- 滨海地铁高耐久性地下结构关键技术研究
- 刘树亚 蔡跃波 陈湘生 陈迅捷
- 3010字
- 2025-02-16 02:46:18
2.3 混凝土抗裂性综合评价试验
采用温度-应力试验法，考虑一种粉煤灰和一种矿渣，四种不同掺量配伍（无掺合料、15%粉煤灰加35%矿渣、20%粉煤灰加40%矿渣以及60%矿渣），采用0.35、0.36、0.38和0.40四种水胶比共计8组试验，开展混凝土抗裂性指标的综合评价试验。
本书中采用温度-应力试验和B4cast温度应力分析软件联合对混凝土的综合抗裂性进行分析。
具体步骤为：先用B4cast软件进行建模，输入边界条件和材料参数，计算模拟施工浇筑条件下，不同配合比混凝土温度发展历程，根据模拟得到的温度过程线进行混凝土的温度-应力试验。
B4cast软件计算温度场时，需要输入20℃条件下各成熟度下胶凝材料的水化热。混凝土的成熟度按照等效龄期来计算，即认为混凝土绝对零度强度不发展。成熟度M（等效龄期）计算公式为
式中 Ti——i时刻对应的温度；
Δti——时间间隔。
根据式（2.1）得出相应龄期时混凝土的成熟度。
同时，根据混凝土绝热温升，计算混凝土胶凝材料体系的水化热。式（2.2）如下：
式中 θn——n天龄期混凝土绝热温升，℃；
Ck——混凝土试件的质量与混凝土平均比热的乘积，kJ/℃；
Qn——n天龄期胶凝材料水化热，kJ/kg；
W——混凝土试件的胶凝材料用量，kg/m3。
根据式（2.2）得出相应龄期混凝土胶凝材料的水化热。
表2.48以YSD38作为示例，给出了通过绝热温升，计算成熟度和胶凝材料体系的水化热，用于B4cast软件温度场的计算。
表2.48 根据绝热温升推算成熟度和水化热（以YSD38为例）
根据OriginPro 8.0非线性拟合功能，拟合成熟度与水化热的关系。图2.48以YSD38为例，给出拟合曲线及双曲线关系函数。
图2.48 YSD38水化热曲线拟合
进行温度-应力试验的8组混凝土胶凝材料体系的水化热拟合见表2.49。
在B4cast分析软件中进行建模，计算温度场。
根据《深圳地铁11号线后海站结构设计说明》，车站主体结构构件最大厚度尺寸为1100mm。建模：底板长5m×宽5m×高1.1m。
根据《福永站—地下高架分界区间设计说明》，要求控制入模温度≤28℃，温度-应力试验时，控制浇注温度为28℃。
参数取值如下：比热0.97kJ/（kg·℃），混凝土上表面对流散热系数45kJ/（m2·h·℃），底板与基岩的对流散热系数65kJ/（m2·h·℃）。
输入胶凝材料总量、水化热等参数，得出各个混凝土中心点的温度曲线。
以YSD38为例，计算得出的温度曲线如图2.49所示。
根据所得温度曲线，进行混凝土的温度-应力试验。
表2.49 混凝土中胶凝材料的水化热数据拟合
图2.49 B4cast计算的YSD38混凝土在不同结构部位点的温度曲线
2.3.1 温度-应力试验方法
温度-应力试验是主要研究单轴约束状态下温度应力导致的混凝土开裂风险的方法，所采用的主要设备是混凝土温度-应力试验机。这种设备最早由R.Springenschmid于20世纪80年代在开裂试验架的基础之上开发出来的。Kovler在此基础上增加了不受约束的自由变形试件，其结构原理示意如图2.50所示。受约束试件的一端固定在试验机机架上，另外一端可活动。混凝土试件的两端由两个钳状夹头夹紧，可以对试件实际发生的变形进行控制。通过变形测量系统可以测量试件的实际变形，在整个实验过程中，当这个变形达到1μm，计算机控制系统根据设定使位移控制系统运行起来，把这个变形减小并保持在1μm以内，在这种状态下试件的约束程度为100%。与此同时，所测量出的应力即为约束应力。试验时，活动端经由荷载传感器连接在步进电机的减速箱上。试件的温度变形和自生体积变形累计达到预先设定阈值（比如1μm）时，步进电机对活动端进行一次拉/压的回复动作，使其始终保持在原点，从而实现近似100%至其他不同程度的约束。
图2.50 温度-应力试验机原理
图2.51 本试验所用三台温度-应力试验机
试件处于温控模板的包围中。温控模板是空心的，可通过其内的循环介质对试件进行加热或冷却，使试件处于不同的温度历程（绝热、恒温或其他特定的温度曲线）。试件两侧平行设置两个位移传感器（LVDT）。计算机控制系统通过温度传感器、荷载传感器和位移传感器自动记录试件的温度、应力和变形。本试验所用温度-应力试验机如图2.51所示。
试验制度：采用温度匹配养护模式进行温度-应力试验。采用B4cast计算的温度曲线进行温度设定。混凝土浇注温度28℃。试验历时168h后混凝土降温至30℃左右，然后进行强制降温（降温速率1℃/h），直至试件断裂。温度-应力试验混凝土配合比参数见表2.50。
表2.50 温度-应力试验混凝土配合比参数
2.3.2 温度-应力试验
9组混凝土温度-应力试验结果如图2.52～图2.69所示，混凝土开裂指标见表2.51～表2.59。
1.试件YSD351
图2.52 YSD351温度曲线
图2.53 YSD351应力曲线
表2.51 YSD351混凝土开裂指标
2.试件SD36
图2.54 SD36温度曲线
图2.55 SD36应力曲线
表2.52 SD36混凝土开裂指标
3.试件YSD36
图2.56 YSD36温度曲线
图2.57 YSD36应力曲线
表2.53 YSD36混凝土开裂指标
续表
4.试件SD38
图2.58 SD38温度曲线
图2.59 SD38应力曲线
表2.54 SD38混凝土开裂指标
5.试件YSD38
图2.60 YSD38温度曲线
图2.61 YSD38应力曲线
表2.55 YSD38混凝土开裂指标
6.试件YSD38J
图2.62 YSD38J温度曲线
图2.63 YSD38J应力曲线
表2.56 YSD38J混凝土开裂指标
7.试件YSD383
图2.64 YSD383温度曲线
图2.65 YSD383应力曲线
表2.57 YSD383混凝土开裂指标
续表
8.试件YSD40
图2.66 YSD40温度曲线
图2.67 YSD40应力曲线
表2.58 YSD40混凝土开裂指标
9.试件YSD400
图2.68 YSD400温度曲线
图2.69 YSD400应力曲线
表2.59 YSD400混凝土开裂指标
混凝土试件的开裂温度、开裂温降和开裂时间见表2.60。
混凝土的开裂温降即为混凝土的最高温度与开裂温度的差值，综合考虑混凝土在温度应力、近似100%约束度、徐变等各项影响因素作用下混凝土约束应力发展，表征混凝土的综合抗裂性。开裂温降越大，表明混凝土容许的温度变化范围越大，抗裂性越好。混凝土的开裂温降为20～31℃。
开裂温度表明混凝土开裂时的温度，开裂温度越低，在施工中温控压力就越小。在施工监测中，关注开裂温度，即时采取必要措施，改善温控措施，减小混凝土开裂的风险。
表2.60 混凝土试件的开裂温度、开裂温降和开裂时间汇总表
2.3.3 结果分析
1.水胶比的影响
比较YSD36、YSD38、YSD40和SD36、SD38的抗裂性。对于引气的YSD36、YSD38、YSD40而言，水胶比对开裂温度、开裂温降以及开裂时间的影响不明显。
对非引气混凝土而言，SD36开裂温降为25.3℃，SD38开裂温降30.0℃，开裂温度高出4.7℃。
总体而言，随着水胶比的增大，混凝土的开裂温降有增大的趋势。
2.掺和料配伍的影响
比较YSD38、YSD383和YSD40、YSD400的抗裂性。
YSD383掺入60%矿渣、未掺加粉煤灰，开裂温度为20.1℃，是混凝土试验中开裂温降最低的一个配合比。在掺和料总掺量同样为60%时，掺和料组合为20%粉煤灰加40%矿渣，即YSD38混凝土的开裂温降增大为30.5℃。因此，改变掺和料组合，双掺矿渣和粉煤灰较单掺矿渣改善了混凝土的抗裂性。
YSD400未掺入任何掺和料，为纯水泥混凝土。混凝土最高温度为72.5℃，开裂温降为30.1℃，开裂温度为42.4℃。由于YSD400温升较高，混凝土产生了较大的预压应力，使混凝土的开裂时间得以延迟。YSD40开裂温降为30.5℃，开裂温度为24.3℃。尽管YSD40与YSD400开裂温降基本相当，但是YSD400开裂温度超过了40℃，两者的开裂温度相差高达18℃。在实际施工中，考虑深圳地区浇注温度的影响，混凝土极易开裂。
增大掺和料掺量，优化掺和料组合，有利于减小混凝土的开裂温度，提高混凝土的抗裂性。
3.含气量的影响
比较YSD36与SD36、YSD38与SD38的抗裂性。
掺加引气剂后，YSD36比SD36增大了开裂温降5℃。SD36开裂时间为147h，YSD36的开裂时间为172h。掺引气剂提高了混凝土的抗裂性能。
掺加引气剂后，YSD38与SD38开裂温降区别不明显，相差为0.5℃。开裂时间基本相同。
掺引气剂后，微小气泡减小了混凝土的弹性模量，提高了混凝土的弹性变形能力。总体来说，掺引气剂改善了混凝土的抗裂性能。
4.外加剂品种的影响
比较YSD38与YSD38J的抗裂性。
YSD38开裂温降为30.5℃，YSD38J开裂温降为27.9℃，两者相差2.6℃，YSD38J开裂温降略低，可能与该组混凝土掺加了聚羧酸减水剂有关，聚羧酸减水剂使水泥分散更均匀，加速了水泥的水化速度。总体来说，YSD38与YSD38J抗裂性能没有显著的差异。
改变外加剂品种，对混凝土的抗裂性影响不明显。