等强条件下混凝土收缩徐变试验研究与现场监测

0 前言 随着我国经济的发展， 高铁建设大规模兴起， 其中包括一些大跨度预应力混凝土桥梁建设，其沿 线的服役环境严峻且差别较大，施工工期紧，同时 设计承受的列车时速高。 因此，要求混凝土具有优 良的耐久性和体积稳定性。 收缩徐变是混凝土体积 稳定性最重要的组成部分，也是造成大跨度混凝土 桥梁预应力损失、长期变形和内力重分布显著增加 的重要原因之一[1]。 因此，要求混凝土收缩徐变终值 较小，并尽快达到稳定，以保证桥梁运营的安全性 和稳定性。 高铁混凝土强度一般较高，故必须考虑 自收缩的影响，特别是对短期内要求进行预应力张 拉的混凝土。 目前，混凝土收缩徐变的研究主要集 中在单因素控制条件下矿物掺合料对其影响规律 和机理分析以及各种模型的修正和预测等 [2~7]，其强 度在不断变化，对工程缺乏相应的指导意义，而纤 维和减缩剂的研究仅侧重于对收缩的影响[8~10]，鲜见 对徐变的影响报道。 对于既定的混凝土工程，其强 度根据结构设计为固定值，结合沪杭高铁特大跨桥 梁混凝土 5～7d 达到 C50， 弹性模量达到 35.5GPa， 以进行预应力张拉的要求， 开展了 7d 等强条件下 混凝土组分对收缩徐变的影响研究，以配制和优化 高铁混凝土，然后对在建的预应力混凝土桥梁进行 现场应变监测，并与常用的 JTG D62-2004《公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵#设计#》（简称 04 公路规范）中收缩徐变计算值对比，为后续的监测 工作和工程建设提供技术指导。 孟凡利 1，何智海 2，钱春香 2，钱桂枫 3，程 飞 3 （1. 中铁十二局，太原 230032; 2. 东南大学材料科学与工程学院，南京 211189; 3. 沪杭客专股份有限公司，上海 200000） 摘 要：采用自制的试验装置，研究了混凝土组分对 7d 等强条件下混凝土收缩徐变的影响规律和机理，以配制 和优化高铁混凝土。 通过现场监测在建预应力混凝土桥梁的应变，并与 JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力 混凝土桥涵设计规范》的计算值进行了比较。 结果表明，双掺质量比 2:1 的粉煤灰和矿渣及掺用减缩剂（SRA）可以 有效降低混凝土收缩徐变，其中以掺减缩剂效果最好；聚乙烯醇（PVA）纤维可以降低自收缩，但会增加干燥收缩和 徐变，不宜用于配制高铁混凝土；排除弹性和温度应变的影响，现场监测的收缩和徐变应变在加载 80d 左右趋于稳 定，保持在（165～200）×10-6之间，各跨中截面的下底板应变略高于上顶板值；计算值与监测值相差很大，计算值过于 保守，不宜直接用于指导工程施工。 关键词：等强；收缩；徐变；监测；减缩剂 Abstract: The influence law and mechanism of concrete constituents on shrinkage and creep of concrete with 7 days same compressive strength are studied by the self -made test device to produce and optimize concrete for high speed railway. The test strains of prestressed concrete bridge under construction by field monitoring are compared with the calculated values by use of the design specifications of prestressed concrete bridge and culvert and highway reinforced concrete (JTG D62-2004). The results indicate that shrinkage reducing admixture (SRA) and the mass ratio 2:1 of fly ash and slag can reduce effectively shrinkage and creep of concrete，and the effect with SRA is best. Polyvinyl alcohol (PVA) fiber can decrease autogenous shrinkage, but increase dry shrinkage and creep, which is not suitable to produce concrete for high speed railway. The test shrinkage and creep strains by field monitoring tend to be stable after about 80 days’ loading, which is keeping on (165～200)×10-6, and the bottom plate strains of mid-span sections are a little more than these of upper plate except elastic strains and temperature strains. The calculated values differ obviously from the test values, and the calculated values are over -conservative, which are not suitable to directly guide the engineering construction. Key words: Same compressive strength; Shrinkage; Creep; Monitoring; Shrinkage reducing admixture 中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1000-4637（2011）01-13-05 等强条件下混凝土收缩徐变试验研究与现场监测 基金项目： 沪杭客运专线特大跨桥梁主梁混凝土材料收缩 徐变控制与耐久性提升技术项目（2010g004-h）。 2011年第 1期 混 凝 土 与 水 泥 制 品 2011 No1 1月 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS January 13- - 1 试验 1.1 原材料 水泥为 P·Ⅰ52.5 级水泥；粉煤灰为电厂干排的 Ⅰ级粉煤灰，细度（45μm 筛余）为 6.55%，表观密度 为 2.26 g/cm3；矿渣为江西某厂生产的 S95级粒化高 炉矿渣超细粉，比表面积为 400m2/kg；纤维为上海某 工程纤维材料有限公司生产的 6mm 长 PVA 纤维， 抗拉弹性模量为 40GPa，断裂延伸率为 13%；减水 剂为江苏某公司研制的 JM-PCA 聚羧酸高效减水 剂； 减缩剂为江苏某公司研制的 JM-SRA 减缩剂； 细骨料为河砂，细度模数 2.50，级配区间 2 区，表观 密度 2.61g/cm3； 粗骨料为石灰石碎石， 表观密度 2.71g/cm3， 分为 5～10mm 和 10～25mm 两种级配，按 质量比 3:7掺用；水为自来水。 1.2 试验 沪杭高铁特大跨桥梁用混凝土要求在 5～7d 强 度达到 C50 强度等级， 弹性模量在 35.5GPa 以上， 以有利于预应力的张拉。 据此，开展了 7d等强条件 下双掺粉煤灰和矿渣 （2：1）、PVA 纤维和减缩剂对 混凝土收缩徐变的影响研究，以便优化混凝土配合 比。 保持混凝土砂率和胶凝材料总量不变，调整水 胶比， 以保证混凝土 7d 等强要求； 调整外加剂掺 量，以保证混凝土的工作性，并配制了空白混凝土 做对比，具体配合比和 7d抗压强度见表 1。 1.3 试验方法 混凝土的自收缩采用千分表测试。 试件尺寸为 自制 覫40mm×160mm 的圆柱有机玻璃试模。 混凝土 与模具之间有一层很薄的聚四氟乙烯薄膜，并涂抹 凡士林以减小摩擦，混凝土初凝后抽掉薄膜，采用 柔性密封聚丙烯薄膜对试件进行多层密封，并在其 表面涂覆一层石蜡， 以保证试件收缩不受限制，同 时避免水分损失，其测试装置如图 1所示。 混凝土干燥收缩按 GB/T50082-2009《普通混凝 土长期性能和耐久性能试验方法》中收缩试验 进行测试。 磁性支座 图 1 自收缩测试简图 千分表 石蜡 混凝土 测头 有机玻璃试模 架子 底板 表 1 混凝土配合比和 7d 抗压强度 试样编号 混凝土配合比/（kg/m3） 抗压强度 /MPa水泥 粉煤灰 矿渣 砂 石 水 PVA 纤维 减缩剂 减水剂 A B C D 480 384 336 384 - 96 96 96 - - 48 - 708 708 708 708 1062 1062 1062 1062 150 135 137 135 - 1.3 - - - - - 9.6 3.60 5.52 4.32 3.84 53.2 52.9 53.4 52.8 徐变试验采用自制的徐变加载装置进行。 试件 尺寸为 130mm×130mm×400mm， 采用木模成型，中 间预埋 PVC管作为加载时钢筋的通道，四个试件组 成一串，俗称“葫芦串”，7d 脱模，采用 100t 的穿心 式千斤顶对预应力钢筋进行张拉，通过振弦式压力 传感器控制加载至试件棱柱体抗压强度的 40%，应 变采用振弦式混凝土应变计测定，如图 2 所示。 试 验期间环境温度控制在（20±1）℃，相对湿度为（60± 5）%。 1.4 结果与讨论 1.4.1 自收缩 图 3 为混凝土组分对自收缩的影响。 从自收缩 发展速度来看，混凝土自收缩 72h（3d）前发展速度 很快 ，基本达到 672h （28d）的 80%以上 ，到 168h （7d）基本达到 672h（28d）的 90%以上，而掺减缩剂 的试件 D 在 168h（7d）时仅为 672h（28d）值 157×10-6 的 76%，其发展速度表现出一定的“滞后效应”。 从 672h（28d）自收缩值来看，相比于空白混凝土试件 A 的 246×10-6，掺 PVA 纤维试件 B、双掺矿物掺合料 试件 C 和掺减缩剂试件 D 分别下降了 17.5% 、 30.1%和 36.2%，可以看出，掺 PVA 纤维、双掺矿物 掺合料和减缩剂均明显降低了混凝土的自收缩值， 其中以掺减缩剂效果最佳，双掺和掺 PVA 纤维试件压力传感器 锚板 隔板 应变计 钢筋 图 2 徐变试验简图 400 400 400 400 13 0 2011年第 1期 混凝土与水泥制品 总第 177期 14- - 按顺序次之。 PVA 纤维是一种高强高弹模纤维，在混凝土中 的三维乱向均匀分布，可以有效降低混凝土的收缩 应力集中，使自收缩分散、细化和均匀，从而降低掺 PVA 纤维混凝土的自收缩；粉煤灰和矿渣的活性效 应不一样， 其二次水化反应有互补和协同效应，水 化产物以凝胶相为主，避免了大量 Ca(OH)2 晶体定 向排列，提高了混凝土的弹性模量并改善了界面结 构，未反应的粉煤灰和矿渣发挥的微集料效应也起 到了抑制双掺混凝土自收缩的作用 [4]；减缩剂可以 降低混凝土中毛细孔溶液的表面张力，从而显著降 低混凝土的自收缩，同时减缩剂也会延缓胶凝材料 早期的水化速率[11]，细化其孔隙结构，提高混凝土密 实度，故而降低了自收缩发展速度。 1.4.2 干燥收缩 图 4 为混凝土组分对干燥收缩的影响。 从干燥 收缩发展速度来看，混凝土干燥收缩 90d 左右发展 较快，达到 365d 的 85%以上，趋于稳定；从 365d 干 燥收缩值来看， 相比于空白混凝土试件 A 的 238× 10-6，掺 PVA 纤维试件 B 增加了 16%，而双掺矿物 掺合料试件 C 和掺减缩剂试件 D 分别下降了 17% 和 27%。 由此可以看出，双掺矿物掺合料或减缩剂 均可以降低混凝土的干燥收缩值，以掺减缩剂降低 幅度最大，而 PVA纤维不利于降低混凝土的干燥收 缩。 混凝土组分对干燥收缩的影响机理与对自收 缩的基本相同， 所不同的是，PVA 纤维的乱向分布 可以降低收缩应力集中，并减少试件表层的失水面 积，有利于降低干燥收缩，但 PVA 纤维也容易在试 件中形成直达表层的孔道， 同时弱化其界面结构， 增加内部水分迁移的通道 [9,12]，从而最终增加了干燥 收缩值。 1.4.3 徐变 图 5为混凝土组分对徐变系数的影响。 从徐变 系数发展速度来看， 混凝土徐变系数 100d 左右已 达到 450d 值的 90%以上，趋于稳定；从 450d 的徐 变系数来看， 相比于空白混凝土试件 A 的 0.86，掺 PVA纤维试件 B 略微增加了 10%，而双掺矿物掺合 料试件 C 和掺减缩剂试件 D 分别下降了 19%和 27%， 表现出与混凝土组分对干燥收缩影响相同的 规律。 混凝土徐变机理十分复杂， 影响因素众多，以 致目前提出的徐变理论均不能圆满解释混凝土的 徐变机理，每种理论都有其合理正确的一面，但也 都存在一定的局限性[13]。一般认为，混凝土徐变与其 中的水分迁移和水化有关。 PVA 纤维容易形成内部水分迁移的渗出通道， 并增加和弱化其界面结构 [9,12]，不利于试件强度的继 续增加，从而增加了徐变系数；双掺的粉煤灰和矿 渣互相搭配互补，改善了界面结构，提高了自身抵 抗变形的能力，具体表现为降低了徐变系数；减缩 剂可以延缓试件内部的湿度变化 [8,14]，增强其表面的 保水性[15]，从而使混凝土水化更充分更完整，提高了 密实度，显著降低了徐变系数。 2 现场监测 基于低收缩徐变的设计要求，沪杭高铁特大跨 预应力混凝土桥梁采用双掺粉煤灰和矿渣配合比 C 进行泵送施工，部分施工难度大的超长构件，在经 济条件允许的情况下，采用掺减缩剂混凝土配合比 A B C D 0 80 160 240 320 400 480 560 640 720 龄期/h 图 3 混凝土组分对自收缩的影响 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0 自 收 缩 应 变 /× 10 -6 A B C D 0 50 100 150 200 250 300 350 400 龄期/d 图 4 混凝土组分对干燥收缩的影响 干 燥 收 缩 /× 10 -6 300 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 加载后龄期/d 图 5 混凝土组分对徐变系数的影响 徐 变 系 数 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 A B C D 孟凡利，何智海，钱春香，等 等强条件下混凝土收缩徐变试验研究与现场监测 15- - D泵送施工。 2.1 监测思路 沪杭高铁特大跨预应力混凝土桥梁采用悬臂 挂篮施工，一期横载和预应力随施工进度分期分批 施加，合拢时经体系转换，再施加二期横载，因此造 成不同梁段混凝土的龄期不同，而同一梁段又可能 承受多个不同时间施加的荷载或预应力，使其收缩 徐变十分复杂，难以区分 [16]。 为排除这些因素的影 响，特选沪杭高铁某特大跨预应力混凝土桥梁分别 采用配合比 C 和 D 施工的拱梁结合段跨中截面监 测，其截面尺寸如图 6 所示，监测时间从 7d 预应力 加载到体系合拢转换的 180d，期间没有施加的横载 及不同梁段的预应力影响。 监测仪器采用江苏某公司开发生产的 YXR- 4051 型振弦式混凝土应变计和温湿度传感器，埋入 混凝土内部，可以同时监测到该点的应变和温湿度 变化。 测量得到的应变应是荷载引起的弹性应变、 混凝土收缩应变、温度变化引起的应变以及徐变应 变的总和。 通过监测的温度和混凝土热膨胀系数计 算，可以分出温度应变；为避免荷载和非均匀热应 力引起的弹性应变，选取上顶板和下底板温度相同 的截面布置测点，于梁上人员和交通少的夜间进行 监测； 而混凝土收缩应变和徐变应变是完全耦合 的，难以分开，因此将两者作为一类应变考虑，下文 所述的应变即为收缩应变和徐变应变的总和。 2.2 结果与分析 舍去仪器损坏所测的凌乱数据，选取其中有代 表性的数据，排除弹性和温度应变的影响，得到现 场监测的应变值，如图 7所示。 1和 2分别代表上顶 板和下底板位置。 由图 7 可以看出，应变发展速度 较快，加载 80d 左右，趋于稳定，在（165～200）×10-6 之间；各截面的下底板应变略高于上顶板值，主要 是由于上顶板和下底板配筋和初始应力不同造成 的；采用掺减缩剂混凝土 D 的应变低于双掺粉煤灰 和矿渣混凝土 C 的值， 与试验结果能够较好地吻 合。 为对比监测应变值与计算应变值之间的关系， 考虑到各监测值发展趋势相近，故只选取应变最大 的 C2 作代表与 04 公路规范计算值比较，如图 8 所 示。 可以看出， 计算值在 180d 内没有出现收敛迹 象，保持了较高的发展态势，15d 的计算值就已经超 过 180d 的最大监测应变值 195×10-6，180d 的计算 值是监测值的 2.3 倍。 由此可知，由 04 公路规范得 出的计算值过于保守， 与实际监测值相差很大，不 宜直接用于指导该项工程施工，必须做出相应的修 正。 3 结论 （1）双掺粉煤灰和矿渣及掺加减缩剂可以有效 减小 7d 等强度混凝土的收缩和徐变， 其中以掺加 减缩剂效果最好；PVA 纤维可以减小混凝土的自收 缩，但会增加混凝土干燥收缩和徐变，不宜用于配 制高铁混凝土。 （2）排除弹性和温度应变的影响，现场监测的 收缩和徐变应变在混凝土加载 80d 左右趋于稳定， 保持在（165～200）×10-6 之间，各跨中截面的下底板 应变略高于上顶板值。 （3）04 公路规范的计算应变值与实际监测值相 差很大，180d 内没有出现收敛迹象， 保持了较高的 发展态势，其值过于保守，不宜直接用于指导工程 施工。 750 50 650 50 监控器 60 60630 60 60 20 0 20 0 图 6 混凝土梁截面（cm） 0 40 80 120 160 200 加载后龄期/d 图 7 截面测点应变 C1 C2 D1 D2 200 150 100 50 0 0 40 80 120 160 200 加载后龄期/d 图 8 监测应变与计算值对比 应 变 /× 10 -6 500 400 300 200 100 0 JTG D62-2004 C2 应 变 /× 10 -6 2011年第 1期 混凝土与水泥制品 总第 177期 16- - 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