摘 要: 量測了28 個商品混凝土無筋構件在360d 內的收縮變形,主要考慮了4 個參數(混凝土的齡期、混凝土抗壓強度、環境條件和構件尺寸) 對構件收縮變形的影響。回歸67 組試驗數據,首先得出了標準條件下無筋構件收縮變形隨齡期和強度變化的估算公式;其次,變化構件所處的環境條件和構件尺寸,采用多系數乘積的疊加原理,回歸得出了非標準條件下無筋構件的收縮變形估算公式,公式的計算結果與130 組試驗數據符合良好,精確度較高,可以滿足工程上的應用需要。
關鍵詞: 商品混凝土; 收縮; 變形
中圖分類號: TU 378 文獻標志碼: A 文章編號:167124431 (2007) 專輯Ⅱ20075204
近年來,商品混凝土在應用過程中,發現其構件較易出現收縮裂縫,成為混凝土結構的常見通病之一。
分析其原因,則認為是由于商品混凝土的組分較以往普通混凝土發生了較大的變化,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基礎上得出的計算公式已不再適用于商品混凝土收縮變形的計算。因此,有必要對商品混凝土的收縮變形展開進一步的試驗研究[1 ,2 ] 。
1 試驗方案
1. 1 試驗構件的設計及量測
共設計28 個無筋混凝土構件,構件均采用標準收縮構件尺寸:100 mm ×100 mm ×515 mm。構件的主要變化參數為:混凝土28 d 立方體抗壓強度、環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組分(諸如水泥用量、水灰比、骨料狀況等) 對收縮的影響一一進行試驗研究,而將其歸結為混凝土強度的影響,為此,將混凝土28 d 立方體抗壓強度作為構件的主要變化參數之一,試驗中構件的強度變化范圍為27. 5 —74. 3 MPa[3 ] ;環境條件選為構件所處的標準養護環境和自然養護環境,標準養護環境下,構件(1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6) 置于溫度為20 ℃,濕度為90 %以上的養護室內;自然養護環境下,構件(4N2 ,5N4 ,27N4和25N6) 置于室外,室外溫度變化范圍為:9 —36 ℃,相對濕度變化范圍為:9 % —100 % ,以研究構件周圍環境對收縮變形的影響;為研究混凝土收縮變形隨齡期變化的情況,對1S2 ,2S4 ,4N2 和5N4 構件分別測定其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 齡期時的收縮變形;對19S4 ,26S6 ,27N4 和25N6 構件則在1 —28 d 齡期內測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構件在試驗期內的長度變化值,然后再轉化為收縮變形值。收縮膨脹儀的標準桿長度為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,得到不同強度、不同環境條件和不同齡期的混凝土收縮數據共計130 組。
1. 2 混凝土的配合比
試驗中所用的混凝土配合比由鄭州市鑫海混凝土公司按其現用的配合比提供,各種強度等級1 m3 混凝土中各種材料的用量見表2 。
2 混凝土無筋構件收縮影響因素的分析
2. 1 混凝土齡期和抗壓強度的影響
從圖1 —圖2 中可以看出:在2 種養護環境下,混凝土在拆模后即出現收縮變形,隨著齡期的增長收縮變形也隨之增加,在早期(28 d 內) 收縮變形發展很快,此后逐漸緩和下來,90 d 后漸趨于穩定。標準養護環境下構件的360 d 收縮變形達(140 —160) ×10 - 6 ,自然養護環境下構件的360 d 收縮變形達(260 —320) ×10 - 6 ;而且在某一給定齡期,隨著混凝土抗壓強度的提高,混凝土的收縮變形也隨之增加,以圖1 為例:26S6構件(74. 3 MPa) 28 d 的收縮變形為138με,1S2 構件(27. 8 MPa) 28 d 的收縮變形為77με,2S4 (52. 0 MPa)和19S4 (41. 3 MPa) 構件28 d 的收縮變形分別為122με和94με,這是因為隨著混凝土抗壓強度的提高,其水泥用量增大,水灰比減小,使混凝土內部有更多的空間用于自由水的擴散,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 環境條件(溫度和相對濕度) 的影響
圖3 為構件1S2 和4N2 的收縮變形比較。4N2 構件所處環境的變化情況為:溫度變化為11 —33 ℃;相對濕度變化為31 % —100 %。對溫度及相對濕度變化取平均值,得出4N2 構件所處環境的平均溫度T 為20. 69 ℃,平均相對濕度R H 為68 %;1S2 構件所處環境的平均溫度T 為20 ℃,平均相對濕度R H 為95 %。
由圖中可以看出:在任一給定齡期,4N2 構件的收縮變形要大于1S2 構件的收縮變形,即隨著環境溫度的升高,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 構件與4N2 構件相比,其收縮變形曲線圖較為光滑,這是因為1S2 構件處于恒溫恒濕的環境,而4N2 構件所處環境的溫度和相對濕度一直處于不斷的變化之中,在此環境下混凝土的收縮曲線圖出現了脹縮交替的波動情況,這些波動與大氣溫度和相對濕度的波動大致對應,例如:4N2 構件90 d 的收縮變形為207 ×10 - 6 (溫度T 為31 ℃,平均相對濕度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 ℃,平均相對濕度R H 為95 %) [4 ] 。
2. 3 構件尺寸的影響
構件截面尺寸的大小對混凝土收縮有較大的影響,因為混凝土內部水分是從裸露表面蒸發散失的,在同一環境條件下,構件的截面尺寸越大,混凝土收縮則越小。國內外表示構件尺寸大小的方法很多。有的采用構件體積與表面積之比( V / S ) ;有的采用理論厚度( h0 = 構件橫截面面積/ 與大氣接觸的半周長) ;有的采用構件橫截面的水力半徑倒數值(τ= S / A , S 為橫截面周長) 。在進行詳細地比較分析之后,試驗中采用理論厚度h0 來反映構件尺寸對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 標準條件下無筋構件收縮變形的基本方程
由于影響混凝土收縮的因素眾多,其計算很難獲得精確值,只能稱作為估算。混凝土收縮的多系數估算公式,由基本方程和一系列的影響系數2 大部分組成。基本方程一般是由試驗所得的標準狀態下混凝土收縮隨時間變化的曲線回歸而成,它可能是用指數函數、雙曲線函數、對數函數、雙曲線2冪函數等表示;多系數數學表達式中的一系列影響系數也是通過試驗來確定,在確定某個影響系數時,則采用固定其它因素,變化某個因素的方法,因此,根據系數疊加原理可寫成
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,如環境濕度影響系數;構件尺寸影響系數等。
試驗中收縮變形確定的標準條件是:混凝土構件中不摻膨脹劑,其截面尺寸為100 mm ×100 mm ,養護方法為標準養護(溫度為20 ℃,相對濕度為90 %以上) 。對于符合上述標準條件的1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6構件,它們的收縮變形隨齡期的增長而增長,二者大致呈對數關系;而且在某一給定齡期隨著混凝土強度的提高,收縮變形也隨之增加,按照此收縮變形發展規律,利用試驗數據回歸得出混凝土無筋構件在標準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 立方體抗壓強度(MPa) 。
式(2) 的相關系數R = 0. 989 ,將式(1) 的計算值與1S2 、2S4 、19S4 和26S6 構件的67 組試驗數據相比,比值的平均值μ= 1. 025 ,標準差σ= 0. 142 ,變異系數δ= 0. 138 ,公式的計算結果與實測結果符合良好[5 ] 。
4 非標準條件下無筋構件收縮變形的多系數估算公式
4. 1 溫濕度影響系數
此次試驗共考慮了4 種不同的環境條件,即4N2 構件所處的環境條件:平均溫度T = 20. 7 ℃,平均相對濕度R H = 68. 1 % ,對應的標準構件為1S2 ; 5N4 構件所處的環境條件:平均溫度T = 22. 5 ℃,平均濕度R H = 64. 4 %,對應的標準構件為2S4 ; 27N4 構件所處的環境條件為: 平均溫度T = 22. 2 ℃,平均濕度R H = 73. 4 % ,對應的標準構件為19S4 ; 25N6 構件所處的環境條件為: 平均溫度T = 27. 6 ℃,平均濕度R H = 71. 4 % ,對應的標準構件為26S6 。取測試齡期內4N2 ,5N4 ,27N4 和25N6 的實測收縮變形與對應的1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6 的計算收縮變形(式(2) ) 之比的平均值作為因變量,上述對應的平均溫度和平均相對濕度為自變量,回歸出溫濕度影響系數β1
β1 = 2. 302 + 0. 088 T - 0. 034 R H (3)
式(3) 的相關系數R = 0. 994 。從式(3) 中可以得出,混凝土所處環境的溫度越高,相對濕度越低,β1 值越大。當構件所處環境為標準養護環境時,溫濕度影響系數β1≈1 。
4. 2 構件尺寸影響系數
由于試驗工作量大和試驗條件的限制,此次試驗中只做了100 mm ×100 mm 截面尺寸的構件,為此,參考中國建筑科學院于1987 年完成的“混凝土收縮與徐變的試驗研究”資料,對試驗數據進行回歸分析確定出構件尺寸影響系數β2 。
β2 = 1. 053 1 - 0. 001 3 h0 (4)
式中,h0 為構件的理論厚度。
式(4) 的相關系數R = 0. 981 。當構件截面尺寸為100 mm ×100 mm 時, h0 = 50 mm ,此時β1≈1 。
4. 3 混凝土收縮變形的多系數估算公式
在非標準條件下,混凝土的收縮變形多系數估算公式為
εsh ( t) = εsh0 ( t) ·β1 ·β2 (5)
式中各符號意義同上。對于1S2 ,2S4 ,19S4 ,26S6 ,4N2 ,5N4 ,27N4 和25N6 構件,將式(5) 的計算結果與其130 組試驗數據相比,比值的平均值μ= 1. 014 ,標準差σ= 0. 152 ,變異系數δ= 0. 149 ,由此可知:式(5) 的計算結果與實測的試驗結果符合良好,能滿足工程上的應用要求。
參考文獻
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