体表比对混凝土开裂风险的影响研究.pdf

2 0 1 1年 第 3期 (总 第2 5 7 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 11 ( T o t a l No 2 5 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNOL OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 4 2 体表比对混凝土开裂风险的影响研究 胡兵 ，刘加平 2 , 3 1刘建忠 s ( 1 宿迁市建设工程质量检测中心有限公司，江苏 宿迁 2 2 3 8 0 0 ；2 南京工业大学，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 3 江苏省建筑科学研 究院，江苏 南 京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 研究 了体表 比对混凝土干燥收缩的影 响以及混凝土轴向抗拉强度和弹性模 量与龄期的关 系， 建立 了混凝土收缩预测公式 ， 计算 了混凝土内部收缩应力， 评价了体表比对混凝土开裂风险的影响。结果表明： 混凝土轴向抗拉强度和弹性模量与龄期均成双曲线关系， 且 相关性较高。随着试件体表比的降低， 混凝土的干燥收缩值增加， 内部收缩应力增大， 其开裂风险提高。 关键词 ： 体表 比；于燥 收缩 ；收缩应力 ；开裂风险 中图分类号： T U 5 2 8 ( ) 1 文献标 志码 i A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 1 3 3 0 3 St ud y on e ffec t o f vo l u m e -s u r f a c e a r e a r a t i o on t he c r ac ki ng r i s k of c on c r e t e HU Bi n g ， Ln：J i a - p i n g。 一 ， L1 U J i a n - z h o n g ( 1 S u q i a nCo n s t r u c ti o nE n g i n e e r Q u a l i tyE x a mi n eC e n t e r C o ， L t d ， S u q i a n 2 2 3 8 0 0 ， C h i n a ； 2 Na n j i n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y Na n j i n g2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ； 3 J i a n g s uI n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e ， Na n j i n g2 1 0 0 0 8 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ：Effe c t o f v o l u m e - s u r f a c e a r e a ratio o n t h e d r y i n g s h r i n k a g e， the r e l a t i o n s h i p b e t we e n a x i a l t e n s i l e s t r e n g th a n d e l a s ti c m o d u l u s o f c o n c r e t e a n d a g e s we r e s tudi e d Th e i n t e rn a l s h rin ka g e s t r e s s o f c o n c r e t e wa s c a l c u l a t e d， a n d e ffe c t o f v o l u me s u r f a c e a r e a r a t i o o n th e c r a c ki n g r i s k o f c o n c r e t e wa s e v a l u a t e dRe s u l t s s h o we d t h a t the r e l a t i o n s h i p s b e tw e e n a x i a 1 t e n s i l e s t r e n g t h an d e l a s t i c mo d u l u s of c o n c r e t e a n d a g e we r e h y p e r b o l i c f u n c t i o n wi t h t h e h i【g h c o r r e l a t i o n W i t h t h e v o l u me s u r f a c e a r e a r a t i o o f s p e c i m e n d e c r e a s e d， t h e d r y i n g s h r i n ka g e ， t h e i n t e rna l s h r i n k a g e s t r e s s an d t h e c r a c ki n g r i s k o f c o n c r e t e i n c r e a s e d Ke y w or ds ： vo l ume s u r f a c e a r e a r a t i o； y ing s h r i nk a g e； s h r i n k a g e s tr e s s ； c r a c k i n g ris k 0 引言 表比 混凝土的 开裂 风险 进行了 评估， 为 工程实 践提 供理论 指导。 由于箱形截面具有较大刚度和抗扭眭能， 而且能够适应现代 化施工方法的要求， 所以在连续刚构桥中得到广泛的应用_ l _ 。 然而， 近年来调查发现 ， 在简支梁桥、 大跨度连续梁及预应力 连续刚构桥箱梁的底板上存在沿预应力束方向的纵向裂缝3 。 中交公路规划设计院曾对我国建成的部分大跨径桥梁预应力 混凝土箱梁进行 了调查 ， 结果表 明 ： 预应力混凝土箱梁存在 的 突出问题是开裂。 预应力? 昆 凝土箱形梁是典型的空间薄壁结构， 具有薄壁效应 ， 近年来， 此类箱梁腹板、 底板产生裂缝的事例 时有发生4 。 薄壁结构混凝土的表面积与体积之比要比大坝等 大体积混凝土大得多， 并且水分散发速度和散发量相对快和大， 干缩变形突出。国内关于箱梁开裂的现象 ， 做了大量的研究工 作， 但是关于箱梁薄壁结构的体表比对混凝土开裂风险的影响研 究鲜有报道 。 本文研究了试件体表 比对混凝土干燥收缩的影响以及混凝 土轴向抗拉强度与弹性模量随龄期的变化规律， 建立了混凝土 1 试 验 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥 ： P O4 2 5 级水泥 ， 化学组成见表 1 。 表 1 水泥的化学组成 ( 2 ) 粉煤灰： 谏壁电厂生产的I 级粉煤灰， 其化学组成见表 2 。 表 2粉煤灰的化学组成 ( 3 ) 集料： 细集料， 细度模数为2 6的中砂； 粗集料为5 - 1 0 m ff l 和 1 0 2 0 n a l l l 的碎石。 ( 4 ) 减水剂： 江苏博特新材料有限公司生产的 P C A( I ) 型聚 羧酸减水剂。 1 2西 己 合 比 收缩变形预测公式， 计算了混凝土内部收缩应力， 最终对不同体 混凝土的配合比设计见表 3 。 表 3混凝土配合 比 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 2 4 基金项目： 江苏省泰州大桥工程项目 1 3 3 1 3试 验 方 法 ( 1 ) 不同体表比混凝土试件的设计： 将试件成型成 3 种厚度， 其尺寸规格分别为 ： 7 5 mmx l 5 0 mmx 5 5 0 mm、 1 0 0 m mx l 5 0 i n r n x 5 5 0 m m和 1 5 0 m m 1 5 0 mmx 5 5 0 mm， 其体表比分别为： 2 3 、 2 8 、 3 3 mi n 。体表比表示试件的体积与表面积的比值， 用 V S表示。 ( 2 ) 混凝土干燥收缩的测试： 按照 G B J 8 2 8 5 普通混凝土 长期性能和耐久性试验方法 的方法测试。 ( 3 ) 混凝土轴向抗拉强度与弹 搬的测试： 参照T J T 2 7 0 - - 9 8 水运工程混凝土试验规程 的方法测试。 2 试验结果与分析 2 1 体表比对混凝土干燥收缩的影响 研究了体表比对混凝土干燥收缩的影响， 所得结果见图 1 。 宝 理 婚 【上 龄 期 ， d 图 1 体表 比对混凝土干燥收缩的影 响 从图 l 可以看出， 混凝土干燥收缩值随着试件体表比的减少 而增大。在 1 4 d时， 体表比为2 3 、 2 8 、 3 3 mm的试件收缩值分别 为2 0 2 x l ff 6 、 1 8 0 x l O 、 1 6 4 x 1 0 4 ； 2 8 d时， 其收缩值分别为 2 6 0 x 1 0 、 2 3 4 x 1 0 , 2 l O x l O ； 到 1 8 0 d时， 其收缩值分别为 3 5 6 x 1 0 , 3 4 5 x l 0 、 3 2 1 x l O ； 因此， 混凝土的收缩值随着试件体表比的变化而 显著变化。 混凝土脱水干燥始发于裸露表面， 愈深入内部， 脱水愈 慢。混凝土由表及里各个层次的脱水程度不同 ， 影响到各个层次 的干缩潜力不同， 导致细薄截面杆件干缩值大于厚大截面杆件 干缩值 。 2 2 混凝土收缩预测公式的建立 ( 1 ) 收缩预测公式形式 的提出。 借鉴 AC I 的混凝土收缩数学 表达式【 5 ， 为了建立考虑体表 比的混凝土 收缩预测公式 ， 提 出表 达式( 1 ) 。 8 sl1 ( t ) = 一 d s “ ( 1 ) A + t 式 中： 8 sh ( ) 混凝土龄期时的干燥收缩值 ； 混凝土最终收缩值； d 混凝土体表比影响系数； f 混凝土开始 干燥 的时间 ， d ； A 与混凝土收缩发展趋势相关的系数。 ( 2 ) 预测公式的建立。 假定不同体表比混凝土的收缩发展趋 势相同， 而体表比仅仅影响混凝土的收缩终值。 根据该方法， 采 用双曲线 函数对 1 5 0 mmx 1 5 0 mmx 5 5 0 r i i !q 试件 的变形进行拟 合 ， 建立基本方程 y = 3 4 4 2 d x ，确定影响系数 d为 1 ， 然后以方 l O j+ 程 y = 对其他两个试件的收缩变形规律进行拟合， 得到 lO j+ 相应的影响系数 d ， 所得结果分别见图 2 ( a ) 、 ( b ) 和( c ) 。 体表比 3 3 、 2 8 、 2 3 m l n的体表比影响系数分别为： 1 0 0、 1 0 9 、 1 1 5 6 。 1 3 4 35O 30 0 25 0 趔 2 0 0 姆 1 5 0 l O 0 5 0 里 、 j鹰 2 j 磐 婷 0 20 4 0 60 80 1 0O 12 O 1 4 0 l 60 l 80 200 龄期 ， d ( a 1 体 表比为3 3 mm 的混凝 土收缩 变化规律 龄期 ， d f b 1 体 表 比为2 8 mm的混 凝土 收缩变化规 律 龄期 ， d ( c ) 体表 比为2 3 mm 试 件的混 凝土收缩 变化规 律 图 2不同体表 比试件的收缩变化 为了最终提出考虑体表比的混凝土收缩变形规律， 所以研 究了体表比与其影响系数的关系， 所得结果见图 3 。 籁 善 体 表 比 ram 图 3混凝土体表比与其影响系数的关系 因此 ， 从 以上研究可以得到 昆 凝土的收缩预测公式， 见式( 2 ) 。 s s h ( ) = 6 。 e _ l ( 2 ) 式中 ： s ( f ) 混凝土龄期 t 时的收缩值 ； 混凝土的体表比， 即体积与表面积的比值， mm； 混凝土开始干燥的时间， d ； s 体表 比为 3 3 m m混凝土干燥收缩终值 ， 取值为 3 4 4 2 xl O 2 3 混凝土的拉伸力学性能 采用双曲线函数对 3 、 7 、 2 8 、 6 0 d 龄期的混凝土弹性模量和 轴向抗拉强度与龄期的关系进行拟合， 所得结果见表 4 。 表 4 弹性模量和轴 向抗拉强度的拟合结果 注 ： 函数形式 y ( f ) = _ l 一 。 A+t 2 4 不同体表比混凝土的内部收缩应力 混凝土内部收缩应力值的计算符合以下关系： o - ( t ) 钮 ( ) s ( ) ( 3 ) 式中 ： s ( ) 龄期 t 时 的弹性拉应变 ； ( ) 龄期 t 时的弹性拉应力 ； E ( t ) 龄期 t 时的弹性模量。 在进行应力计算时， 首先假定混凝土处于完全约束条件下， 将混凝土的弹性拉应变等于混凝土的收缩变形， 用收缩变形值 日 皇 、 婿 4 5 4 O 3 5 1 0 0 5 O 龄 期 ， d 图 4 不 同体表比混凝土的内部收缩应力值 乘以弹性模量便得到混凝土的弹性拉应力。 再将弹性拉应力乘 以应力松弛系数便得到混凝土的内部实际收缩应力， 所得结果 见图 4 。 关于应力松弛系数的取值， 王铁梦嘲 提出了考虑材料徐变 的简便计算方法，并给出了一般条件下的应力松弛系数表， 其 相应值见表 5 。 表 5 混凝土不 同龄期的应力松弛 系数 2 5 体表 比对混凝土开裂风险的影响 对于混凝土开裂风险的评定 ， 赵顺增等7 1 提出用干燥收缩 开裂概率来评定。干燥收缩开裂概率 C表示为： c = 二 x 1 0 0 ( 4 ) 式中： c 混凝土干燥收缩开裂概率， c( 0 ， 1 0 0 ) ； 当 c 4 0 时， 为低开裂风险状态； 当4 0 c 6 0 时， 为中等开裂风险状态； 当i6 0 时， 为高开裂风险状态； 混凝土中的内应力， 膨胀受压取正值 ， 收缩受拉取 负值 ， MP a ； 混凝土适时轴心抗拉强度， MP a 。 评价了体表比为 1 5 0 、 3 3 、 2 8 、 2 3 mm的混凝土开裂风险， 所 得结果见图 5 。 4 5 4 O 3 5 3 蓦 2 2 嫖 1 1 O 0 5 十V S = 2 3 m it t ，收 缩应力 MP a +V S = 2 8 m i ll ， 收缩 应力 MP a 1 一 V S = 3 3 m i D ，收 缩应力 MP a 十抗拉 强度 MP a +V S =I 5 0mm， 收缩应 力 MP a 0 2 0 4 0 6 O 8 0 1 O 0 1 2 0 l 4 0 l 6 O l 8 0 2 0 0 龄期 d 图 5 不 同体表比混凝土开裂风险评定 从图5可以看出： 在6 0 d龄期时， 体表比为2 3 、 2 8 、 3 3 、 1 5 0 m n 的混凝土干燥收缩开裂概率 C分别为： 1 0 0 、 9 3 3 、 8 4 4 、 1 5 5 。因此， 随着试件体表比的降低 ， 其内部收缩应力增大， 其 开裂风险提高。因此， 试件体表比影响混凝土的开裂风险， 对于 薄壁结构混凝土来说 ， 其体表比较小， 内部收缩应力较大， 所以 其开裂风险较高 。 3结 论 ( 1 ) 随着混凝土试件体表比的降低， 其干燥收缩值提高； 体 表比与其影响系数成指数函数关系， 且相关性较高。 ( 2 ) 混凝土轴向抗拉强度和弹性模量与龄期均成双曲线关 系 ， 且相关性较高。 ( 3 ) 随着混凝土试件体表比的降低， 其内部收缩应力增大， 其开裂风险提高； 对于薄壁结构混凝土来说， 其体表比较小， 内 部收缩应力较大 ， 其开裂风险较高。 参考文献 ： 【 1 】 赵云武， 朱世峰， 吴海军， 等 薄壁箱梁沿底板预应力钢束纵向开裂 分析f J 施工技术， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 6 ) ： 3 8 2 3 8 6 【 2 】李志国， 任伟平 大跨度连续刚构桥跨中底板裂纹成因分析 J 】 工程 结构， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 3 ) ： 8 5 8 6 3 李俊， 李小珍， 卫星， 等连续刚构桥底板纵向裂纹原因分析们公路， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 1 - 5 【 4 徐栋 ， 孙远， 吴佳璞 箱梁薄壁效应及腹板开裂成因分析J 】 _ 桥梁建 设 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 7 6 7 9 5 A C I C o m mi t t e e s 2 0 9 A C I 2 0 9 R - - 9 2 P r e d i c t i o n o f c r e e p ， s h ri n k a g e a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s O I 1 c o n c r e t e s t r u c t u r e R D e t r o i t ： A C I ， 1 9 9 7 6 】 王铁梦 工程结构裂缝与控制 M E 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 7 赵 页 增， 刘立 混凝土干燥收缩开裂评价及其试验新方法【 J 工程质 量 2 0 0 8 ( 2 ) ： 3 4 3 8 作者 简介： 联 系地址 联系电话 ： 胡兵( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事混凝土的收缩与 抗裂性能研究。 江苏省宿迁市洪泽湖路 1 4 0 号 宿迁市建设工程质量检测 中心有限公司( 2 2 3 8 0 0 ) 1 3 81 5 7 8 4 7 73 1 35