位置。

圖12 橢圓環(huán)法示意圖[20]Fig.12 Sketch of ellipse method[20]

董偉等[20]分析了混凝土環(huán)、鋼環(huán)的厚度和彈性模量對(duì)橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置約束度的影響，并擬合了橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)約束度ψ計(jì)算表達(dá)式，如式(11)所示。

(11)

式中:E′c為混凝土的有效彈性模量;Es為鋼環(huán)的彈性模量；νc、νs分別為混凝土環(huán)以及鋼環(huán)的泊松比；ROS、RIS分別為鋼環(huán)長(zhǎng)軸方向的外側(cè)半徑和內(nèi)側(cè)半徑；ROC、RIC分別為混凝土環(huán)長(zhǎng)軸方向的外側(cè)半徑和內(nèi)側(cè)半徑。

通過(guò)計(jì)算，董偉等[20]將60%、90%兩種約束度下圓環(huán)法與橢圓環(huán)法鋼環(huán)厚度的選用范圍進(jìn)行了劃分，如圖13所示。圖中各曲線下方區(qū)域表示實(shí)驗(yàn)約束度大于該曲線對(duì)應(yīng)的值，從圖中可以看出對(duì)于90%約束度，橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)滿足約束度要求所需要的鋼環(huán)厚度較小，試件整體較輕，便于實(shí)驗(yàn)操作,而對(duì)于60%約束度，圓環(huán)試驗(yàn)和橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)作用效果相當(dāng)。

圖13 約束度與鋼環(huán)厚度的關(guān)系[20]Fig.13 Relationship between confinement and ring thickness[20]

胡芯國(guó)[21]、李浩然[22]針對(duì)圓環(huán)法開(kāi)裂敏感性差，收縮裂縫隨機(jī)分布的問(wèn)題，提出了外方內(nèi)圓偏心約束實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示。其中，鋼圓柱會(huì)為混凝土提供約束分布荷載以限制混凝土試件的收縮，由于試件不是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此約束荷載是非均勻分布的，但混凝土試件在這種荷載作用下是受力平衡的。因此李浩然[22]假設(shè)了試件內(nèi)部荷載的分布如圖15所示,從試件的受力平衡上分析，圖15中鋼圓柱約束力在水平方向的合力為0，并且由于試件存在一個(gè)對(duì)稱軸，沿此對(duì)稱軸切開(kāi)試件，其內(nèi)約束力如圖16所示，在水平方向的約束力依然是平衡的，即水平分力H=0，而豎直分力Q≠0,通過(guò)推導(dǎo)，建立了基于約束分布荷載假設(shè)的表達(dá)式，如式(12)所示。

圖14 外方內(nèi)圓偏心約束實(shí)驗(yàn)裝置[22]Fig.14 Eccentric restraint experimental device of outer square inner circle[22]

圖15 試件承受的約束分布力[22]Fig.15 Constraint distribution force on specimens[22]

圖16 內(nèi)約束力的分解[22]Fig.16 Decomposition of internal constraints[22]

(12)

式中：σα表示任意截面的法相應(yīng)力；q(α)是分布荷載關(guān)于角度α的函數(shù)；t1、t2分別為長(zhǎng)短偏心距；L為截面長(zhǎng)度；r為鋼圓柱半徑。

由式(12)可知，混凝土試件的徑向截面越長(zhǎng)，截面受到的環(huán)向應(yīng)力越小，反之受到的環(huán)向應(yīng)力越大，所以可推斷混凝土試件在偏心距最狹窄區(qū)域發(fā)生開(kāi)裂。通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土試件的開(kāi)裂敏感度增加，試件的開(kāi)裂速度加快，進(jìn)而縮短了實(shí)驗(yàn)的周期。開(kāi)裂位置雖沒(méi)有嚴(yán)格出現(xiàn)在預(yù)期位置，但偏差較小，可能是由于混凝土本身的不均勻性導(dǎo)致個(gè)別區(qū)域本身存在缺陷較多，開(kāi)裂更快。

對(duì)于三種不同的圓環(huán)實(shí)驗(yàn)法，將它們實(shí)驗(yàn)原理、評(píng)價(jià)方法及推廣應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，如表4所示。圓環(huán)法的優(yōu)勢(shì)包括：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受外部環(huán)境影響小，易于統(tǒng)一控制；內(nèi)部限制圓環(huán)對(duì)混凝土的約束均勻，易于進(jìn)行理論層面的分析。其劣勢(shì)包括：當(dāng)混凝土環(huán)厚度小時(shí)，混凝土中的骨料粒徑不宜過(guò)大;而當(dāng)混凝土環(huán)厚度大時(shí)，存在開(kāi)裂時(shí)間長(zhǎng)甚至難以開(kāi)裂的問(wèn)題，影響對(duì)混凝土早期抗裂性能的判定；另外，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法相對(duì)單一，僅適用于對(duì)混凝土抗裂性能的定性分析，很難做到定量比較。

表4 圓環(huán)法抗裂試驗(yàn)總結(jié)Table 4 Summary of circle method anti-cracking tests

1.3 單軸約束法

德國(guó)學(xué)者Springenschmid等[23]根據(jù)實(shí)際工程建設(shè)的需求，開(kāi)發(fā)了開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架，用于測(cè)量混凝土的熱應(yīng)力。開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架是固定夾頭的單軸約束實(shí)驗(yàn)機(jī)(如圖17所示)，主要由機(jī)械構(gòu)架和溫控系統(tǒng)兩部分組成。其中，機(jī)械構(gòu)架包括固定夾頭和縱向支架。整個(gè)實(shí)驗(yàn)架是鋼制的，縱梁以熱膨脹系數(shù)約1.0×10-6K-1的合金制成。試件的末端通過(guò)設(shè)計(jì)成兩個(gè)梯形固定在夾頭中。在縱向支架上貼有應(yīng)變片，可以通過(guò)應(yīng)變計(jì)連續(xù)記錄支架的應(yīng)變。此外，為了模擬實(shí)際過(guò)程中大體積混凝土中的溫升，實(shí)驗(yàn)使用了溫度可調(diào)節(jié)的絕熱模板。絕熱模板與外部溫度控制系統(tǒng)相連接，該系統(tǒng)可以檢測(cè)熱應(yīng)力以及模擬混凝土溫度發(fā)展歷程。這種開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架又被稱為第一代單軸約束實(shí)驗(yàn)裝置，為混凝土提供了較高卻不可控的約束度。

圖17 開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.17 Structural sketch of rigid cracking frame[23]

Riding等[24]給出了開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架中混凝土試件的約束度計(jì)算，如式(13)所示：

(13)

式中:kR為約束度；Ec為混凝土的彈性模量；Ac為混凝土截面面積；Es為縱向支架彈性模量；As為縱向支架截面面積。由式(13)可知，隨著混凝土水化反應(yīng)的進(jìn)行，彈性模量逐漸增大，其約束度從100%逐漸降低。因此開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架對(duì)混凝土約束度一般在70%到100%之間。

開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架實(shí)驗(yàn)主要研究在固定的約束狀態(tài)下，混凝土在可控的溫度場(chǎng)和自生體積變形作用下的應(yīng)力、應(yīng)變的發(fā)展情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠綜合反映彈性模量、徐變與應(yīng)力松弛、熱膨脹系數(shù)等因素對(duì)混凝土開(kāi)裂敏感性的影響[25-26]。

Breitenbucher[27]研究了混凝土中的水泥用量、水泥強(qiáng)度、水泥種類等因素對(duì)混凝土開(kāi)裂趨勢(shì)的影響，通過(guò)開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架對(duì)350組不同的混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)早期混凝土約束應(yīng)力和熱裂縫的影響；還對(duì)某工程實(shí)際中混凝土的開(kāi)裂行為進(jìn)行了觀測(cè)。分析發(fā)現(xiàn)混凝土在該工程中的開(kāi)裂現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)室中混凝土表現(xiàn)出的規(guī)律具有良好的一致性。

Byard等[28]通過(guò)開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架研究了礦物摻合料、水灰比、澆筑溫度條件對(duì)橋面混凝土早期開(kāi)裂特性的影響。實(shí)驗(yàn)表明澆筑溫度和固化溫度對(duì)混凝土的開(kāi)裂有顯著影響；粉煤灰與磨細(xì)的高爐礦渣可以有效降低橋面混凝土的發(fā)熱和剛度擴(kuò)展速度，從而顯著降低約束應(yīng)力，延遲早期開(kāi)裂的發(fā)生；水灰比降低會(huì)加速混凝土的早期開(kāi)裂。

開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架的主要不足在于其約束度是相對(duì)固定的，因此，Springenschmid等[29]開(kāi)始對(duì)開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架進(jìn)行改進(jìn)，并于1984年開(kāi)發(fā)了溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)(Temperature-Stress Testing Machine，TSTM)。相較于開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)架的約束程度取決于實(shí)驗(yàn)架和混凝土的剛度(如式(13)所示)，改進(jìn)后的裝置可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)試件夾頭位置的調(diào)整，對(duì)混凝土施加不同程度的約束，進(jìn)而模擬混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。溫度應(yīng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖18所示。試件截面尺寸為150 mm×150 mm×1 500 mm，位移控制精度為2 μm，測(cè)量精度為0.2 μm。

圖18 溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 Structural sketch of temperature-stress testing machine

實(shí)驗(yàn)機(jī)在設(shè)計(jì)之初僅有一根約束試件，后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，增加了一根自由試件，自由試件的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)與約束試件同步，形成了閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(如圖19所示)，實(shí)現(xiàn)了在0%～100%約束度可變情況下的混凝土早期抗裂相關(guān)性能的測(cè)試[30]。

圖19 閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[30]Fig.19 Closed loop system controlled by computer[30]

根據(jù)現(xiàn)有的溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)得的數(shù)據(jù)包括：室溫應(yīng)力、開(kāi)裂應(yīng)力、應(yīng)力儲(chǔ)備、澆筑溫度、溫升時(shí)間、出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)間、最大壓應(yīng)力、第一零應(yīng)力溫度、第一零應(yīng)力溫度時(shí)間、第二零應(yīng)力溫度、第二零應(yīng)力溫度時(shí)間、開(kāi)裂溫度等。

蔡躍波[31]、張國(guó)志[32]等認(rèn)為最大壓應(yīng)力、開(kāi)裂應(yīng)力等作為單獨(dú)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于片面，而開(kāi)裂溫度則能夠綜合反映混凝土水化溫升、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)、自生體積變形等因素的影響。因此將開(kāi)裂溫度作為綜合指標(biāo)，將第二零應(yīng)力溫度、室溫應(yīng)力、開(kāi)裂應(yīng)力等作為輔助指標(biāo)，他們認(rèn)為這些指標(biāo)可以有效代表混凝土的真實(shí)抗裂性能。

Kovler等[33]將拉應(yīng)力的平均增長(zhǎng)速率和拉伸凈時(shí)間之比(如式(14)所示)作為評(píng)價(jià)混凝土早期抗裂性能的指標(biāo)，所求得的φ值越低，說(shuō)明抗裂性能越好。Shen等[34-35]通過(guò)這項(xiàng)指標(biāo)分別做了預(yù)濕輕集料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的早期拉伸徐變和抗裂性能的實(shí)驗(yàn)以及不同水灰比混凝土的早期拉伸徐變和抗裂性能實(shí)驗(yàn)。

(14)

式中:φ是反映開(kāi)裂可能性的綜合標(biāo)準(zhǔn)，MPa/d2；VS是開(kāi)裂時(shí)的拉應(yīng)力速率，MPa/d；tcr是指在實(shí)驗(yàn)中(開(kāi)始干燥后的時(shí)間)1 d內(nèi)的凈開(kāi)裂時(shí)間。

彭文俊[36]提出在各項(xiàng)既定指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加開(kāi)裂敏感性的計(jì)算作為評(píng)價(jià)混凝土開(kāi)裂性能的指標(biāo)之一。計(jì)算公式為：

(15)

式中:CS表示混凝土開(kāi)裂敏感性;σt表示混凝土齡期為t時(shí)的約束力，MPa;ft表示混凝土齡期為t時(shí)的抗拉強(qiáng)度，MPa。

江晨暉等[37]認(rèn)為開(kāi)裂溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果會(huì)受到試驗(yàn)邊界條件的影響。單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)很難發(fā)揮其他指標(biāo)的參考價(jià)值，且當(dāng)研究人員選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)不同時(shí)，在評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能時(shí)出現(xiàn)的結(jié)果也會(huì)存在一定差異。因此提出利用層次分析法和矩陣運(yùn)算法，運(yùn)用式(16)對(duì)各項(xiàng)抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值加以無(wú)量綱化處理，然后根據(jù)式(17)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)平均值，并將該加權(quán)平均值視為抗裂性能評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)。

mi=|pi/∑pi|×100

(16)

M=∑mi·ηi

(17)

式中：pi為各項(xiàng)抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；mi為抗裂性能指標(biāo)的無(wú)量綱值；M為抗裂性能評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)；ηi為抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值。

目前，溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)由于得到的數(shù)據(jù)較多，缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，且各個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用的溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)從設(shè)計(jì)理念到組成上都存在一定的差異，這些都會(huì)導(dǎo)致不能有效地對(duì)比不同研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，基于溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)體系尚未完全系統(tǒng)建立，針對(duì)某些指標(biāo)的研究仍存在較大不足，如開(kāi)裂應(yīng)力、零應(yīng)力溫度等缺乏系統(tǒng)的研究和嚴(yán)密的邏輯推導(dǎo)。

雖然在評(píng)價(jià)體系的規(guī)范上存在不足，但溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)是目前測(cè)量評(píng)價(jià)早齡期混凝土抗裂性能較為有效的方法。除了能夠根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性能外，還能對(duì)彈性模量、熱膨脹系數(shù)、徐變等進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和描述。隨著溫度-應(yīng)力實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的完善，將對(duì)早期混凝土開(kāi)裂的研究起到推動(dòng)作用。

對(duì)本文調(diào)研的測(cè)試方法的原理、側(cè)重點(diǎn)、表征參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)歸納，如表5所示。

表5 三種測(cè)試方法原理、側(cè)重點(diǎn)和表征參數(shù)的比較Table 5 Comparison of principle, emphasis and characterization parameters of three test methods

2 結(jié) 論

(1)平板法由于其測(cè)試方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單而應(yīng)用范圍較廣，且評(píng)價(jià)體系的建立能使得平板法定量分析混凝土早期抗裂性能成為可能。但是，平板法實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易受到試件尺寸、環(huán)境條件、測(cè)試時(shí)間等因素的影響，不利于相互比較。且約束構(gòu)件對(duì)混凝土的約束是不均勻的，不利于對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)理進(jìn)行分析。

(2)圓環(huán)法因?yàn)槠淠転榛炷撂峁┚鶆虻募s束，表征結(jié)果簡(jiǎn)單直接，被廣泛用于混凝土早期抗裂性能的定性分析中。并且研究人員針對(duì)圓環(huán)開(kāi)裂敏感性不高的問(wèn)題，提出了橢圓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置和外方內(nèi)圓偏心實(shí)驗(yàn)裝置。但圓環(huán)法制備的試件厚度是有限的，不適用于大骨料粒徑的混凝土，因此還需要更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)單軸約束法具有很高的精密性和科學(xué)性，能夠給出10余種指標(biāo)，通過(guò)對(duì)不同指標(biāo)的分析，既可以評(píng)價(jià)混凝土的早期抗裂性能，也可以分析混凝土的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、徐變等參數(shù)。但由于不同研究人員所選指標(biāo)的差異和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不同，評(píng)價(jià)結(jié)果可能存在較大不同，因此，需要建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。