石灰岩质机制砂混凝土收缩徐变试验研究.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C EME NT P RODUC 2 0 1 3 N o 1 J a n u a r y 石灰岩质机制砂混凝土收缩徐变试验研究 徐以艳， 张耀庭， 郑 怡 ( 华 中科技大学土木工程与力学学 院， 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 进行 了石灰 岩质 机制砂的主要 材性及配合 比试验 ， 并在 自然环境下 ， 对石灰 岩质机制砂 混凝土 梁进行 了收缩、 徐 变试验 ， 根据 实测数据 ， 拟合 出机 制砂的收缩、 徐 变时程关 系表 达式 ； 并将其 与国 内外几种常用的收缩 、 徐 变模 式进 行 了对比分析。结果表 明 ， 配 筋率对混凝 土收缩应变和徐 变挠度 系数有一定程度 的影响 ； A CI 一 2 0 9及 本文 拟合 的公 式 与 试 验 结 果 更 为接 近 。 关键 词 ： 机制砂混凝 土； 收缩徐 变； 试验研 究 Ab s t r a c t ：， I 1 l e ma t e ri a l p r o p e r t i e s a n d mi x p r o p o r t i o n e x p e rime n t s o f t h e l i me s t o n e me c h a n i s m s a n d c o n c r e t e a r e c a r r i e d o u t An d u n d e r t h e n a t u r a l e n v i r o n me n t ， t h e s h rin k a g e a n d c r e e p t e s t s o f t h e l i me s t o n e me c h a n i s m s a n d c o n c r e t e b e a ms a r e p r o c e s s e d Ac c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l d a t a ， t h e s h rin k a g e a n d c r e e p r e l a t i o n a l e x p r e s s i o n s a r e fi t t e d o u t ， a n d s e v e r al e x i s t i n g p r e d i c t i o n mo d e l s o f c r e e p a n d s h ri n k a g e a r e c o mp a red a n d a n a l y z e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e i n f o r c e me n t r a t i o h a s a c e rta i n d e g r e e o f i n f l u e n c e o n t h e c o n c r e t e s h rin k a g e s t r a i n a n d c r e e p c o e ff i c i e n t ，a n d t he AC I 一 2 0 9 mo d e l a n d t h i s p a p e r S fi t t i n g f o r mu l a a r e b e t t e r c l o s e t o t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s Ke y wo r d s ：Me c h a n i s m s a n d c o n c r e t e ； S h ri n k a g e an d c r e e p ； E x p e ri me n t a l s t u d y 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 1 1 一 O 5 O前 言 混凝土 的收缩徐变及其影 响是大跨度预应 力 混凝土桥梁设计施工 中不容忽视的问题 。近年来 ， 一 些大跨度 的桥梁结构在运营一段时间后 ， 都不 同 程度地出现 了跨 中挠度过大或截面开裂等问题 ， 并 且 ， 随着时间的延续 ， 挠度和裂缝均有增大的趋 势。 显然 ， 收缩和徐变是产生上述现象的一个不容忽视 的原因。工程 中能否合理地考虑混凝土结构收缩徐 变的设计 ， 其重要的环节是如何合理地选择或建立 混凝 土的收缩徐变预测 ( 或计算 ) 模型 。为此 ， 国内 外学者很早就对普通混凝土的 收缩徐变性 能进 行 了研究 ， 并得到了很多有关混凝土收缩徐变 的预测 模型或经验公式 1 卅， 为混凝土结构长期性能的分析 奠定 了良好 的基础。但是 ， 由于大多数 的试验通常 是在试验室标准条件下对素混凝土开展 的 ，并且 ， 其 主要研究对象为普通砂石料混凝土 ， 因而现今所 得到的混凝土的收缩徐变规律 ， 其普遍性和适 用性 受到了使用条件的限制。 在我 国贵州等西南地 区 ， 由于河砂等砂资源相 对匮乏 ， 机制砂 已成为工程中的首选 。迄今为止 ， 已 有一定量 的国内外学者 ， 开展有关机制砂的性 能研 究 。然而 ， 有关机制砂混凝土收缩徐变的研究 5 - 1 2 还 很少 ， 还没有专门适用于机制砂混凝土收缩徐变的 预测模型。现有的混凝土收缩徐变预测模型能否适 用于机制砂混凝土 ， 是一个值得研究的问题 。因而 ， 有必要对机制砂混凝土 的收缩徐变性 能进行 深入 研究 ， 为此 ， 本文将结合 贵州省北盘 江特大桥 等实 际工程 的需要 ，对石灰岩质机制砂混凝土进行 收 缩 、 徐 变试验 ， 通过对试验结果 的分析与比较 ， 找出 适合于石灰岩质机制砂混凝 土收缩 、 徐变 的预测分 析模型 ， 以期为工程实际提供一定 的理论与参 考依 据 。 1 试验方案设计 试验 以“ 水盘高速公路北盘江大桥关键技术研 究” 项 目为依据 ， 以贵州石灰岩质机制砂为原料 ， 在 华中科技大学试验室进行 了收缩徐变试验 ， 目的是 找出一种适合贵州石灰岩质机制砂混凝土的模型。 试验按 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和 耐久性能试验方法标准 进行设计 。 1 1 原材料性能及混凝土配合比试验 在混凝土材料方面 ， 对机制砂分别进行 了筛分 试验 、 表观密度 、 堆积密度 、 孔 隙率 、 石粉含量 等试 验 ， 结果见表 1 ； 对粗集料进行 了筛分试验 ； 对水泥 进行 了密度 、 比表面积 、 强度等测试 ， 结果见表 2 ； 进 行了混凝土配合 比设计 ， 结果见表 3 ； 对混凝土进行 了弹性模量试验 ， 结果见表 4 。 l - 2 混凝土试验梁 的设计 ( 1 ) 试件设计 一 1 1 徐以艳 ， 张耀庭 ， 郑 怡 石灰岩质机制砂混凝土收缩徐变试验研究 l 0 0 8 0 6 0 赠4 0 20 O ， U 5 0 1 0 0 1 5 0 2 o o 龄期， d 图 5 环境温湿度 测试值 线膨胀系数 的差值 ， 对于梁 4 ， A t x = 4 x l 0 ， 对于梁 6 ， A a = 2 7 3 x 1 0 ， 这两个收缩梁得 出的结果不 同， 可能 是其配筋率不同所导致的。按此值修正图 6中混凝 土的收缩值 ， 结果见图 7 。 O 5 O 1 O 0 l 5 O 2 【 J ( ) 龄期， d 图 7 修正后对 比小梁 的收缩值 由图 7可知 ， 1 0 0 d之前梁 4的收缩应变大于梁 6的收缩应变值 ， 1 0 0 d以后梁 6的收缩应变值大 于 梁 4的收缩应变值 。由此可知 ， 在前期配筋率小 的 梁 收缩应 变值大 ，配筋率 大的梁 收缩应变值 小 。 1 0 0 d之后梁 6的收缩应变值一直增大 ， 而梁 4的收 缩应变值是减小的趋势 ， 可 以初步断定后期试验数 据有误差 ， 在后面分析中不予采用 。 2 1 2 常用收缩计算模型与收缩实测值对 比分析 本 文选取 常用 的 A C I 一 2 0 9模 型 、 C E B F I P模 型 、 B 3模型 、 G L 2 0 0 0模型等四个关于收缩的计算模 型 ， 计算结果见图 8 。由图 8可知，A C I 一 2 0 9模型的 计算结果略低于实测值 ，但与实测值最为接近 ； 其 它各个预测模型均远远高估了收缩值 。分析其原 因 是 ： 各预测模 型的收缩值是素混凝土在标准环境下 由试验统计得到的 ， 而实验小梁是配筋混凝土在 自 然环境下测得的 ， 因而存在误差 ； 另外 ， 各个预测模 型的收缩值是在混凝土养护 3 7 d时开始测量的 ， 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 龄期， d 图 6 对 比小梁 的收缩值 而本次试验是在养护 4 5 d后才进行测量。 0 2O 4 0 6 O 8 O 1 o o 1 2 0 1 4 0 龄期， d 图 8 各模型 收缩应变 预测值 与实测值的 比较 2 1 3 修正的收缩预测模型 选用 A C I 一 2 0 9模型作为修正的基础模型。利用 o r i g i n绘 图软件 ， 采用非线性最小平方拟合 法 ， 对本 次试验测得的数据进行拟合 ， 得到修正 的收缩预测 模型 ， 见式 ( 1 ) 。拟合曲线如图 9所示 。 ， 1 - 、 8 21 9 3 l _ f fj 1 7 8 5 3 7 e * 【 l_J ( 1 ) 2 o o 1 5 O i 婿1 0 0 5 O O O 2 O 4 0 6 0 8 O 1 0 0 1 2 0 l 加 龄期 d 图 9 梁收缩拟合 曲线 一 1 3一 加 加 舳 加 吣 m 0 渤 姗 瑚 狮 姗 啪 啪 啪 加 0 1 好 如 沁 。 伽 枷 姗 姗 瑚 瑚 啪 啪 o 娉 加 胁 加 加 踟 加 沁 0 姗 猢 猢 啪 舳 加 。 姆 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 2 2 机制砂混凝土梁的徐变试验与分析 本文 以简支梁在荷载作用下挠度变形 为研究 对象 ， 对徐变系数的时程关系进行分析。 2 2 1 徐变挠度分析 由试 验梁的跨 中实测挠度得 出试 验梁 的挠度 变化时程图， 如图 l 0所示。 宣 O 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 持荷时 间 d 图 1 O 挠度 实测值 ( 注： 这里梁 1为梁 1和梁 2的均值 ， 以下均同 ) 从图 1 O可 以看 出， 加载初期 ， 混凝土徐变挠度 发展较快 ， 随着持荷 时间的增加 ， 徐变挠度持续增 加 ， 但发展速率减小 。梁 3的加载大于梁 1 ， 其它条 件相同 ， 其徐变挠度大于梁 1 ， 可以得出 ， 在一定范 围内 ， 加载越大 ， 徐变挠度越大 ； 梁 3 、 梁 5的初始挠 度值大 于梁 1的初始挠度值 ， 这是由于梁 3 、 梁 5的 荷载值大于梁 1的荷载值所致。梁 5的配筋率大于 梁 3 ， 其它条件相 同， 两根梁 的初始挠度值不 同 ， 后 期徐变挠度发展也有差别 ， 说明配筋对徐变挠度有 影 响 。 2 2 2 徐变挠度系数 徐变挠度 系数 即指徐变挠度 与瞬时弹性 挠度 的比值。徐变挠度系数实测值见图 1 1 。 1 0 O8 鬈。 一6 耀 0 4 0 2 0 0 1 4 1 2 1 0 o 8 嚣0 6 04 02 线 0O 1 4 1 - 2 1 -0 0 8 嚣 0_6 04 02 00 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 持荷时 间 d 图 1 1 徐变挠度 系数实测值 由图 1 1 可 以看 出，三组梁徐变挠度系数 发展 趋势类似 ， 徐变挠度 系数前期发展较快 ， 随着 时间 的增长 ， 总体是增长 的趋势 ， 从第 7 0 d到 1 0 0 d各个 梁徐变挠度系数都有不 同程度的降低 ，从 1 0 0 d到 1 6 0 d增长 幅度 比较大 ； 梁 3加载大于梁 1 ， 其 它条 件相 同， 其徐变挠度系数大于梁 1 ， 可以得 出， 在一 定范 围内， 混凝 土应力水平越大 ， 徐变挠度系数越 大 ；梁 3与梁 5在温湿度等环境条件及水泥标号 、 粗细骨料 、 水灰 比等 内部 因素相 同的情况下 ， 由于 配筋率 的不 同， 徐变系数也略有不 同 ， 说 明配筋对 机制砂混凝土徐变系数是有影响的。 2 2 _ 3 修正的徐变预测模型 用 A C I - 2 0 9模 型作为修正 的基础模型 ，利用 O r i g i n绘图软件 ，采用非线性最小平方拟合法 ， 得 到以下试验梁徐变系数拟合曲线 ， 如图 1 2所示。 2 2 4 常用徐 变计算模型与本文拟合公式对 比分 析 为 了对所测得 的试验数据作 出比较可靠 的评 价 ， 通过几种常用 的设计规范与本文拟合公式进行 对比分析 ， 结果见表 6 、 表 7和图 1 3 。 1 4 1 2 1 1龋 0 0 O 图 1 2 试验梁徐变系数实测值与拟合值时程 曲线 O 2 0 O 0 5 O 1 o o 1 5 0 2 0 0 持荷时 间 d ( c ) 6 5 4 3 21 O 9 8 7 6 5 4 3 2l D L l 1 O O 0 0 O 0 O 0 0 0 间 问 徐以艳 ， 张耀庭 ， 郑怡 石灰岩质机制砂混凝土收缩徐变试验研究 表 6 试验 梁徐 变挠度系数拟合公式情况表 表 7 试验梁徐变挠度系数终极值预测表 ( 7 0年 ) 3 0 2 5 2 0 簧 1 0 05 O0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 持荷 时间 d 图 1 3 试验梁拟合值与常用徐变预测模 型的对 比 由表 6 、 表 7和图 1 3可以看 出， 各种不 同的徐 变预测模型结合本试验条件所得 的徐变挠度 系数 相差较大 ， G L 2 0 0 0模 型和 B 3模型比较接近 ；总体 而言 ， A C I 一 2 0 9模型低估了徐变挠度系数 ， C E B F I P 模型高估了徐变挠度系数 ， AC I 一 2 0 9模型与梁 1 、 梁 3较为接近 ，梁 5的徐变终极值与 G L 2 0 0 0模 型和 B 3模型较为接近 ； 拟合公式对徐变挠度系数 的计算 及徐变挠度系数终值 的预测较为合理 。因此 ， 对此 类梁进行长期徐变挠度系数预测时 ， 可采用本 试验 徐变挠度系数拟合公式或 A C I - 2 0 9模型。 3 结 论 ( 1 ) 配筋率对混凝 土收缩应变和徐变挠度系数 有一定程度的影响 ， 但 目前各 国规范模式很少考虑 到配筋对混凝土收缩徐变的影 响， 随着实际工程 中 高强钢筋的应用 ， 这方面的研究应该加强 。本试验 采用 3 3 5 MP a 钢筋 ， 虽与实际工程所用钢筋有差别 ， 但对收缩徐变研究也还具有较高的参考价值。 ( 2 ) 在不考虑配筋率大小对混凝土收缩 的影响 下 ，得 出修正 的收缩预测模 型为 8 = 1 7 8 5 3 7 6 ， I _ 8 2 1 9 3 【 J ， 修正的 模型 与实 测 值拟合 效 果较好。 ( 3 ) 常用的各种徐变模型对混凝土徐变 的计算 结果相差较大 ， 而本试验梁 的徐变挠度系数拟合公 式与A C I 一 2 0 9模型最为接近。 因此 ， 在对此类梁进行 徐变预测时 ， 可参考本文得 出的徐变挠度系数拟合 公式。 由于试验条件 限制 ， 本试 验考虑 的影 响尚不够 全 面， 在试验条件允许的情况下 ， 可进 行更 深入 的 试验研究 。 参考文献 ： 【 1 周履， 陈永春 收缩 徐变【 M 】 中国铁道 出版社， 1 9 9 4 2 B a z a n t Z P ， B w e i a S J u s t i fi c a t i o n a n d R e fi n e m e n t o f Mo d e l B 3 f o r C o n c r e t e C r e e p a n d S h ri n k a g e J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 5 ( 2 8 ) ： 3 5 7 - 3 6 5 3 3 AC I C o m mi t t e e 2 0 9 P r e d e i c a t i o n o f C r e e p ， S h ri n k a g e a n d T e mp e r a t u r e E f f e c t s i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s R 】 D e t r o i t ： Ame ric a n Co n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 9 2 4 C E B - F I P Mo d e l C o d e 1 9 9 0 D e s i g n C o d e S 5 5 B a z a n t Z 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 ri n g a n d D e s i g n ， 2 0 0 1 ( 2 0 3 ) ： 2 7 3 8 6 L i J i a n g y o n g ，Y a o Y a n A s t u d y o n c r e e p a n d d r y i n g s h ri n k a g e o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 1 2 0 3 - 1 2 0 6 7 】 杨 玉辉， 周 明凯， 赵华耕 C 8 0机制 砂泵送 混凝 土的配 置 及其影响因素 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 8 ) ： 2 7 - 3 0 【 8 潘 钻峰， 吕志涛， 孟 少平 配筋对高强 混凝土收 缩徐变影 响 的试验研究 J 土木 工程学报 ， 2 0 0 9( 2 ) ： 1 1 - 1 6 9 9 刘立新 ， 赵 静超 折线先 张预应 力混凝 土简 支梁徐 变试验 研究 J 建筑结构， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 1 7 - 1 1 9 【 1 0 1 张运涛 非标准条 件下 混凝土 收缩徐变 试验 研究 J 安徽 建 筑工业学院学报， 2 0 0 9( 1 0 ) ： 1 0 - 1 1 1 1 童代 伟， 钟建 国 现场混凝 土收缩 、 徐 变试验研究 J 公路， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 9 8 - 2 0 0 【 1 2 张运涛， 孟少平 配筋高性能混 凝土收缩徐变试 验研究 J 】 建筑科学， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 - 5 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 3 通讯作 者 ： 徐 以艳 ( 1 9 8 8 一 ) ， 女 ， 在读研究生 。 通 讯地 址 ： 武汉市华 中科技大学 西六楼 5 0 5室 联 系电话 ： 1 8 7 7 1 0 4 6 0 8 0 E - ma i l ： x u y i y a n c h ib a n g1 6 3 c o m 一 1 5