商品混凝土收缩变形的估算与比较试验研究.pdf

第 3 8卷第 2期 2 0 1 2年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 9 5 商品混凝土收缩变形的估算与比较试验研究 毕苏萍， 陈萌 ( 郑州大学土木工程学院， 河南 郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘 要： 从工程结构的视角， 对2 8个商品混凝土标准收缩构件的收缩变形进行了3 6 0 d的试验及理论分析研究， 提 出了商品混凝土收缩变形的多系数估算公式。估算公式中考虑了龄期、 混凝土强度、 环境温湿度及构件尺寸对收 缩的影响。将混凝土2 8 d立方体抗压强度作为一综合变量 ， 商品混凝土的收缩随抗压强度呈连续变化； 既考虑了 常规的相对湿度对收缩的影响， 也首次考虑了环境温度对收缩的影响。将本文建议公式与 A C I 2 0 9公式、 文献 5 公式各龄期自由收缩变形计算值与相应龄期的实测值进行了比较。结果表明， 本文建议的计算公式与实测结果相 接近。此外， 建议公式也与广东省洛溪大桥 昆 凝土的收缩试验结果吻合较好， 工程适用性强。 关键词： 混凝土； 收缩 ； 变形 中图分类号 ： T U 3 7 8 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 21 9 5 0 4 An e x p e r i me n t a l s t u d y o n c a l c u l a t i o n a n d c o mp a r i s o n o f s hr i n k a g e s t r a i n f o r r e a d y mi x e d c o n c r e t e BI S u p i n g， CHEN Me n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F r o m t h e p o i n t o f t h e s t r u c t u r e e n gin e e ri n g ， t h e s h ri n k a g e s t r a i n s o f 2 8 c o n c r e t e s p e c i m e n s a r e m e a s u r e d o n s e d e s 3 6 0 d a y s T h e mu l t i - c o e f fi c i e n t f o r mu l a o f s h rin k a g e s t r a i n s f o r c o n c r e t e i s g a i n e d t h e a g e ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， t h e e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n a n d t h e s p e c i me n d i me n s i o n a r e a ll a n a l y z e d i n d e t a i l I n t h e f o r mu l a ， t h e 2 8 一 d a y c o mp r e s s i v e s t r e n gth for c o n c r e t e i s r e g a r d e d a s a c o mp r e h e n s i v e v a ri a b l e， t h e s h rin k a g e s t r a i n s a r e c h a n g e d c o n t i n u a l l y w i t h t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h T h e c h a n g e s o f r e l a t i v e h u mi d i t y are c o n s i d e r e d， a n d t h e c h a n g e s o f t e mp e r a t u r e a r e c o n s i d e r e d fi rst l y A c o mp a ri s o n b e t w e e n t h e s u g g e s t e d f o r mu l a， AC I 2 0 9 f o rm u l a ， l i t e r a t u r e 5 f o rmula i s c o n d u c t e d T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e s u g g e s t e d s h ri n k a g e s t r a i n s a r e c l o s e r t o t h e e x p e ri m e n t al s t u i n k a g e s t r ain s ， a n d t h e s u g g e s t e d f o rm u l a i s als o s u i t for t h e s h ri n k a g e e x p e ri me n t al s h rin k a g e s t r a i n s o f L u o x i B r i d g e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； s h ri n k a g e ； s t r a i n 0前言 1 商品混凝- t。 - 收缩变形的估算 刖 旨 I 茼面混旋 收缩叟彤嗣佰舁 商品混凝土 的组分 ( 如水泥用量 的增 大、 外加 剂的加入等) 较 以往的普通混凝土发生了较大的变 化 ， 使其收缩变形明显增大， 易使混凝土构件出现收 缩裂缝。工程中出现的收缩裂缝 ， 虽然暂时并不影 响结构物的安全， 但它会损害建筑保温 、 防水等正常 使用功能， 并引起使用者心理上的不安； 而且从结构 物的长期使用要求来看， 它也会影响结构物的安全 性 。现有的混凝土收缩公式 已不再适用于商品混凝 土收缩的估算， 因此， 本文对商品混凝土收缩变形的 估算与 比较展开了深人 的试验分 析， 以图有效地防 止和控制工程中出现的收缩裂缝 J 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 0 - 2 6 作者简介 ： 毕苏萍( 1 9 6 5一) ， 女 ， 河南 郑州人 ， 高级工程 师 ， 主要从事 混凝土结构基本理论及计算的研究。 Ema i l ： b i s u p i n g Z Z U e d u C F I 1 1 试验方案 对 2 8个商 品混凝 土标准收缩构件 1 0 0 m m 1 0 0 mm 5 1 5 mm的收缩变形进行了试验量测。试 验的变化参数有混凝土龄期 、 混凝土 2 8 d立方体抗 压强度和环境温湿度。对 1 s 2 ， 2 S 4， 4 N 2和 5 N 4构 件分别测定其 1 d ， 2 d ， 3 d ， 5 d ， 7 d ， 1 0 d ， 1 4 d ， 2 0 d ， 2 8 d ， 4 5 d ， 6 0 d ， 9 0 d ， 1 2 0 d ， 1 5 0 d ， 1 8 0 d和 3 6 0 d 龄 期时构件的收缩变形 ； 对 1 9 S 4 ， 2 6 S 6 ， 2 7 N 4和 2 5 N 6 构件则在 1 2 8 d龄期 内测定其 每天 的收缩变形。 从结构角度出发， 将混凝土 2 8 d立方体抗压强度作 为一变化参数 ， 综合反映混凝土各个组分 ( 如用水 量 、 水泥用量、 外加剂的掺人量等) 对收缩 的影 响。 标准养护条件下构件处于 2 O ， 相对湿度为 9 0 以 上的环境中， 自然养护条件下构件置于室外， 每天记 录上午 1 0点和下午 1 5点的温度和相对湿度 ， 温度 变化范围为 9 3 6 o C， 相对湿度变化范围为 9 一 l 9 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 1 0 0 ， 见表 1 。 表 1 试验构件的设计 T a b l e 1 Th e d e s i g n o f s p e c i me n s 注 ： 构 件 n S ( N) m中各符号含义： n为构件编号 ； S为标 准养护 ； N为 自然养护 ； m为设计 台 勺 混凝 土强 裒等级 ( m=2为 C 2 0； m=4为 C 4 0； m= 6为 c 6 o ) 。 1 2 商品混凝土收缩变形的估算 商品混凝土收缩变形的估算采用多系数数学表 达式 ， 由基本方程和影响系数两大部分组成。试验 分析 中， 基本方程中考虑混凝土龄期 和 2 8 d立方体 抗压强度的影响； 影响系数考虑了环境温湿度影响 和构件尺寸影响。 1 2 1 商品混凝土收缩变形的基本方程 收缩变形的基本方程确定的标准条件为混凝土 不掺膨胀剂 ， 截面尺寸为 1 0 0 m m l O O m m， 养护方 法为标准 养 护。对 于符合 上述 标准 条件 的 1 S 2 ， 2 54 ， 1 9 54 和 2 6 S 6构件 ， 由试验结果分析可知 ： 它们 的收缩应 变随龄期 的增 长而增 长， 通过 对构 件收 缩龄期试验数据的分析 ， 得出二者大致呈对数 关系； 而且在某一给定龄期随着混凝土强度的提高 ， 收缩应变也随之增加按照此收缩应变发展规律， 以 I n ( t ) e m( t )为纵坐标 ， 混凝土 2 8 d立方体抗压强 度 为横坐标进行 回归分析 ， 结果如图 1 所示。由 图中线性关系可转化为如下公式 ： ， 一 一 l ! ) 一一 ( ) 一 0 0 5 5 70 0 0 0 5 f o 一0 0 0 0 5 ( 1 1 1 4一 ) ( 1 ) 式中 龄期( d ) ； 混凝土 2 8 d立方体抗压强度( M P a ) ； 。 m( t ) 标准条件下混凝土的 自由收缩应变。 2 U 4 0 6 U U M P a 图 1 1 5 2 ， 2 5 4 ， 1 9 S 4和 2 6 5 6构件的 l n ( t ) h 0 ( t ) 与 回归结果 F i g 1 T h e r e g r e s s r e s u l t b e t w e e n I n ( t ) e Il 0 ( t ) a n d f o r s p e c i me n s ( 1 S 2 ， 2 5 4 ， 1 9 S 4 a n d 2 6 S 6 ) 在此基础上， 以( 1 ) 式中的 l n ( ) ( 1 1 1 4一 ) 为横坐标 ， 混凝土 自由收缩应变 s 。 。 ( t ) 为纵坐标进 行 回归分析 ， 得出商 品混凝土收缩应变的基本方程 ( 2 ) 式 ， ( 2 ) 式的回归平方和为 0 8 8 9 8 ， 即 1 n，f 、 0( )= 2 2 6 5+1 3 9 7 9 ( 2 ) 1 1 -r c u 对于 1 s 2 ， 2 54 ， 1 9 54 和 2 6 S 6构件， 将 ( 2) 式计 算值与其 6 7组试验数据相 比， 比值 的平均值 = 1 0 2 5 ， 标准差 =0 1 4 2 ， 变异 系数 6= 0 1 3 8 ， 公式 的计算结果与实测收缩变形符合 良好 。 1 2 2商品混凝土收缩变形的多系数数 学估算公式 根据系数 累积原理 ， 商品混凝土收缩变形的估 算可写成： ( )= l1 0 ( t ) 3 1 2 ( 3 ) 式中 ， 卢 ， ， 分别表示 各种影 响 因素 的系 数 ， 如环境湿度影响系数、 构件尺寸影响系数等 。 上述各影响系数均通过试验来确定 ， 在确定某 个影响系数时， 则采用固定其它因素， 变化某个因素 的方法 。此次试验研究中考虑了环境温湿度影响系 数 和构件尺寸影响系数 卢 。 1 ) 环境温湿度影响系数 商品混凝土收缩构件 4 N 2 ， 5 N 4， 2 7 N 4和 2 5 N 6 置于自然环境中， 它们所处的温湿度分别为( 4 N 2 ： 平均温度 T=2 0 7 ， 平均相对湿度 R H=6 8 1 ； 5 N 4： 平均 温 度 T=2 2 5 ， 平 均 相对 湿 度 R H = 6 4 4 ； 2 7 N 4： 平均温度 T=2 2 2 ， 平 均相对湿 度 R H= 7 3 4 ； 2 5 N 6 ： 平均温度 T= 2 7 6 ， 平均相对 湿度 R H =7 1 4 ) 。以龄期 为横坐标 ， 4 N 2 ， 5 N 4 ， 2 7 N 4和 2 5 N 6的收缩应变与相应的 1 5 2 ， 2 5 4， 1 9 54 和 2 6 5 6收缩应变之 比为纵坐标 ， 可得到环境 条件 ( 温度和湿度 ) 对收缩应 变的影响关 系， 如 图 2所 示 。从图中可以看出： 当混凝土龄期超过 2 8 d以后 ， 收缩应变之比趋于稳定 ， 不随龄期的增长而变化。 平 均温度 2 O 7 平均湿度6 8 1 平 均温度 2 2 5 平均湿度6 4 4 平均温度2 2 2 平 均湿 度7 3 -4 平均温 度2 7 6 平均湿 度7 1 4 图2 环境条件对自由收缩应变的影响 Fi g 2 The i nflue nc e o f e nv i r on m e nt a l c o ndi t i on t o t he f r e e s hr i n ka g e s t r ai n 取澳 4 试 龄期 内4 N 2 ， 5 N 4 ， 2 7 N 4和 2 5 N 6的实测 2 0 1 2 N o 2 毕苏萍， 等： 商品混凝土收缩变形的估算与比较试验研究 1 9 7 收缩应变与对应的 1 S 2 ， 2 S 4 ， 1 9 S 4和2 6 S 6的计算收 缩应变( 式( 2 ) ) 之比的平均值作为因变量， 上述对 应的平均温度和平均相对湿度为 自变量 ， 回归 出温 湿度影响系数 ： 3 1=1 9 7 7 8+0 0 8 4 5 T一0 0 2 8 2 R H ( 4 ) 公式( 4 ) 的回归平方和为 0 9 7 5 。从式( 4 ) 中可 以得出， 混凝 土所处环境 的温度 越高， 相对湿度 越 低， |8 值越大。当构件所处环境为标准养护环境 时， 温湿度影响系数 1 。 2 ) 构件尺寸影响系数 试验中采用理论厚度 h 。(h 。=构件横截面面 积 与大气接触 的半周长 =2 A u ， A 为截面积 ， u 为周长 ) 来反 映构件尺寸对 混凝 土收缩 变形 的影 响。参考相关资料， 回归分析确定出构件尺寸影响 系数 ： 2=1 0 5 3 10 0 0 1 3 h 0 ( 5 ) 公式( 5 ) 的相关系数为 0 9 8 9 9 ， 回归精度较高 ， 可以满足工程上 的应用要求。当构件截面尺寸 为 1 0 0 m m1 0 0 m m时 ， h 0= 5 0 m m， 此时 ， 2 1 。 由上述( 2 )一( 5 ) 式 ， 得出商品混凝土在非标准 条件下的收缩变形估算公式： h( t )= s h 0 ( t ) 3 l 2 = ( 2 2 6 5+1 3 9 7 9 ) 3 1 2 ( 6 ) 式中占 幽 ( t ) 非标准条件下任意龄期 t ( d ) 的商 品混凝土收缩变形 ； 。( t ) 标 准条 件下 混凝 土收 缩基 本 方 程 ， 即( 2 ) 式 ； f 龄期( d ) ； 混 凝 土 2 8 d立 方 体 抗 压 强 度 ( MP a ) ； 温湿 度影 响系数 ， 1=1 9 7 7 8+ 0 08 4 5T一0 02 8 2 RH ； 卢 ： 构件尺寸影响系数 ， ：1 0 5 3 1 0 0 01 3h 0 。 对于表 1中的试验构件， 将( 6 ) 式的计算结果 与其 1 3 0组试验数据相 比， 比值 的平均值 = 1 0 0 6， 标准差 =0 1 4 9 ， 变 异系 数 6 =0 1 4 8 ， 式 ( 6 ) 的计算结果与实测结果符合 良好 ， 能满 足工程 上的应用要求 。 2 常用收缩公式的比较分析 将本 文 建 议 公 式 ( 6 )式 、 A C I 2 0 9委 员 会 公 式、 文献 5 公式的计算结果分别与试验的实测 结果进行了比较分析， 以期寻求一种更高准确度的 估算方法。 图 3给出了 1 S 2构件的实测收缩变形与 A C I 公 式、 文献 5 公式、 本文建议公式计算结果的 比较 。 将试验构件的实测收缩变形与上述公式一一进行 比 较 ， 得出： 本文建议公式计算出的各龄期收缩变形与 相应的实测结果较为接近， 计算精度较高； 当混凝土 龄期小于4 5 d 时， 文献 5 公式计算出的各龄期收 缩变形均小于相应 的实测结果 ， 当混凝土龄期大于 4 5 d时 ， 文献 5 公式计算出的各龄期收缩变形均 明显大于相应的实测结果 ， 这主要与其采用的指数 形式基本方程有关。A C I 公式计算出的各龄期收缩 变形与标准养护环境下构件的实测结果吻合较好， 但与自然养护环境下构件的实测结果相差较大 ， 计 算结果明显大于相应的实测结果， 分析其原因， 主要 是由于公式中的环境湿度系数取值较高， 且又未考 虑环境 中温度影响的缘故。 图3 1 s 2构件各公式计算值与实测值的比较 Fi g 3 The c o mpar i s on be t we e n c al c ul a t i on s t r a i ns a n d e x p e r i m e n t a l s t r a i n s o f 1 S 2 3 本 文公式 与洛 溪大 桥 收 缩试 验 数 据 的比较 考虑地域差别 ， 增加本文建议收缩 公式 ( 6 ) 的 适用性 ， 将广东省洛溪大桥混凝土 的收缩试验结果 与该式的计算结果进行了分析 比较。 洛溪大桥的科研人员对两种类型混凝土( 泵送 混凝土和非泵送混凝土) 进行了为期 3年 的收缩试 验研究 。其 中， 泵送混 凝土每 立方 米水泥 用量 为 4 6 0 k g ， 水 泥 ： 水 ： 砂 ： 碎石 ( 重 量 比) 为 ： 1 ： 0 3 8 ： 1 6 5 7 ： 2 2 8 9， 掺 F D N高效减水剂 ， 掺量为水泥重量 的 0 6 ， 混 凝 土 2 8 d立方 体 抗 压 强 度 为 6 0 1 MP a ； 非泵送混凝土每立方米水泥用量为 4 2 0 k g ， 水 泥： 水 ： 砂 ： 碎石 ( 重量 比) 为： 1 ： 0 3 5 ： 1 7 0 4： 2 7 7 9 9 ， 掺 F D N高 效减 水剂 ， 掺 量 为水 泥重 量 的 0 6 ， 混凝土 2 8 d立方体抗压强度为 6 1 8 MP a 。 混凝土收缩构件采 用标准收缩构 件尺寸 ： 1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 1 5 m m， 构件成型拆模后 ， 在标准养 护室养护 3 d ， 再移入恒温恒湿室测定其初始长度 ， 1 9 8 四川建筑科学研究 第 3 8 卷 此后 ， 按规定时间测定其应变值。 3 1 非泵送混凝土收缩变形估算 图 4给出了洛溪大桥非泵送混凝土构件 I 51 9 3的收缩试验值与( 6 ) 式计算值的比较， 从中可看 出， I 5 1 9 3构件的收缩实测值与( 6 ) 式的计算值吻 合较好。构件 I 5 1 9 3 收缩变形计算值与实测值之 比的平均值 = 1 O 8 ， 标准差 = 0 1 4 ( 试验样本数 为 =1 0 ) 。因此， 可将 ( 6 ) 式应用于非泵送混凝土 收缩应变的估算， 公式计算精度较高。 5O 0 40 。 ：3 00 警2 0 0 萋1 o 0 0 图4 非泵送混凝土构件 L 5 1 9 3的收缩 试验结果与( 6 ) 式计算值的比较 Fi g 4 Th e c o mp a r i s o n b e t we e n c a l c u l a t i o n s t r a i n s a n d e x p e r i me n t a l s t r a i n s o f L5 1 93 3 2 泵送混凝土收缩变形估算 图 5给出了洛溪大桥泵送混凝土构件 L 5 1 33 的收缩试 验值与 ( 6 ) 式计算值 的比较。从 中可看 出， L 5 1 3 3构件的计算值与实测值之比的平均值 =0 6 8 ( 比值的变化范围为： 0 6 3 0 7 2 ) ， 标准差 = 0 3 0 ( 试验样本数为 n=1 0 ) 。为此， 将 ( 6 ) 式乘 以系数 0 6 8 予以修正， 修正之后， 构件计算值与实 测值之 比的平均值 =1 0 0 ， 标准差 =0 0 4 ( 试验 样本数为 ：1 0 ) ， 修正后的( 6 ) 式仍可应用于泵送 混凝土收缩变形的估算， 公式计算精度较高， 结果如 图 6所示 。 L 5 1 3 3 构件 ( 6 1 8 MP a ) 实测 收缩应变 计算收缩应变 图5 泵送混凝土构件 I 51 3 3的收缩试验 结果与( 6 ) 式计算值的比较 F i g 5 T h e c o m p a r i s o n b e t we e n c a l c ul a t i o n s t r a i n s an d e x pe r i m e n t a l s t r ai ns o f1 - 51 33 图 6 泵送混凝土构件 L 5 1 3 3的收缩试验 结果与( 6 ) 式修正后计算值的比较 F i g 6 Th e c o mp a r i s o n b e t we e n mo d i fi e d c a l c u l a t i o n s tra i ns a n d e x p e r i me n t a l s t r a i n s o f L5 1 33 4 结 论 1 ) 对 2 8个素商品混凝 土标准收缩构件进行了 收缩变形的试验研究， 将所有构件的收缩应变检测 提前至拆模之 日， 此后一直持续到3 6 0 d龄期， 提出 了非标准条件下混凝土 自由干缩应变的估算 公式 ( 6 ) 式， 公式的计算值与上述构件的 1 3 0组试验数 据吻合良好。( 6 ) 式中混凝土龄期、 混凝土抗压强 度、 环境温湿度影响系数和构件尺寸影响系数具有 连续性 、 运算简便的特点 ， 适用于工程中商 品混凝土 收缩应变的估算。 2 ) 将本文建议式( 6 ) 、 A C I 2 0 9公式、 文献 5 公 式各龄期收缩变形计算值与相应龄期的实测值进行 了比 较。结果表明， 本文建议的计算公式计算精度 较高。此外 ， 建议公式也与广东省洛溪大桥混凝土 的收缩试验结果吻合较好 ， 工程适用性强。由此表 明， 本文提出的计算公式 ， 既是对这一学科分支 的补 充和完善 ， 同时也具有一定 的学术价值及工程适用 性 。 参 考 文 献 ： 1 昆建华 现浇混 凝土楼板裂缝控 制工程 实例 M 钢筋混 凝 土裂缝控制指南 北京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 2 陈萌 混凝土结构收缩裂缝的机理分析与控制 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 6 3 汪荣鑫 数理统计 M 西安： 西安交通大学出版社， 1 9 9 6 ： 4 - 8 4 Z d e n 6 k ， B a z a n t P P r e d i c t i o n o f c o n c r e t e c r e e p a n d s h ri n k a g e ： p a s t ， p r e s e n t a n d f u t u r e J N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n ， 2 0 01 ， 2 0 3： 2 7 - 3 8 5 王铁梦 钢筋混凝土结构的裂缝控制 J 安徽建筑， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 】 O一 1 3