干燥失水对混凝土徐变的影响.pdf

2 0 1 1年 第 1 O期 (总 第 2 6 4 期 ) Nu mb e r 1 0i n 2 0 1 1 ( T o t a 1 No 2 6 4) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH 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 1 0 0 1 1 干燥失水对混凝土徐变的影响 慕儒 一 。田稳苓 1 l 2 ，白彦岗， 一2 ( 1 河北工业大学 土木工程学院，天津 3 0 0 4 0 1 ； 2 河北省土木工技术研究中心，天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要 ： 干燥 不仅引起 混凝 土收缩增 加 ， 也导致 徐变增 加。 通过试 验研究 混凝 土失水 干燥与徐变增加 的相关性 ， 分析了干燥过程 中骨料 、 外加剂对徐变的影响， 验证失水改变孔隙充水程度进而影响混凝土力学性能、 宏观表现出徐变增加的机理。 研究结果表明， 混凝土徐变随 干燥失水程度线形增加， 粗骨料本身质地是骨料影响徐变的主要原因； 外加剂改变了混凝土孔溶液的表面物化性能， 导致孔溶液与孔壁相 互作用变化及干燥过程改变， 是外加剂影响徐变的根本原因。 关键词： 混凝土；徐变；干燥；外加剂 中图分类号 ： T U5 2 8 叭 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 3 I - 0 3 Cr e ep o f c onc r e t e dMe t o de s i c c a t i on M U Ru T I AN W e n l i n g1 , 2 BAIYa h - g a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， He b e i Un i v e r s it yo f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ； 2 C i v i l E n g i n e e ri n gT e c h n o l o g y Re s e a r c hC e n t e r o f He b e i P r o v i n c e ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：T h e d r y i ng c a us e s t h e i n c r e a s e i n s h r i n ka g e a s we l l a s c r e e p o f c o n c r e t e I n t h i s p a p e r ， t h e c r e e p o fc o n c r e t e du e t o moi s tur e l o s t i s o b s e r ve d Th e the o r y t h a t moi s t u r e l o s e c h a n g e s t h e me c h a n i c a l be h a vi o u r o f c o n c r e t e a n d he n c e c a u s e s the e x t r a c r e e p i s e x pe rime n t a l l y v e rifi e d In t he e x p e rime n t a l t e s t s ， the i n flu e nc e o f the t y pe s o f c o a r s e a g g r e g a t e a n d c h e mi c a l a d mi x t u r e s o n t h e e x t r a c reep d u e t o d r y i n g a n d t h e r e l e va n t me c ha n i s ms are i n v e s t i g a t e d T he t e s t r e s ul t s s h o w tha t the c r e ep o f c o n c r e t e i n c r e a s e s wi t h mo i s t ure l o s s p r o p o r t i o n a l l y T h e c h a n g e i n c r e e p wi th the c ate g o ry o f c o ars e a g g r e g a t e i s ma i n l y d u e t o t h e d i f f e r e n c e i n the rig i d i t y o f c o ars e a g gre g a t e s Th e c h e mi c a l a d mi x t u r e ma y mo d i f y the S i l l- f a c e p h y s i c c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f po r e l i q u i d an d h e n c e the d r y i n g p r o c e s s a s we l l a s the i n t e r a c t i o n b e t we e n th e l i q u i d i n p o r e s a n d the po re s u r - f a c e s are c h a n g e d， wh i c h a c c o u n t s f o r the i n flu e nc e of c he mi c a l a d mi x t u r e s o n c re ep o f c o n c r e t e Key wor ds ： c o n c r e t e ； c r e e p； d e s i c c a t i o n； s h rink a ge 0 引言 混凝土的变形是近年研究的热点， 所谓变形是指混凝土体 积或者长度的变化， 自由状态下的变形以体积或者长度减小为 主称之为收缩， 外部荷载引起的非破坏性的随龄期增加的变形 称之为徐变， 围绕混凝土的收缩和徐变国内外开展了大量的研 究。 一般认为， 环境因素尤其是干燥是导致混凝土收缩的最主要 原因之一， 关于干燥收缩提出了以毛细孔表面张力理论为代表 的机理并建立了相应的干燥收缩模型口 - 4 。 其实， 混凝土的徐变 受环境因素影响也很大5 ， 但是相关的研究较少。 本文通过试验， 研究了干燥失水引起的混凝土徐变， 分析了原材料、 配合比以及 外加剂等因素对干燥失水的影响， 进而影响徐变不同及其机理。 1 干燥失水影响徐 变的机理 荷载作用下， 混凝土首先会产生弹性变形 ， 随着龄期的增 长， 变形会逐渐增加。 起初研究人员以为这种增加的变形是收缩 造成的， 后来发现增加的变形大于 自由状态下的收缩 ， 也就是 有额外的变形出现了。 经过不断的研究和认识 ， 把这部分额外的 变形定义为徐变。 对于多孔材料， 荷载作用产生的应力分布在孔隙周围发生 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ 0 3 _ 2 8 变化， 孔隙状态不同， 孔隙周围的应力分布也相应不同。 应力分 布与孑 L 隙状态的对应关系是分析混凝土干燥过程影响其徐变 性能的基础， 也就是干燥导致徐变变化的机理闭 。 混凝土是一种多孔材料， 各种尺寸各种形状的孔隙分布于 基体中， 也可以看作是不同于基体的介质嵌入其中。 应力集中或 者徐变分析根据具体情况可以采用平面或者三维的分析方法。 根据弹性力学理论旧， 受均布单向应力 。 作用的其中有一个圆 孔 的匀 质板 ， 如果孔径 远小 于板 的边长 ， 孔壁 的应力 可以达到 3 。 ， 但是随着离孑 L 壁距离的增加 ， 应力迅速减小。 反之 ， 受均布 单向应力 作用匀质板中部有一个刚性圆形嵌入体而不是孔 隙 ， 如果嵌入体刚性远大于基体 ， 则嵌人体周围基体的应力小 于 ， 随着离孔壁距离的增加， 应力逐渐增加。 嵌人体周围基体 中的最大应力主要受基体泊松比的影响。 假如泊松比为 0 2 ， 嵌 入体周围的竖向应力分布如图 1 所示， 也可用式( 1 ) 描述。 r 3 3 r 5 ， 、 p c可c l J L 式中： P 嵌入体周围竖向应力分布； 。 外部应力 ； r 嵌入体半径 ； S 到嵌入球体中心的距离。 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 刚性球形嵌入体周 围基体中的竖向应力 如果基体中不是刚性嵌入体而是球形孔隙， 相应的竖向应 力可以用式( 2 ) 和图2描述。 (砉+ 3 7 ) ( 2 ) p c I + s J 2 ) 外部应力， 图2 球形子 L 隙周围基体中的竖向应力 比较这两种情况可以看出， 当s = r 时， 刚性嵌入体周围的竖 向应力为零而孔隙周围的应力为两倍的( 名义) 外部应力。 可见， 空 的孔隙周围基体的应力显著大于刚性嵌入体周围基体的应力。 B r o o k s r n 首先采用孔隙和嵌人体的方法来分析混凝土的徐 变。 混凝土的收缩、 徐变主要来 自于水泥浆体。 一般认为 ， 水化 硬化后的水泥浆体由水化产物( 水化硅酸钙 C S H和氢氧化钙 C a ( OH) ) 、 凝胶孔( 水) 组成。 凝胶水的变化对收缩 、 徐变有非常 重要的影响， 尤其是 2 5 5 0 n n l 的较小的凝胶孔隙水影响最大。 水泥浆体中凝胶孑 L ( 水) 的体积一般可达到 2 5 - 2 8 ， 也就是 凝胶孔的孔隙率。 当这些孔隙充满水处于饱和状态时， 相当于刚 性嵌人体的情况。 反之， 随着干燥程度提高 ， 孔隙逐渐失水 ， 相 当于上述基体中的孔隙， 这时水泥浆中空的孔隙周围固体凝胶 中的应力显著大于充满水的孔隙周围固体凝胶中的应力。 孔隙 间固体凝胶中的平均应力为： p d rO r ( 3 ) l p I j J 0 5 s r J r 式中： p 由式( 1 ) 、 ( 2 ) 确定； S 到孔隙中心的距离。 充满孑 L 隙和全空孔隙的孔间固体凝胶 中平均应力分别为 0 5 6 g 和 1 4 4 tr 。 也就是说， 如果孑 L 隙从完全饱和( 充满) 状态转 变为全空状态时， 其周围水泥石中的平均应力增加到 2 5 7 倍。 根据以上不同孔隙状态下， 孔壁和孔间应力分布情况， 混凝 土从最初的高湿度养护饱和( 或解决饱和) 状态， 构件受到外力 作用失， 孑 L 间应力分布情况接近嵌入体状态； 在干燥环境中逐 3 2 渐失水干燥 ， 孑 L 隙中充水程度逐渐下降， 达到一定的干燥程度 之后 ， 混凝土中的受力状态接近全空的孑 L 隙状态 ， 应力放大系 数增大。 以上描述的是两种极端情况， 对于实际的混凝土 ， 随着 孔隙饱和程度的变化 ， 其中的应力分布、 应力放大系数逐渐变 化。 经过干燥之后， 虽然作用于试件的外部应力( 名义应力 ) 没 有变化， 但是由于混凝土中的水泥凝胶中的应力增大很多， 变形 增加 ， 导致徐变增大 。 可见 ， 随着干燥程度的增加， 微观应力的变化是干燥导致 混凝土徐变增大的主要原因。 2 干燥环境条件下的徐变试验研究 硬化水泥浆的微细孑 L 隙干燥过程目前还没有进行直接测试 的方法， 因此， 通过测定混凝土时间质量变化来间接反应孔隙的 干燥过程。 试验所用原材料为 P 0 4 2 5级水泥、 石英砂和石英岩 卵石或其他碎石， 最大粒径 2 0 r n m， 所用配合比为 w： c ： s ： A = 0 5 8 ： 1 ： 2 9 8 ： 4 1 6 。 试件成型 2 4 h 后脱模， 标准养护 4 8 h ， 然后开 始徐变测试。 徐变测试所施加的应力水平为 1 0 ， 徐变测试在 温度为 2 0、 相对湿度 6 5 的环境下进行。 开始阶段每天测试 徐变变化 ， 三周之后每两天测试一次 ， 六周之后根据徐变变化 大小调整测试间隔。 质量变化用伴随徐变试验的收缩试件测 试， 测试徐变和收缩的同时， 测定试件的质量变化。 2 1 徐 变与干燥质量损失 图 3 ( a ) 、 ( b ) 分别是徐变随时间的变化和徐变随质量损失 的变化。 图 3 ( a ) 表明， 徐变随龄期增长而增加， 早期徐变发展很 快 ， 之后徐变发展减缓， 呈现明显的非线性， 非线性与混凝土干 燥速度随时间逐渐下降以及材料在荷载作用下逐渐趋于稳定 有关。 图 3 ( b ) 显示徐变与试件因干燥引起质量损失的关系， 可 以看出， 随着质量损失的增加 ， 徐变也逐渐增加， 且二者的线形 相关性很好。 虽然前述孔隙饱和程度影响应力分布理论尚不能 给出徐变和失水失重的线性关系解释， 但是试验结果的趋势和 理论分析吻合， 确切的定量关系有待进一步研究。 同时进行的其 他配合比徐变试验结果也给出了类似的结果。 龄期 d 质量损失 ， ( a ) ( b ) 图3 混凝土徐变随龄期和质量损失的变化 2 2 粗骨料对徐变的影响 无论是质量还是体积， 粗骨料都是混凝土中用量最多的组 分。 相应的在截面上， 粗骨料所占的面积也最大， 所承担的截面 荷载最多。 因此， 考虑力学性能的时候粗骨料的影响不可忽略。 一 般而言， 如果级配良好， 粗骨料的品种不仅影响强度 ， 对混凝 土的收缩 、 徐变都有影响。 图 4 是相同配合比下 ， 三种不同品种 粗骨料( 石英岩 Q UA、 花岗岩 G R A、 石灰石 L MS ) 混凝土的 徐变试验结果。 试验结果显示 ， 石英岩卵石作粗骨料的混凝土的徐变最 大， 石灰石碎石作粗骨料的混凝土的徐变最小 ， 花岗岩碎石混 凝土的徐变量居中。 同样， 徐变与质量损失表现出良好的线性 关系。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 一i 翼 8o一 0 2 0 4 0 6 0 8 0 0 0 2 5 o 5 0 7 5 1 0 0 龄期， d 质量损失 ( a ) ( b ) 图4 粗骨料对混凝土徐变的影响 2 3 外加剂对徐 变的影响 目前 ， 外加剂是混凝土必不可少的组分， 对混凝土的各方 面性能都有重要影响。 对变形性能影响最大的外加剂是聚羧酸 盐类高效减水剂和减缩剂 ， 这两类外加剂对收缩的影响规律已有 研究， 但对徐变的影响尚无相关报导。 图 5 ( a ) 是掺减缩剂( S R A) 与不掺加减缩剂( N S R A ) 的混凝土徐变试验结果比较 ， 图 5 ( b ) 是对应的徐变与质量损失的关系。 结果表明， 掺加减缩剂以后， 质量损失有所增加， 但是混凝土的徐变显著降低， 表明减缩剂 改变了混凝土失水与徐变的关系， 明显降低了混凝土的变形幅 度， 提高了混凝土的质量。 同时从图5 ( b ) 可以看出， 徐变度与质量 损失有很好的线形关系， 证明了前述干燥引起徐变增长的解释。 8 0 呈6 0 o ,2 0 0 龄期 ， d 质量损 失 ( a ) ( b ) 图5 减缩剂对混凝土徐变的影响 3 试验 结果讨论 限于试验条件 ， 未能进行保湿条件下的徐变试验， 以便和 干燥条件下混凝土的徐变结果进行对 比。 但是所有试验结果均 表明， 随着质量损失的增加 ， 混凝土的徐变增大， 并且呈现良好 的线性关系， 间接证明了上述干燥影响徐变的机理。 也就是说 ， 随着干燥程度的提高 ， 混凝土中的微观应力不断提高 ， 造成徐 变的增加。 经过以后的进一步研究 ， 应能建立干燥过程中孔结 构一 饱和程度一 微观应力一 徐变之间的模型。 骨料主要通过两个方面影响混凝土的徐变性能 ， 一是骨料 本身的力学性能， 其影响可以用机理部分的嵌入体理论解释， 骨 料如同嵌入水泥基的颗粒 ， 但骨料 自身并不是刚体， 也存在弹 性变形、 塑性变形和徐变， 自身性能的不同会在混凝土的徐变 结果上得到直接反应。 由此可以推断， 因石英岩的弹性模量最低 ， 配制的混凝土徐变最大， 相应的石灰石弹性模量高， 用其配制 的混凝土徐变最小。 试验结果也证明了这一点。 另一方面 ， 骨料 与浆体的界面性能影响非常重要， 界面强度直接影响骨料与基 体的共同工作性能， 同时界面区是多孔区， 会影响混凝土的内 部孔隙与外部的联通性，进而影响失水干燥的速度。 本试验显 示 ， 干燥过程中， 花岗岩碎石混凝土的质量损失最大， 石英岩卵 石混凝土的质量损失比花岗岩略小 ， 石灰石碎石混凝土的质量 损失最小 ， 因此可以认为， 石灰石与基体的界面质量最好 ， 而花 岗岩与基体的界面性能较为薄弱。 外加剂( 减缩剂) 通过改变混凝土孑 L 溶液的表面张力， 影响 混凝土中的毛细孔张力进而改变收缩、 徐变性能。 以前研究较多、 得到公认的结果是减缩剂会显著降低混凝土的收缩， 本研究的 试验结果表明， 掺加减缩剂以后徐变也会降低很多， 混凝土总 变形减小， 体积稳定性提高。 聚羧酸盐类高效减水剂因可降低 孔溶液表面张力也具有类似的功能。 但对于徐变， 减缩剂并不 能减少混凝土的干燥失水量 ， 但却显著降低徐变， 其机理有待 进一步研究。 4结 论 混凝土干燥导致徐变增加的机理是， 随着其中孔隙饱和程度 的变化， 孔隙间凝胶的平均应力逐渐增大， 从饱和态到干燥态， 水 泥凝胶中的应力增大很多， 导致变形增加， 徐变增大。 混凝土干燥 过程中， 随着质量损失的增加， 混凝土的徐变增大， 并且呈现良好 的线形关系， 间接证明了失水导致徐变增加机理的正确性。 石英岩卵石作粗骨料的混凝土的徐变最大， 石灰石碎石作 粗骨料的混凝土的徐变最小， 花岗岩碎石混凝土的徐变居中。 不 同骨料的混凝土徐变性能差异可能由骨料本身力学性能不同 以及与水泥浆界面质量不同导致的。 减缩剂可以显著降低混凝 土的徐变。 孔结构 、 干燥程度、 应力分布等与徐变的定量关系有待进 一 步研究 。 参考文献： 1 L U RA P B R E U G E L V A N K E f f e c t o f c u ri n g t e mp e r a t u r e a n d t y p e o f c e m e n t o n e a r l y - a g e s h ri n k a g e o f h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e J C e - m e n t &C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 1 8 6 7 1 8 7 2 2 2 P I C K E T r G T h e e ff e c t o f c h a n g e i n mo i s t u r e c o n t e n t o n t h e c r e e p o f c o n c r e t e u n d e r a s u s t a i n e d l o a d 叨J o u r n al o f Am e ri c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 4 2 ， 3 8 ( 7 ) ： 3 3 3 3 5 5 3 宋灿， 徐伟 用修正 B 3 模型预测泵送高强混凝土的徐变J 】 _建筑材料 学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1 ) ： 1 0 1 1 0 4 4 】 丁文胜， 吕志涛， 孟少平， 等 混凝土收缩徐变预测模型的分析比较叨 桥梁建设， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 1 3 1 6 5 U H， WE E T H， WO N G S F E arl y a g e c r e e p a n d s h ri n k a g e o f b l e n d e d c e m e n t c o n c r e t e J A C I M a t e ri a l s J o u rn al， 2 0 0 2 ， 9 9 ( 1 ) ： 3 - 1 0 【 6 徐芝纶 弹l生 力学简明教程( 第二版) 【 M 】 京： 高等教育出版社， 1 9 8 3 7 】B RO O K S J J A t h e o r y f o r d r y i n g c r e e p o f c o n c r e t e J Maga z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 5 3 ( 1 ) ： 5 1 6 1 作者简介 联系地址 联 系电话 慕儒( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 博士， 研究方向： 高性能混凝土、 混凝土 结构耐久性。 天津市北辰区双口镇西平道 5 3 4 0 号 河北工业大学土木 工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) 1 3 6l 21 51 0 7 8 _ 藿 婴 豳 三峡 工程 被评 为混 凝土 坝国际 里 程碑 工程 在 2 0 1 1 年 9月 2 8日召开的“ 大坝技术及长效性能国际研讨会” 上， 三峡工程被中国大坝协会评为“ 混凝土坝国际里程碑工程” 。 据了解， “ 混凝土坝国际里程碑工程” 由中国大坝协会与美国大坝协会联合设立， 参与评选的工程要求工程本身有创新点， 注重生态 环境保护， 在国际上有一定的影响力， 工程完工后运行状态良好， 其工程经验对于未来同等类型工程的建设具有重要的参考价值和借鉴 意义。 该奖项的评选得到了国际大坝委员会和有关国 家大坝委员会的积极响应。 除三峡工程外， 伊泰普、 胡佛等4 座电站也获此荣誉。 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m