摘 要: 量测了28 个商品混凝土无筋构件在360d 内的收缩变形,主要考虑了4 个参数(混凝土的龄期、混凝土抗压强度、环境条件和构件尺寸) 对构件收缩变形的影响。回归67 组试验数据,首先得出了标准条件下无筋构件收缩变形随龄期和强度变化的估算公式;其次,变化构件所处的环境条件和构件尺寸,采用多系数乘积的叠加原理,回归得出了非标准条件下无筋构件的收缩变形估算公式,公式的计算结果与130 组试验数据符合良好,精确度较高,可以满足工程上的应用需要。
关键词: 商品混凝土; 收缩; 变形
中图分类号: TU 378 文献标志码: A 文章编号:167124431 (2007) 专辑Ⅱ20075204
近年来,商品混凝土在应用过程中,发现其构件较易出现收缩裂缝,成为混凝土结构的常见通病之一。
分析其原因,则认为是由于商品混凝土的组分较以往普通混凝土发生了较大的变化,从而造成其收缩变形明显增大的缘故;而且,基于普通混凝土试验基础上得出的计算公式已不再适用于商品混凝土收缩变形的计算。因此,有必要对商品混凝土的收缩变形展开进一步的试验研究[1 ,2 ] 。
1 试验方案
1. 1 试验构件的设计及量测
共设计28 个无筋混凝土构件,构件均采用标准收缩构件尺寸:100 mm ×100 mm ×515 mm。构件的主要变化参数为:混凝土28 d 立方体抗压强度、环境条件和混凝土的龄期。由于条件所限,不可能将混凝土的各个组分(诸如水泥用量、水灰比、骨料状况等) 对收缩的影响一一进行试验研究,而将其归结为混凝土强度的影响,为此,将混凝土28 d 立方体抗压强度作为构件的主要变化参数之一,试验中构件的强度变化范围为27. 5 —74. 3 MPa[3 ] ;环境条件选为构件所处的标准养护环境和自然养护环境,标准养护环境下,构件(1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6) 置于温度为20 ℃,湿度为90 %以上的养护室内;自然养护环境下,构件(4N2 ,5N4 ,27N4和25N6) 置于室外,室外温度变化范围为:9 —36 ℃,相对湿度变化范围为:9 % —100 % ,以研究构件周围环境对收缩变形的影响;为研究混凝土收缩变形随龄期变化的情况,对1S2 ,2S4 ,4N2 和5N4 构件分别测定其1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、20 d、28 d、45 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d 和360 d 龄期时的收缩变形;对19S4 ,26S6 ,27N4 和25N6 构件则在1 —28 d 龄期内测定其每天的收缩变形,详见表1 。
采用混凝土收缩膨胀仪量测构件在试验期内的长度变化值,然后再转化为收缩变形值。收缩膨胀仪的标准杆长度为540 mm ,端部装有精度为0. 01 mm 的百分表。于2003 年4 月8 日开始量测,得到不同强度、不同环境条件和不同龄期的混凝土收缩数据共计130 组。
1. 2 混凝土的配合比
试验中所用的混凝土配合比由郑州市鑫海混凝土公司按其现用的配合比提供,各种强度等级1 m3 混凝土中各种材料的用量见表2 。
2 混凝土无筋构件收缩影响因素的分析
2. 1 混凝土龄期和抗压强度的影响
从图1 —图2 中可以看出:在2 种养护环境下,混凝土在拆模后即出现收缩变形,随着龄期的增长收缩变形也随之增加,在早期(28 d 内) 收缩变形发展很快,此后逐渐缓和下来,90 d 后渐趋于稳定。标准养护环境下构件的360 d 收缩变形达(140 —160) ×10 - 6 ,自然养护环境下构件的360 d 收缩变形达(260 —320) ×10 - 6 ;而且在某一给定龄期,随着混凝土抗压强度的提高,混凝土的收缩变形也随之增加,以图1 为例:26S6构件(74. 3 MPa) 28 d 的收缩变形为138με,1S2 构件(27. 8 MPa) 28 d 的收缩变形为77με,2S4 (52. 0 MPa)和19S4 (41. 3 MPa) 构件28 d 的收缩变形分别为122με和94με,这是因为随着混凝土抗压强度的提高,其水泥用量增大,水灰比减小,使混凝土内部有更多的空间用于自由水的扩散,从而减少了混凝土抵抗变形的刚度,引起混凝土的收缩也随之增加。
2. 2 环境条件(温度和相对湿度) 的影响
图3 为构件1S2 和4N2 的收缩变形比较。4N2 构件所处环境的变化情况为:温度变化为11 —33 ℃;相对湿度变化为31 % —100 %。对温度及相对湿度变化取平均值,得出4N2 构件所处环境的平均温度T 为20. 69 ℃,平均相对湿度R H 为68 %;1S2 构件所处环境的平均温度T 为20 ℃,平均相对湿度R H 为95 %。
由图中可以看出:在任一给定龄期,4N2 构件的收缩变形要大于1S2 构件的收缩变形,即随着环境温度的升高,湿度的降低,混凝土失水越多,造成其收缩变形也越大。值得一提的是1S2 构件与4N2 构件相比,其收缩变形曲线图较为光滑,这是因为1S2 构件处于恒温恒湿的环境,而4N2 构件所处环境的温度和相对湿度一直处于不断的变化之中,在此环境下混凝土的收缩曲线图出现了胀缩交替的波动情况,这些波动与大气温度和相对湿度的波动大致对应,例如:4N2 构件90 d 的收缩变形为207 ×10 - 6 (温度T 为31 ℃,平均相对湿度R H 为69 %) ;120 d 的收缩变形为229 ×10 - 6 (温度T 为33 ℃,平均相对湿度R H 为71 %) ;150 d 的收缩变形为210 ×10 - 6 (温度T 为30 ℃,平均相对湿度R H 为95 %) [4 ] 。
2. 3 构件尺寸的影响
构件截面尺寸的大小对混凝土收缩有较大的影响,因为混凝土内部水分是从裸露表面蒸发散失的,在同一环境条件下,构件的截面尺寸越大,混凝土收缩则越小。国内外表示构件尺寸大小的方法很多。有的采用构件体积与表面积之比( V / S ) ;有的采用理论厚度( h0 = 构件横截面面积/ 与大气接触的半周长) ;有的采用构件横截面的水力半径倒数值(τ= S / A , S 为横截面周长) 。在进行详细地比较分析之后,试验中采用理论厚度h0 来反映构件尺寸对混凝土收缩变形的影响,随着理论厚度h0 的增大,混凝土收缩越小。
3 标准条件下无筋构件收缩变形的基本方程
由于影响混凝土收缩的因素众多,其计算很难获得精确值,只能称作为估算。混凝土收缩的多系数估算公式,由基本方程和一系列的影响系数2 大部分组成。基本方程一般是由试验所得的标准状态下混凝土收缩随时间变化的曲线回归而成,它可能是用指数函数、双曲线函数、对数函数、双曲线2幂函数等表示;多系数数学表达式中的一系列影响系数也是通过试验来确定,在确定某个影响系数时,则采用固定其它因素,变化某个因素的方法,因此,根据系数叠加原理可写成
εsh ( t) = εsh0 ( t) ·β1 ·β2 ⋯⋯βn
式中,β1 ,β2 , ⋯,βn 分别表示各种影响因素的系数,如环境湿度影响系数;构件尺寸影响系数等。
试验中收缩变形确定的标准条件是:混凝土构件中不掺膨胀剂,其截面尺寸为100 mm ×100 mm ,养护方法为标准养护(温度为20 ℃,相对湿度为90 %以上) 。对于符合上述标准条件的1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6构件,它们的收缩变形随龄期的增长而增长,二者大致呈对数关系;而且在某一给定龄期随着混凝土强度的提高,收缩变形也随之增加,按照此收缩变形发展规律,利用试验数据回归得出混凝土无筋构件在标准条件下收缩变形的估算式(2) 。
式中, t 为龄期(d) ; f cu为混凝土28 d 立方体抗压强度(MPa) 。
式(2) 的相关系数R = 0. 989 ,将式(1) 的计算值与1S2 、2S4 、19S4 和26S6 构件的67 组试验数据相比,比值的平均值μ= 1. 025 ,标准差σ= 0. 142 ,变异系数δ= 0. 138 ,公式的计算结果与实测结果符合良好[5 ] 。
4 非标准条件下无筋构件收缩变形的多系数估算公式
4. 1 温湿度影响系数
此次试验共考虑了4 种不同的环境条件,即4N2 构件所处的环境条件:平均温度T = 20. 7 ℃,平均相对湿度R H = 68. 1 % ,对应的标准构件为1S2 ; 5N4 构件所处的环境条件:平均温度T = 22. 5 ℃,平均湿度R H = 64. 4 %,对应的标准构件为2S4 ; 27N4 构件所处的环境条件为: 平均温度T = 22. 2 ℃,平均湿度R H = 73. 4 % ,对应的标准构件为19S4 ; 25N6 构件所处的环境条件为: 平均温度T = 27. 6 ℃,平均湿度R H = 71. 4 % ,对应的标准构件为26S6 。取测试龄期内4N2 ,5N4 ,27N4 和25N6 的实测收缩变形与对应的1S2 ,2S4 ,19S4 和26S6 的计算收缩变形(式(2) ) 之比的平均值作为因变量,上述对应的平均温度和平均相对湿度为自变量,回归出温湿度影响系数β1
β1 = 2. 302 + 0. 088 T - 0. 034 R H (3)
式(3) 的相关系数R = 0. 994 。从式(3) 中可以得出,混凝土所处环境的温度越高,相对湿度越低,β1 值越大。当构件所处环境为标准养护环境时,温湿度影响系数β1≈1 。
4. 2 构件尺寸影响系数
由于试验工作量大和试验条件的限制,此次试验中只做了100 mm ×100 mm 截面尺寸的构件,为此,参考中国建筑科学院于1987 年完成的“混凝土收缩与徐变的试验研究”资料,对试验数据进行回归分析确定出构件尺寸影响系数β2 。
β2 = 1. 053 1 - 0. 001 3 h0 (4)
式中,h0 为构件的理论厚度。
式(4) 的相关系数R = 0. 981 。当构件截面尺寸为100 mm ×100 mm 时, h0 = 50 mm ,此时β1≈1 。
4. 3 混凝土收缩变形的多系数估算公式
在非标准条件下,混凝土的收缩变形多系数估算公式为
εsh ( t) = εsh0 ( t) ·β1 ·β2 (5)
式中各符号意义同上。对于1S2 ,2S4 ,19S4 ,26S6 ,4N2 ,5N4 ,27N4 和25N6 构件,将式(5) 的计算结果与其130 组试验数据相比,比值的平均值μ= 1. 014 ,标准差σ= 0. 152 ,变异系数δ= 0. 149 ,由此可知:式(5) 的计算结果与实测的试验结果符合良好,能满足工程上的应用要求。
参考文献
[1 ] 苏清洪. 加筋混凝土收缩徐变的试验研究[J ] . 桥梁建筑,1994 , (4) :11218.
[2 ] Persson B. Experimental Studies on Shrinkage of High2performance Concrete [J ] . Cement and Concrete Research ,1998 ,28 :102321036.
[3 ] 吴培明. 混凝土结构(上册) [M] . 武汉:武汉工业大学出版社,2001.
[4 ] 陈 萌. 常用混凝土收缩公式的比较研究[J ] . 邮电设计技术,2004 , (6) :53256.
[5 ] 汪荣鑫. 数理统计[M] . 西安:西安交通大学出版社,1996.
