高掺量粉煤灰混凝土的早龄期徐变及应力松弛研究

赵志方，林王成

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)



高掺量粉煤灰混凝土的早龄期徐变及应力松弛研究

赵志方，林王成

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

摘要：介绍了高掺量粉煤灰混凝土的进展及早龄期混凝土徐变的概念和机理，以及受拉徐变的测定方法；同时给出了大掺量粉煤灰混凝土受拉徐变的研究案列，还对应力松弛的国内外研究进展作了评述，并展望绿色高性能高掺量粉煤灰混凝土的徐变和应力松弛研究。

关键词：高掺量粉煤灰混凝土；温度应力试验机；徐变；应力松弛

1高掺量粉煤灰混凝土

温室效应已成为全世界备受关注的环境问题。为了减少大量温室气体排放，并能充分利用大量工业副产品如粉煤灰和矿渣，从而节约土地资源和改善环境，使用矿物掺和料来代替大量的水泥熟料是理想的方法之一。在混凝土中合理应用矿物掺和料不仅能提高混凝土早龄期抗裂性，还能提高结构混凝土的耐久性[1-2]。

高掺量粉煤灰混凝土(HVFC)较于普通掺量粉煤灰混凝土，其水胶比更小且粉体含量更大，使其水化硬化过程和内部微结构发生变化。Malhotra[2]将粉煤灰占胶凝材料总质量50%及以上的混凝土定义为HVFC。为了节能环保和提高大坝混凝土的耐久性而探索进一步提高粉煤灰在水工混凝土中的掺量，近年来中国葛洲坝集团试验检测有限公司和浙江工业大学依托我国新近建设的高拱坝，通过数年系统试验研究，降低用水量和水胶比，研发出粉煤灰掺量超过70%的超高掺量粉煤灰水工大体积混凝土[3]。

2徐变

2.1徐变概念和机理

混凝土在受约束情况下，决定其早龄期抗裂性能的因素不仅与其几何形状、温度条件和约束程度有关，还取决于其早龄期强度、弹模和受拉徐变等早龄期物理力学性能的发展。早龄期混凝土在受约束条件下，因徐变而缓解由体积变化造成的拉应力达60%以上，受拉徐变的研究对客观评价混凝土早龄期开裂敏感性具有重要意义[4]。

混凝土结构在持续荷载作用下的变形随时间不断增加的现象称为混凝土的徐变。混凝土的徐变有利有弊，一方面它会使结构的变形增大，在预应力结构中还会使预应力损失，这是它不利的地方。另一方面徐变能使约束拉应力降低，也能使收缩裂缝减小，还可使钢筋混凝土的应力重分布来消除局部的应力集中，这些都是有利的。从1907年Hatt第一个发现混凝土的徐变到现在已经一个多世纪，许多学者研究徐变取得了较多成果，其中对硬化混凝土长期徐变性能做了大量且深入的研究，但很少有对混凝土的早龄期徐变性质进行研究。然而，为了客观评价混凝土的早龄期开裂敏感性就亟需研究混凝土的早龄期徐变性能。

在1934年，C.G.Lynam[5]发表了关于混凝土徐变渗流理论的文章，他认为由于胶凝粒子表面可吸附水且在荷载作用下可使这些粒子的层间水进行流动引起徐变。F.G.Thomas[5]又在1937年提出了混凝土的黏性流动理论：将混凝土分为两部分，一部分是惰性骨料，该部分不会因荷载作用产生流动；另一部分是水泥浆体，它会因荷载作用而进行黏性流动。骨料会在混凝土受到荷载作用时阻碍水泥浆体的流动，从而承受更高的应力。因此，水泥浆体所受的应力会随时间的增长而逐渐减小，骨料就承受了由水泥浆体转移而来的应力，使徐变速率慢慢降低。

徐变的机理很复杂[6]，这与水化水泥浆的黏性流动、从凝胶孔到宏观孔的水渗流、因硬化水泥浆和骨料的晶体滑移和局部断裂引起的塑性变形和内部微裂等因素，在硬化水泥浆中引起滑移等这样的微结构性能有关。

各国学者在研究徐变机理的同时，也致力于对徐变进行数值模拟。徐变周期较长且复杂，各国学者提出了几种不同的徐变估算方法。1970年欧洲混凝土委员会和国际预应力联合会(CEB/FIP)建议采用公式估算徐变[7]。CEB/FIP在此基础上又于1978年将徐变分为可恢复徐变(迟后弹性变形)和不可恢复徐变(塑性流动)两部分[7]，并给出28 d的徐变模型。1978年，Bazant和Panula又提出了BP完全版[8]和简化版[9]模型。美国混凝土协会(ACI)提出了模型较为简单的双曲-幂函数式[10]。我国的朱伯芳根据国内外相关的徐变试验资料，又得出关于水工混凝土徐变度的经验公式[11-12]，并得到验证。

早龄期徐变尤其是早龄期受拉徐变对分析由温度应力和自身收缩引起的开裂具有重要作用。Neville将徐变定义为基本徐变和干缩徐变两类[5]。在没有水分流失的环境中且随时间变化产生的变形称为基本徐变。在结构混凝土受干燥作用，又超过基本徐变的额外徐变就是干缩徐变。干缩徐变又称为Pickett效应。因此总徐变应是基本徐变和干缩徐变之和[5]。

2.2早龄期受拉徐变的测定

测量早龄期受拉徐变难度较大，现今大部分研究采用以下两种方法。一种是在混凝土试件上用装置施加恒定的荷载[13]。该方法先对混凝土试件施加由混凝土早期抗拉强度确定的恒定荷载，但鉴于早期混凝土抗拉强度较低的原因，这个装置比较适用测定3 d后的受拉徐变。第二种方法就是单轴约束试验装置，该方法能够通过控制约束程度和温度变化测定不同条件下的徐变变形[14]和约束应力。早期受压徐变在混凝土因温度变化而变形时产生压应力时测定，早期受拉徐变可以当混凝土受约束时发生自生收缩和干燥收缩出现拉应力时测定。

单轴约束的温度应力试验装置最早由Springenschmid研发，Springenschmid最初也探索了温度应力对混凝土早龄期抗裂性的影响[15]，但Springenschmid采用的还是不能调控约束程度的开裂试验架。Kovler[14]于1994年研发了用于水泥浆常温试验的单轴约束设备，但没有控温装置，不能做变温温度历程养护下的早龄期抗裂性研究。我国第一台TSTM由覃维祖教授及其研究团队于2002年研发并对混凝土的早龄期抗裂性进行了大量研究[16-18]。

许多学者曾采用TSTM对早期拉伸徐变进行了较多研究。其中Altoubat[19]就专门研究了混凝土早期收缩与徐变的关系。Altoubat根据Bazant[9]的徐变理论，将在干燥、覆盖和潮湿条件下养护的混凝土的收缩行为进行比较，并把徐变、基本徐变和干缩徐变与混凝土的早期干燥收缩分离开，建立混凝土早期的徐变模型，该模型能结合有限元方法对混凝土结构的早期收缩应力进行计算。但是，Altoubat的研究并没有考虑到对早龄期大体积混凝土更为重要的约束条件下的自收缩变形和温度变形共同作用下的徐变与应力松弛，因此不完善。Lennart ∅stergaard等[20]根据对早龄期混凝土在不变荷载下的受拉徐变研究，得出了荷载和徐变变形的关系。Gutsch[21]等研究后表明了不同的观点，早龄期混凝土在受到荷载作用后，表现出明显的黏弹性行为，但是初始应力与强度的比和徐变的关系不大。Umehara等[22]、Hauggaard[23]和Atrushi[24]还对温度如何影响早期受拉徐变进行了研究，发现早期受拉徐变会因温度升高而提高。

2.3大掺量粉煤灰混凝土早龄期受拉徐变

李飞对大掺量粉煤灰混凝土的徐变进行研究，所测得普通混凝土和大掺量粉煤灰混凝土徐变见图1和图2[18]，得出如下结论：在约束条件下，由于粉煤灰减小自收缩及自身约束应力，大掺量粉煤灰混凝土的早期徐变能力高于普通混凝土，有更高的松弛能力。

图1　普通混凝土徐变[18]

图2　大掺量粉煤灰混凝土徐变[18]

3应力松弛

混凝土呈现黏弹性和黏塑性的性能。徐变和应力松弛在实际结构中同时发生。从本质上讲，徐变和应力松弛是黏弹性行为在两个不同方面的表现[5]。在混凝土构件受载时，混凝土变形具有明显的延时性。持续荷载作用下，除瞬时的弹性变形，徐变逐步发展。要保持混凝土应变为常数，就须减小施加的荷载。减小的部分称为松弛应力，这种现象称为应力松弛。混凝土中的应力会因徐变的增加而松弛。通过对应力松弛的研究，可以提高对混凝土早期黏弹性行为的认识。

应力松弛的研究相对徐变要少很多，且试验存在复杂不易控制等缺点。常规的方法一般用于测试硬化混凝土，先测定混凝土徐变，之后再换算得到需要的应力松弛系数。在许多的方法之中，最为实用的方法为徐变率法。该方法需要一条徐变龄期曲线就可以将应力松弛发展的情况进行预测，但是这种方法存在其片面性，特别是无法正确估算后期混凝土应力松弛能力。

Brooks[25]等研究表明加载14 d的轻骨料混凝土，在恒定的应变条件下比在恒定应力条件下的应力松弛发展要快，同时也建立了关于徐变系数和应力松弛系数之间的关系。Hossain[26]等采用环形试验对砂浆进行了研究。研究得到了砂浆的自由收缩，环的变形和弹性模量，再通过计算弹性应力，并与约束应力进行比较，反映出材料应力松弛的能力。

张涛[17]基于温度应力试验机的半绝热条件模式，对由徐变引起的应力松弛的松弛系数进行了测定，通过对比不同配比的混凝土，得出在全约束条件下，早期松弛系数约为0.5～0.8，即能松弛20%～50%的约束拉应力，其所做的早龄期松弛系数见图3[24]。且不同的混凝土也有明显的区别。但并没有涉及高掺量粉煤灰混凝土的测定。

图3　混凝土的应力松弛系数[17]

李飞[18]采用温度应力试验机对不同水灰比的混凝土在100%约束条件下进行了研究，指出混凝土的黏弹性行为对其早龄期约束应力具有松弛作用，可改善混凝土的抗裂能力。且使用张涛的早龄期徐变数据建立了早龄期徐变的流变模型，来对早龄期的应力松弛进行模拟，并建立了混凝土黏弹性指标与早龄期徐变松弛系数之间的关系，其所作不同水胶比的混凝土的平均松弛系数见图4[25]。

图4　混凝土平均应力松弛系数[18]

4结语

高掺量粉煤灰混凝土作为绿色环保混凝土，具有可持续发展性。其早龄期各项物理力学性能测试存在一定的困难，特别是拉应力状态下的徐变与应力松弛，国内外的研究非常稀少。为更好地了解高掺量粉煤灰混凝土早龄期的开裂敏感性和其在结构中的耐久性，其早期徐变和应力松弛的分析研究必不可少且需深入。

参 考 文 献

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收稿日期：2016-03-08

基金项目：国家自然科学基金(51479178)；浙江省自然科学基金(LY14E090006)

作者简介：赵志方(1970—)，女，河南洛阳人，教授，研究方向为混凝土材料与结构。

中图分类号：TU528

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)07-0044-04

Study on the Slowly Change at the Early Age and StressRelaxation for the Concrete with High Flyash Content

ZHAO Zhifang, LIN Wangcheng