高性能混凝土与钢筋及纤维组合体长期变形试验研究.pdf

第 3 8卷 ， 第 2期 2 0 1 3 年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 8，No 2 Apr ， 2 0 1 3 古I性 同。I 士 能混凝土与钢筋及纤维组合体 长期变形试验研究 黄卫兰 ，陈 程 ，陈灿明。 ， 陆采荣 ， 唐崇钊 ( 1 南京 水利科学研究院 水利部水科学与水工程重点实验室 ， 江苏 南京2 1 0 0 2 9 ； 2 江苏省苏科 建设 技术发展 有限公司 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 ) 摘 要 以五河 口特 大桥 主梁 C 6 0混凝 土为对象 ， 研究 了高性能混凝土 龄期 及掺聚酯纤 维和 内置 钢筋对长 期变形 的影 响。试验结果 表明， 研制的 C 6 0混凝土早期强 度和弹模较高 、 徐变度相对较低 ， 可有效减 小结 构的预应 力损失和桥梁的长期变形 ； 试件 内置钢筋和掺人纤维后组合体变形特征符合线性分析原理。 关键词 混凝 土 ； 徐变 ； 掺纤维 ；内置钢筋 中图分类号 U 4 4 8 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 2 1 0 0 4 Lo n g - t e r m De f o r ma t i o n Te s t S t u d y o n t h e Co m p o s i t e o f HPC ，Re i n f o r c e me n t a n d Fi b e r HUANG W e i l a n ，CHEN Ch e ng ，CHEN Canmi n g ，LU Ca i r o ng ，TANG Chong z hao ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f Wa t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Na n j i n g ，J i a n g s u 2 1 0 0 2 9，C h i n a ； 2 J i a n g s u S u k e C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y I n c ， N a n j i n g ， J i a n g s u 2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ) A b s t r a c t T h e C 6 0 c o n c r e t e o f Wu h e k o u G r a n d B r i d g e g i r d e r i s t h e o b j e c t o f s t u d y T h e e f f e c t o f HPC a g e，mi x e d p o l y e s t e r f i b e r s a n d b u i l t - i n r e i n f o r c e me n t s o n l o n g t e r m d e f o r ma t i o n i s s t ud i e dTh e t e s t r e s u l t s s h o w：Th e e a r l y s t r e n g t h a n d Yo u n g S mo d u l us o f d e v e l o p e d C6 0 c o n c r e t e a r e h i g he r a n d i t s s p e - c i f i c c r e e p l o we r ，a n d i t c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e s t h e s t r u c t u r a l p r e s t r e s s l o s s a n d t h e b r i d g e S l o n g - t e r m d e f o r ma t i o n；Af t e r pl a c i n g t h e b u i l t i n r e i n f o r c e me n t s a n d mi x i n g t he f i b e r s i n t h e t e s t s p e c i me n s ，t h e c o mp o s i t e S d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a r e a c c o r d a n t wi t h t h e p r i n c i p l e o f l i ne a r a n a l y s i s K e y w o r d s c o n c r e t e ； c r e e p ； mi x e d f i b e r ；b u i l t i n r e i n f o r c e m e n t 1 概 况 宿淮高速公路五 河 口斜拉桥全长 2 0 6 2 m， 工 程造 价 2 8亿 元 。主桥 是 1 5 2 m+ 3 7 0 m+1 5 2 m预 应力混凝土双塔双索面全漂浮体系斜拉桥， 索塔呈 H型， 采用双半封闭式三角形边箱的预应力混凝土 主梁截面 ， 宽度达到 3 8 6 m， 双向六车道 ， 是 目前 国 内同类型 桥梁 中主梁最宽 的桥梁。主梁采用 C 6 0 高性能混凝土浇筑 ， 为给设计 和施工监控提供技术 支撑 ， 对桥用高性 能混凝土的力学特性及其长期变 形特征进行了较系统研究。本文主要介绍五河 口特 大桥主梁 C 6 0 、 掺纤维 C 6 0和 内置钢筋的 C 6 0高性 能混凝土的弹性变形和徐变变形 的试验结果 ， 研究 高性能混 凝土龄 期 以及 掺纤 维 和内置钢 筋对 高性能 混凝 土长期变形 的影 响 。 2 试验材料与混凝土配比 试 验用 材 均选 自五河 口斜拉 桥 工 程在 用材 料 ， 每方 混凝 土材 料 用 量见 表 1 ， 材料 产地 厂 家及 有 关 说 明如 下 。 水泥 ： 江苏 巨龙水泥集团有限公司生产的巨龙 牌 P I I 5 2 5 R水泥 。 粉煤灰 ： 南京热电厂 I 级粉煤灰。 细骨料 ： 河砂 ， 产地为宿迁洛马湖。 粗骨料：碎石 ， 岩性 为石灰岩 ， 产地 为徐 州睢 宁。 【 收稿 日期】2 0 1 2 0 7 0 5 【 作者简介黄卫兰( 1 9 6 1 一) ， 女 ， 安徽巢湖人， 高级工程师 ， 主要从事水工结构 的试验 、 检测 与安全评估。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 黄卫兰 ， 等 ： 高性 能混凝 土与钢筋及纤维组合体长期变形试验研究 2 1 1 3 试 验 结 果 与 分 析 薹 薹 筹 善 栗 3 1 混凝土的弹性模量与强度 7 d龄期后弹性模量的增量也不大 ， 弹模平均值 7 d 表 2为混凝土的瞬时弹性模量及抗压强度试验 2 8 d增加仅 4 ， 从 2 8 d一9 0 d增加 5 ， 这种特 结果。该结果表 明， 试验配制的高性能桥用混凝 土 性有利于预应力钢筋的早期张拉 。 表 2 混凝土瞬 时弹性模量和抗压 强度试验结果 Ta b l e 2 Te s t r e s u l t s o f i n s t a n t a n e o u s Yo un g S mo du l us a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 混凝土 弹模 E G P a 抗压强度 M P a 基 准 组 C 6 0 内置钢筋 C 6 0 掺纤维 C 6 0 按照第六届 国际预应力混凝土会议建议的强度 时 间关 系 ， 龄期 分别 为 3 、 7 、 2 8 、 9 0 、 3 6 0 d的强 度 R 与标准强度 R 。 之 比， 对有早强剂 的快硬普通硅 酸水泥混凝土而言 ， 比值 Rc R 。 的建议值 为 0 5 5 、 0 7 5 、 1 O 0 、 1 1 5 、 1 2 0 。试验结果平均值为 0 7 3 、 0 7 8 、 1 O 0 、 1 0 2 ( 缺一年值) 。由此也可说 明混凝 土的早 期强 度较 高 。 按照理论推 导， 加钢筋混凝土轴压试件的组合 体弹模 E 与混凝土弹模及钢筋弹模有如下关系： E =E ( 1 + n ) ( 1 + x ) ， ( 1 ) 式 中 ： E 为 加 筋试 件 弹模 ， G P a ； E为 混 凝 土 弹模 ， G P a ； x为含钢量 ， 即钢筋截 面积 与混凝土截 面 积 之 比 ， =0 0 2 ； n为钢筋 弹模 E 与 混凝 土弹模 E之比值 ， 计算时取 n = 5 。 用 表 2中结果 4 3 9 G P a代入式 ( 1 ) 得到该 组试 件 的混 凝 土 弹 性模 量 E为 4 0 7 G P a 。此 推 算 值 与 混 凝 土试 件 的试 验 结果 4 1 1 G P a及 掺 纤 维 试 件 的 结 果 4 0 5 G P a 基 本一 致 。 掺纤 维 C 6 0混 凝 土 试 件 的 弹 性 模 量 为 4 0 5 G P a ， 其 值与 内置钢 筋试 件 的混凝 土 弹模推 算 值 4 0 7 G P a相 近 。该 试 件 中 掺 入 纤 维 量 为 1 0 k g m ， 纤维体积与混凝土体积之 比不足 0 1 。一般 认为 ， 2种材料混合后的组合体弹模与各 自的体积 及弹模 比有关。由于纤 维体积可以忽略不计 ， 故试 验 结果合 理 。 采用公式表示混凝土弹性模量与龄期的关系可 以方便 内插 和外延计算 。由于弹性模量 的观测 时间 与混凝土加荷龄期 r 。 两者是重合的， 可用 E ( z ) 或 E ( ) 表示 。试验 结果用指数型公式表示如下 ： E ( t ) = 4 6 8 f 1 0 1 2 e 一 。 。 0 1 5 e 一 。 1 。 ( 2 ) 按上式( 2 ) 计算 的弹性 模量值 与试 验结果进行 比 较， 列于表 3 。利用公式进行插值及外延计算时， 时 间 t 应 不小 于 3 d为宜 。 表 3 基准组 C 6 0混凝土弹性模量试验值与公式计算值 Ta b l e 3 Te s t e d a n d c a l c u l a t e d v a l u e s o f Yo u ngs mo du l us o f C6 0 c o n c r e t e f o r r e f e r e nc e g r o u p 3 2徐 变度 基准 组 C 6 0 、 内置 钢 筋 和掺 纤 维 3种混 凝 土 的 徐 变度试 验 结果见 图 1 、 图 2 。 2 5 0 0 ： 2 0 0 0 三 1 5 0 0 0 I 1 0 0 0 5 0 0 0 0 0 图 1 F i g u r e 1 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 持荷时间 t t 0 d 基准组不同加 载龄期 C 6 0混凝 土徐变度 曲线 Sp e c i fic c r e e p c ur v e s o f C6 0 co nc r et e u n d e r d i ff e r e nt l oa di n g a g e s for r e f e r e n c e g r o u p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 2 公路工程 3 8卷 埒 而时 I司f 一 d 图 2 基 准组 、 内置钢筋、 掺纤维 的 7 d加载龄期 C 6 0混凝 土徐变度 曲线 Fi g u r e 2 S p e c i fic c r e e p c u r v e s o f C6 0 c o n c r e t e u n de r 7 d l o a d i n g a g e wi t h b ui l t i n r e i n f o r c e me nt s a n d mi x e d fib e r s f o r r e f e r e n e e g r o u p 单位应力的徐变变形称为徐变度 ， 可用下式计 算 ： ：一 n： C ( t ， r 0 ) = ， ( 3 ) O- 式中：c ( t ，r 。 ) 为徐变度( 1 0 MP a ) ；t 为测读时 间， d ； s 为加载试件从基准时间 t 至观测时间 t ， 的 应变 ( 1 0 ) ， 以压 为 正 ； 为校 核 试件 从 基准 时 间 t 至观测时间 t 的应变( 1 0 ) ， 以缩小为正 ； 为荷 载应力 ， MP a ， 恒定值。 徐变测值 的连线往往不是一条光滑曲线 ， 会有 跳动甚或有个别离群值。一般认为这与介质温度的 波动、 仪器仪表误差及操作 等有关。为 了方便徐变 度的分度值计算和部分消除试验误差 ， 可以采用曲 线方程拟合法直接给出徐变度公式。 混凝土徐变只有部分可复 。根据试件卸载 后徐变的恢复 ， 将 徐变度分成可 复徐 变 c 及不可 复徐变 c 。可复徐变与持续时间 t 一7 _ 。 有关 ， 表示 为 c (t r 。 ) ； 不可复徐变与加载龄期 r 。 及持续时 间 t 。 有关 ， 表示 为 C (t ， r 。 ) 。基 准组 主梁 C 6 0 的徐变 度可 以表示 为 ： C ( t ， T O ) ：C y ( t 一7 - 0 )+C n ( t ， T o ) ， 式 中 ： C y ( 一 。 ) = 3 2 【 1 一 e 一 。 一 】 + 0 4 1 一 e 。 。 ， MP a ) ；C ( ， 。 ) 为 不可复 徐变 ( 1 0 MP a ) ；C ( t ， 。 ) 为徐变度( 1 0 MP a ) ； r 。 为加载龄期 ， d ； f 为 观测时间， d ； t 一 7 - 。 为荷载持续时间 ， d 。 内置钢筋混凝土试件徐变度公式为 ： C ( f ， 0 )： 6 2 ( 1 一e 一 。 。 一 )+ 7 4( 1一e 一 0 ( 一 ) )+ 3 4 ( I e 3 【 ) ； ( 6 ) 掺纤维混凝土试件徐变度公式为： c ( ， r o )= 8 5 ( 1 一e 一 。 。 一 。 ) + 7 6f 1一e一 0 ( r 。 ) 1+ 5 1 ( 1 一e “ - 7 0 ) ) 。 ( 7 ) 上述 式 中 的指数 常 数 为经 验 系数 ， 通过 对 变形 曲线的变化分析确定 ， 其它常数采用曲线 回归分析 法确定 。图 1和图 2中的曲线为按上述公式计 算的结果。 3 3徐 变 系数 混凝土的徐变度 C(t ， r 。 ) 为单位应力的徐变 变形 ， 单位应力的弹性瞬时变形为 1 E( 。 ) ， 徐变系 数 (t ， 7 。 ) 是上述两者的比值 ， 可表示为： 咖 ( t ， T o )： E ( 0 ) C ( t ， f o ) 。 图 3 、 图 4为基准组 C 6 0 、 掺钢筋和掺纤维 3种 混凝土的徐变系数曲线。 持荷时间卜t 0 d 图 3基准组不同加载龄期 C 6 0混凝 土徐变 系数 曲线 ( 4 ) F i g u r e 3 C r e e p c o e f fi c i e n t c u r v e s o f C 6 0 c o n c r e t e u n d e r d i f - f e r e n t l o a d i n g a g e s for r e f e r e n c e g r o up C ( t ， 7 Io )=( 0 7+ 3 O e ) 1 一 e 一 + e 一 。 f r n 】 + ( 2 5 + 5 0 e ) 1 一 e 一 ( 。 。 + 。 e 一 。 。 I + ( 3 0 + 7 0 e 一 。 。 。 + 2 0 e - O , 5 r 0 ) 1 一 e 一 。 。 。 + 。 。 。 e 。 一 f 。 】 ， L J 式中： C y ( 一7 _ 。 ) 为可复徐变或称弹性后效( 1 0 1 0O 0 8 0 0 60 0 4 0 0 2 0 0 0 O 0 l O0 20 0 300 400 持荷时间卜t 0 d 图 4 基准组、 内置钢筋、 掺纤维 的 7 d加载龄 期 C 6 0混凝 土徐变系数曲线 Fi g ur e 4 Cr e ep c o e f f i e i e nt c ur v e s o f C6 0 c o n c r e t e u n d e r 7 d l o a d i n g a g e wi t h b u i l t i n r e i n f o r c e me n t $a n d mi x e d fib e r s f or r e f e r e n c e g r o u p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 黄卫 兰 ， 等 ： 高性 能混凝 土与钢筋及纤维组合体长期变形试验研究 2 1 3 徐变系数是一个相对值 ， 是衡量混凝土徐变特 性 的一个重要指标。对于工程技术界而言， 可以用 来对结构的应力 和变形 的变化进行估算。比如， 当 其应用取值决定以后 ， 采用弹性分析法取得结构或 构件的弹性变位 “ 。 时( 相当的徐变力学中之荷载位 移问题) ， 可估计其荷载 变位 为 u ( 1+ ) ； 由温度 变化或边 界位移引起的弹性应力 (j r 已知时( 应力 衰减问题 ) ， 最简单的估计结果为 。 ( 1+ ) ； 对 于 构件预应力的变化 ( 复性多连体混合问题) ， 最简单 的估算方法是将混凝土弹性模量 E( r ) 用有效模量 E ( 7 I 。 ) ( 1+ ) 代入变形方程中求解。上述作法可 以避开积分方程或积分方程组的求解 ， 故而该 系数 在工 程上 是一 个较 实用 的概 念 。 徐变系数的数值变化 ， 与加载龄期及荷 载持续 时间有关 。持续时间相等时 ， 徐变系数 基本上随 着加 载龄 期增 大而 变 小 ， 说 明徐 变 度 随加 载 龄 期 变 大而 减小 m 。 配钢筋试件和掺纤维试件的徐变系数 、 徐变度比 C g C及系数 比 的若干值 ， 见表 3 。 表 3 若干 系数计算值 Ta b l e 3 Co e ffi e i e n t Ca l c u l a t i o n t 一,r o d 配筋 g 掺纤维 g g C g C 9 0 0 6 5 0 7 7 1 l _ l 8 l 1 2 8 1 5 0 0 7 0 0 8 2 1 1 1 7 1 1 2 7 2 4 0 0 7 3 0 8 5 1 1 1 6 l 1 2 6 3 6 0 0 7 4 0 8 6 l 1 1 6 1 1 2 5 按照理论推导 ， 不难得到加筋混凝土柱与混凝 土柱的徐变度 C C及徐变 系数 有下述关 系 ： = 量： 一一 f 8、 乙 ( 1 + ix n ) l 1 + ix n ( 1 + ) l ： ! r 9 、 咖 1+ Ix n ( 1+ 咖 ) ， 式 中： IX为配筋率 ； n为钢筋弹模 E 与混凝土弹模 E之 比 E E。 现取 =2 ， n=5 ， 并采用掺纤维试件 的 值 代人上式( 8 ) ， 式( 9 ) ， 计算结果， 见表 4 。 上述计算值与试验结果基本接近 ， 故可认为在 混凝土受压徐变试验时， 因掺入纤维的体积有限， 基 本 不影 响混 凝土 的徐 变特 性 。 表 4 计算结果 Ta b l e 4 Ca l c u l a t i o n r e s ul t s t r o d 按式 ( 8 )： C g c 按式 ( 9 ) ： g 9 O l 1 2 7 l 1 1 8 1 5 0 1 1 2 7 1 1 1 8 2 4 0 1 1 2 8 1 1 1 9 3 6 0 l 1 2 8 l 1 1 9 4 结语 研制的 C 6 0混凝土早期强度和弹模较高、 徐 变度相对较低 ， 不仅预应力可以提早张拉， 也可有效 减小结构的预应力损失和桥梁的长期变形， 符合现 代大型桥梁对混凝土长期变形特性的要求。 混凝土试件 内置钢筋后徐变度有所减小， 其 变形特性与理论分析结果基本一致 ， 说 明在试验荷 载条件下组合体变形特征符合线性分析原理。 混凝土 中掺人纤维后对混凝土的长期 变形 特性 影 响不 大 。 参考文献 1 陈灿 明， 黄卫兰 ， 陆采荣 ， 等桥用高性 能混凝 土的徐变与应用 J 水利水运工程学报 ， 2 0 0 7 ， ( 2 ) ： 1 9 2 陆采荣 ， 王永安 ， 姜竹生 ， 等大跨度超 宽幅桥梁高性能混凝土 研究 与应用 报告 R 南 京 ： 南 京 水利科 学研 究 院 ， 2 0 0 6材 0 6 0 5 3 建筑材料编 写组建筑材 料 M 北京 ： 中国建 筑工 业出版 社 ， 1 9 7 9 4 陈灿 明， 黄卫兰 ， 唐崇钊 ， 等混凝土强度 与弹模依时增长相关 性公式的试验研究 J 公路工程 ， 2 0 1 0， ( 1 ) ： 5 1 5 5 5 唐崇钊混凝 土的徐变力学与试 验技术 M 北京 ： 水利电力 出版社 ， 1 9 8 2： 2 0 3 2 0 4 6 惠荣炎 ， 黄国兴 ， 易 冰若混凝土的徐变 M 北京 ： 中国铁道 出版社 。 1 9 8 8 ： 6 4 6 6 7 陈灿 明， 黄卫兰 ， 王宏 ， 等大跨径桥梁高强混凝土收缩徐变 特性研究 J 水利水运工程学报 ， 2 0 1 0 ， ( 4 ) ： 6 26 7 8 陈灿明 ， 黄卫兰 加载方式改变对高强度桥用 混凝土变形特性 影响的试验研究 J ， 公路工程 ， 2 0 1 l 。 ( 1 ) ： 2 0 2 4 9 黄卫兰 ， 陈灿明五河 口特大桥高性 能混凝土长期变形试验研 究报告 R ， 南京 ： 南京水利科学研究院， 2 0 0 6 1 O 苏清洪加 筋混凝 土收缩徐 变的试验 研究 J 桥梁 建设 ， 1 9 9 4 ， ( 4 ) ： l l l 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m