混凝土圆环约束开裂试验仪的评析.pdf

2 0 1 0年 第 1期 (总 第 2 4 3期 ) Nu mb e r l i n 2 O1 0 ( To t a l No 2 43) 混 凝 土 Co n c r e r e 工艺与设备 T E C H NI CS A ND E Q UI P ME NT d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 4 3 混凝土圆环约束开裂试验仪的评析 王迎春 ，张建峰 ，杨华全 ，周世华 ( 长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究 中心 ，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 收缩开裂是导致混凝土丧失耐久性 的最直接原因。 对国内外混凝土圆环约束开裂试验仪进行 了评述 ， 并阐述 了各方法的适用性 与不足。 关键词 ： 混凝土 ；收缩开裂；圆环法 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 O ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 1 3 6 0 3 St ud Y r e vi e w on r i n g s pe c i men un der r e s t r a i n e d sh r i n ka ge of c on c r e t e WANG Yi n g - c h u n ZHANG i a n f e n g， Y ANG Hu a q u a n， ZHOU S hi h u a ( C h a n g j i a n gR i v e r S c i e n t i fi cR e s e a r c hI n s t i t u t e ， C e n t e r o nWa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t ya n dDi s a s t e r P r e v e n t i o n o f t h e Mi n i s t r yo f Wa t e r R e s o u r c e s Wu h a n4 3 0 01 0， Ch i n a) Ab s t r a c t ： S h r i n k a g e c r a c k i n g i s t h e mo s t d i r e c t c a u s e wh i c h l e a d s t o t h e l o s s o f d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e I n t r o d u c e s t h e p r e s e n t r i n g s p e c i me n s u n d e r r e s r a i n e d s h r i n k a g e o f c o n c r e t e t h o r o u 曲l y a n d g i v e s t h e e v a l u a t i o n a b o u t t h e r e l a t i v e me ri t s o f e a c h t e s t me t h o d Ke y wor d s ： c o nc r e t e； s h ri n k a g e c r a c k i n g； r i n g typ e 0 引言 混凝土材料是土木工程、 水利水电工程以及许多建筑工程 中使用最为广泛的建筑材料之一。在混凝土材料大规模用于 道路、 桥梁 、 大坝等大体积建筑物建设的同时 ， 出现了一个难 以解决的问题混 凝土 的开裂 【 】1 。混凝 土一旦出现裂缝 ， 就 会破坏结构 的完整性 ， 降低混凝 土的耐久性而可能产生渗漏破 环， 导致混凝土结构的服务功能部分甚至全部丧失， 这需要耗 费大量 的人力物力进行补强加 固甚 至重建 。因此 ， 如何最大限 度的减小混凝土结构的开裂成为工程技术界亟待解决的一个 问题 。 导致混 凝土开裂 的因素是多种多样的 ， 包括混凝土材料本 身的性质、 施工质量、 温控措施 、 气候条件等 ， 其中干缩 、 水化热 以及温度变化是引起混凝土开裂的主要原因。正确地检测与评 价混凝土的收缩与开裂趋势， 是采取措施有效地减少或避免开 裂 的前提2 1 。目前 国内外有 比较多的研究 混凝土开裂的方法 ， 比 较 成熟 的主要有平板法 、 圆环法和单轴法。其中圆环 法可综合 反映混凝土干缩、 徐变 、 弹性模量等因素对试件开裂的影响， 因 此圆环 试验装置开发较早 、 发展很快 ， 本 文主要介绍 了国内外 混凝土圆环约束开裂试验仪， 并作出评议。 1 圆环约束开裂试验仪 的发展 与现状 圆环法最早是由MI T ( 麻省理工学院) 的 R o y W C a r l s o n于 1 9 4 2年提出， 当时是用来研究水泥净浆和砂浆的抗裂性 ， 此后 被各国研究人员广泛采用， 由于不同粒径骨料的使用， 试模尺 寸有了较大的改动 1 1 ACBM 方 法 由于以前的圆环对于比较长的样品很难提供足够的约束使 之产生裂缝 ， 特别是过渡区的直径很 大时也很难产生足够大 的 约束 。于是 1 9 9 0年美国西北大学 AC B M 研究 中心的 S P S h a h 提 出了 A C B M 方法。 A C B M 方法中试验装置 由一个钢环和一个纸质圆环外模组 成 ， 还包括一个 观测裂缝的显微镜装 置。钢环 内径为 2 5 4 r r l 1 ， 外径为 3 0 5 m m， 高度为 1 4 0 mm， 试件厚度为 3 5 mm， 如图 1 所 示 。 一般在试件成型后 1 d即将外模拆除 ， 将试件放置在温度为 2 O， 相对湿度为 1 0 0 的条件下养护4 d 。然后将试件的顶部 用硅橡胶密封， 使得只有试件的外圆周表面变干， 并将试件置 于温度为 2 0， 相对湿度为 4 0 的条件下f 3 1 。 AC B M 方法 中混凝 土圆环受到 内部的均匀 压力 ， 外部的环 向拉应力与内部表面的相差 1 0 ， 除了环 向应力外 ， 混凝土圆环 还受径 向压应力的作用 。但径 向压应力最大 只能达到环向应力 的 2 0 ， 因此可以认为混凝土试件的受力是均匀 的。由于只有试 件的外圆周与外部环境直接接触， 加上试件的宽度( 1 4 0 m l Y 1 ) 是 其厚度( 3 5 mm) 的4 倍， 因此假设沿试件的宽度方向是发生均匀 收缩的。当混凝土产生收缩时， 由于约束， 混凝土试件受到压力 的作用而产生应变。在开始阶段通过应变的测试结果， 可以计算 出来压力( 但随着徐变的发生， 压力将会减小) ， 当累积的压力超 过了材料的拉应力， 裂缝便会产生。 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 9 1 0 基金项 目：国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ； 长江科学院中央级公益性基本科研 ( Y、 F 2 0 O 8 l 3 ) 1 36 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 平 面图 硅橡胶 密封层 剖 面 图 A A 图 1 A CB M 方法采用的圆环仪尺寸( 单位 ： mm) A C B M 方法测试 自由收缩 的结果与试件 的尺寸无关 ， 受力 也比较均匀， 因此可以比较好的模拟混凝土的约束收缩开裂。但 由于混凝土试件的厚度只有 3 5 m m， 因此浇筑试件的混凝土骨 料的最大粒径不得超过 9 mm。此外 ， 对于宽度小 于 2 0 3 0 n 的裂缝， A C B M方法中的显微镜很难观测到。因此 AC B M方法 仅适用于砂浆 的开裂。 1 2 Ro a l l a和 AAS HTo 方 法 1 9 9 6年 E A R o g a l l a等依托美 国 T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B o a r d的研究项目， 对 S h a h的圆环仪规格进行了修改， 以适应 更大 骨料粒径的混凝 土开裂试验 。 在 R o g a l l a等提出的方法基 础上 ， AA S H T O形 成 了混 凝 土 开 裂趋 势评 估 方 法 A AS H T O P P 3 4 9 9 ， 规定 了详细的试验过程 ， 并 于 2 0 0 5 年重新确认有效。 在 A AS HT 0P P 3 4 _ 9 9 标准中， 钢圆环的巨变为( 1 2 7 -+ 0 ， 4 ) mm， 外直径为 3 0 5 mm， 高度为 1 5 2 rai n 5 1 ， 如图 2所示。弹性理论分 析表明， 减小钢圆环的厚度会显著增加钢圆环所受的压力， 但对混 凝土所受的压力影响却很小， 在钢环内部等距的安装 4 个应变 计如图3 所示。 实际上当试件开裂时， 经常只有 1 或 2 个应变计能 显示出应变的明显变化。 将试件放置在温度为( 2 1 1 7 ) ， 相对湿 度为 ( 5 O 4 的条件下养护。分析表明用这种方法研究混凝土的 开裂对于养护时间的长短非常敏感。如果试件仅仅在潮湿的环境 下养护 l d ， 混凝土中二氧化硅的含量对试件的开裂将会有明显的 影响； 如果养护 7 d或更长时间， 则会消除这种影响， 试件的开裂 也将与混凝 土中二 氧化硅 的含量无关 ， 因此对于用含有二氧化 硅的混凝土制成的试件应该连续养护 7 d 或更长时间旧 。 每 3 0 mi n 记录 1 次应变， 并观测是否产生裂缝。应变计的 应变值出现下降的时间为混凝土开裂的时间， 记录开裂后裂缝 A 平面 图 硅橡胶密封层 图 2 A AS HT O P P 3 4采用的圆环仪尺寸( 1 9 9 9) ( 单位 ： mm ) 图 3 A AS H T O PP 3 4采用 的圆环法试验装置图 的宽度及开裂特征。试件开裂后再观测两个星期， 记录应变的发 展过程和裂缝的宽度。 然后用 1 0 0倍显微镜沿环高度方向观测 裂缝宽度， 将环的高度等分为 3份， 即沿环高度方向平均取 3 点， 3 个宽度读数的平均值为此裂缝的宽度。测定裂缝的长度 和宽 度， 用裂缝的开裂面积( 或宽度) 表述混凝土的抗裂性能 。 AAS HT O方法可 以在混凝 土圆环收缩 的时候 测量钢 圆环 的应 变 ， 钢 圆环 的应变突然降低的时刻就是混凝土 圆环开裂 的 时间， 但这种简单 目测的第一次开裂的时间可能是有用的， 但它 不准确， 并且需要更长的时间。虽然目前 A AS HT O标准测试方 法为测试混凝土不同龄期的开裂提供了一种系统的测试方法 ， 但对于混凝土在何种程度可能出现开裂， 甚至是不开裂的情况 ， A AS HT O标准测试方法并不能提供直接的资料8 】 。而且由于混 凝土圆环试件的厚度为 7 6 mm， 因此起骨料的最大粒径不得超 过 3 0mm。 1 3 S e e和 AS TM 方 法 在 S h a h和 AA S H T O提出的方法基础上， 麦斯特建材公司 的 H_T S e e 等提出了自己的圆环规格 ， 并由AS T M 于 2 0 0 4年形 成了砂浆或混凝土的约束开裂标准试验方法AS T M C 1 5 8 1 - - - 0 4 ， 规定了详细的试验过程， 目前正在修订。 A S T M C 1 5 8 l 方法的试验圆环是由一个 I 3 i n to厚的钢圆 】 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 平 面 图 密 封层 木 底板 剖 面 图 A A 图 4 A S T M C 1 5 8 1采用的圆环法尺寸( 单位 ： mm) 图 5 A S T M 1 C 1 5 8 1圆环法试验装置示意图 环和一个内径为 4 0 6 I B I T I 、 高度为 1 5 2 mm P V C管的外模组成， 钢圆环与外模的间距为 3 8 IT II T I ， 两个圆环都放在涂有环氧树脂 的木质底板上 ， 如图 4所示 。 在 A S T M C 1 5 8 1 方法 中， 在钢 圆环的内圆周安装有 4 个螺 栓 ， 用以在混凝土装模的时候固定钢圆环， 在装模后立即松开 这些螺栓， 并使它们与钢圆环没有接触。同样在 P VC圆环上也 有 4个螺栓起相似的作用。在钢圆环内圆周上还安装有两个电 子阻抗应变计测量钢圆环的应变。在钢圆环的外侧喷雾， 尽量 减少钢圆环与混凝土试件的黏结。此外还需要将混凝土试件的 顶端表面密封， 使干缩仅发生在试件的外圆周上 ， 涉及开裂的 容积与面积比为 3 4 m i l l 。如图 5所示。将试件放置在温度为 ( 2 3 0 2 O ) 。 C， 相对湿度为( 5 0 4 ) o 0 的条件下养护 2 4 h后 ， 将外模 拆除， 并继续养护。 同时每 3 0 mi n 记录一次钢环的应变， 如果钢环 中一个或两个应变计的读书突然变小， 则表面试件开裂了f 。 在 A S T M C 1 5 8 l方法 中 ， 试样 内外环表 面的平均拉 应力 相差很小， 且环向拉应力远大于径向压应力 ， 因此可近似认为 内钢环提供均匀约束应力， 收缩沿厚度均匀分布。还充分考虑 了拉伸徐变对于混凝土约束干缩的影响。此外 AS T M C 1 5 8 1 方法中钢圆环的约束程度最高可达 7 5 ， 而 AAS H T O方法最 1 3 8 高仅能达到 6 0 ， 相比于AS HT O方法， AS T M C 1 5 8 1 方法中 试 样开裂 的所需要 的时问更短 。另外 由于干缩表面的高度 为 l 5 2 mm， 是其厚度 3 8 mm的4倍， 因此认为收缩是沿高度方向 的。但 由于试验样品的厚度限定 为 3 8 mE， 所以样 品混凝土 中 骨料 的最大粒径不能超过 1 3 m l n 。 2结语 圆环法还有 Wi t t ma r m方法和 S w a my方法等方法， 各种方 法根 据 自己的特点适用于不同的条件 。但 圆环法测试时间长 ， 敏感性差； 试件通常要经过较长时间才会出现初始裂缝， 有时 甚至因敏感性差而不会出现。而且圆环法作为一种被动约束， 较多用于定性研究 】 1 I ； 且要求试件混凝土骨料 的粒径不能过大 。 这 些都限制 了圆环 法的适用面 ， 对此要进行 深入 的研究 ， 根 据 国际上常用的几种圆环测试仪， 进步研究相互之间的联系和 可比性， 确定相对统一的测试评价方法， 来不断提高圆环法的 精确度和适用面。 参考文献 ： 【 l 】杨华全 ， 李文伟 水工混凝土研究与应用【 M】 E 京 ： 中国水利水 电出 版社 ， 2 0 0 5 【 2 覃维祖 混凝土的收缩、 开裂及其涮 介与防治叨混凝土 ， 2 0 0 1 ( 7 ) ： 3 - 7 3 】G R Y S B O WS K I M， S H A H S P S h ri n k a g e c r a c k i n g o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J AC I Ma t J ， 1 9 9 0 ， 8 7 ( 2 ) ： 3 9 5 4 0 4 4 K R A U S S P D， RO G A L L A E A T r a n s v e r s e c r a c k i n g i n n e w l y c o n s t r u c t e d b ri d g e d e c k s R N C HR P R e p o N o 3 8 0 ， T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B o a r d ， NC HR P P r o j e c t 1 2 3 7 ， F Y 9 2， 1 9 9 6 ： 1 3 2 【 5 】A A S H T O P P 3 4 9 9， S t a n d a r d p r a c t i c e f o r e s t i ma t i n g t h e c r a c k i n g t e n d e n c y o f c o n c r e t e S A A S HT O， 1 9 9 9 【 6 6 WH I T I N G D A， D E T WI L E R R J ， L A G E R GR E N E S C r a c k i n g t e n d e n c y a n d d r y i n g s h rin k a g e of s i l i c a f u me c o n c r e t e f o r b r i d g e d e c k a p p l i c a t i o n s J AC I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 1 ) 【 7 周世华， 董芸 ， 杨华全 混凝土收缩开裂测试技术的研究现状与评 述l J 水利发电， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 4 0 4 3 【 8 】H O S S A I N A B， WE I S S J A s s e s s i n g r e s i d u a l s t r e s s d e v e l o p me n t a n d s t r e s s r e l a x a t i o n J C e m e n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ( 2 6 ) ： 5 3 1 - 5 4 0 【 9 】A S T M C 1 5 8 1 - 0 4 ， S t a n d a r d t e s t me t h o d f o r d e t e r mi n i n g a g e a t c r a c k i n g a n d i n d u c e d t e n s i l e s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f mo r t a r a n d c o n c r e t e u n d e r r e s t r a i n e d s h ri n k a g e S A S T M I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 4 1 0 S e e H T ， A T Y I O G B E E K， MI L T E N B E R G E R M A S h ri n k a g e c r a c k i n g c h ara c t e r i s ti c s o f c o n c r e t e u s i n gr i n g s p e c i me n s J AC I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 3 ， 1 o o ( 3 ) ： 2 3 9 2 4 5 【 1 1 谢成新， 郑建岚 高性能混凝土的抗裂性能研究评述【 J 1 _福州大学学 报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 3 ( z 1 ) ： 2 9 7 3 0 0 作者简介 单位地址 联 系电话 王迎春( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 博士， 高级工程师， 主要从事水工混凝 土的研究与应用。 湖北省武汉市黄浦大街 2 6 9 号 长江水利委员会长江科学 院( 4 3 0 0 1 0 ) 02 7 8 2 8 2 9 7 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m