CN109917114A - 一种改进的测定混凝土限制收缩条件下抗裂性能的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于早龄期混凝土抗裂性能研究技术领域，提供了一种改进的测定混凝土限制收缩条件下抗裂性能的试验方法，通过对美国材料与试验学会推荐的约束环形试验进行合理的改进，以有效地减小自身约束作用对收缩开裂的影响，准确地评价早龄期混凝土在限制收缩条件下的抗裂性能。采用钢环外侧粘贴预制裂缝的方法使混凝土环内侧形成相应的初始裂缝。预制裂缝沿高度方向底部与环形试件底部平齐，顶部高出环形试件顶部不小于10mm。考虑到混凝土材料的离散性对收缩开裂的影响，初始裂缝的数量应设置为3～5条，且沿混凝土环内侧均匀布置。无需在钢环内侧粘贴应变片，通过观察混凝土初始裂缝位置处外环表面的扩展情况即可清楚地确定试件开裂时间。
Description
技术领域
本发明属于早龄期混凝土抗裂性能研究技术领域，涉及一种改进的测定混凝土限制收缩条件下抗裂性能的试验方法
背景技术
混凝土的早期收缩开裂问题常见于楼板、路面、桥面板等平板式混凝土结构。裂缝的出现为外界物质入侵提供了传输通道，环境中的水、无机盐离子等通过收缩裂缝进入混凝土内部，加速内部钢筋的锈蚀和混凝土的劣化。美国试验材料学会(ASTMC1581/C1581M-09a)推荐了标准的约束环形试验用以评价限制收缩条件下早龄期混凝土的抗裂性能，其中混凝土环和钢环厚度分别为37.5mm和12.5mm，混凝土环内径(钢环外径)为150mm，试件沿混凝土外环表面干燥。此外，推荐采用4个应变片粘贴于钢环内侧，根据试验过程中钢环压应变曲线的回滞确定混凝土环的开裂时间。然而，根据已有的研究(Dong Wei,Zhao Xiaoyu,Zhou Xiangming,Yuan Wenyan.Effects of moisture gradient of concrete onfracture process in restrained concrete rings:Experimental andnumerical.Engineering Fracture Mechanics,2019,In press.)，混凝土环沿外环表面干燥时，径向湿度梯度引起的不均匀收缩会形成较强的自身约束。混凝土环中收缩裂缝的出现是钢环提供的外部约束和径向不均匀收缩引起的自身约束共同作用的结果。需要特别指出的是，ASTM推荐约束环形试验的初衷是评价混凝土材料在限制收缩(即钢环约束)条件下的抗裂性能。为了实现约束环形试验的最初目的，收缩裂缝的驱动作用中自身约束部分应当被消除。
Weiss等(Restrained shrinkage cracking:The role of shrinkage reducingadmixtures and specimen geometry.Materials and Structures,2002,35(246):85-91)通过减小混凝土环的厚度(25mm)以降低其径向湿度梯度，进而减小径向不均匀收缩引起的自身约束。然而，较小的试件尺寸无法满足材料均质性要求。Hossain等(The role ofspecimen geometry and boundary conditions on stress development and crackingin the restrained ring test.Cement and Concrete Research,2006,36(1):189-199)通过增加钢环的厚度以提高钢环提供外部约束，进而间接地减小径向不均匀收缩引起的自身约束。然而，研究结果表明该方法对于收缩开裂的约束作用影响并不明显。根据申请人的调查，目前仍未提出成熟的试验方法用以有效地降低环形试验中自身约束，仍未实现早龄期混凝土材料仅在限制收缩条件下抗裂性能的测试。实际上，由于混凝土环干燥面处(外环表面)湿度分布的高度非线性特征，外环表面具有高应力水平、高开裂风险的特点。收缩裂缝往往于混凝土环外环起裂并向内侧扩展，即使扩展过程中自身约束作用快速减小，但是裂缝起裂时刻自身约束起着不可忽略的作用。这正是该问题的关键所在。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种改进的约束环形试验方法，以有效地消除自身约束对混凝土环形试件收缩开裂的驱动作用，进而准确地应用约束环形试验测定早龄期混凝土在限制收缩条件下的抗裂性能。
本发明的理论依据：根据发明人对约束环形试验的长期研究，发现径向不均匀收缩引起的自身约束作用使得混凝土外环受拉、内环受压，说明自身约束对混凝土环内侧没有驱动作用。假若裂缝首先于混凝土环内侧起裂，并由内向外扩展，则驱动裂缝扩展的约束作用完全由钢环约束提供。由断裂力学理论可知，混凝土内部初始缺陷(例如初始裂缝)的存在会引起局部应力集中，能大大地提高试件开裂的风险。基于此，在ASTM推荐的约束环形试验基础上，提出混凝土环内侧设置初始裂缝的想法以诱导环形试件中裂缝由内向外扩展的。为深入探究该想法的可行性，申请人所在的课题组基于断裂力学理论采用数值模拟和试验验证相结合的方法研究了初始裂缝长度、数量等关键参数对约束环形试验开裂过程的影响。结合分析结果，确定了合理的环形试验测试方案以实现早龄期混凝土限制收缩条件下抗裂性能的测定。
本发明的技术方案：
一种改进的测定混凝土限制收缩条件下抗裂性能的试验方法，其特征在于：
(1)在ASTM推荐的约束环形试验的基础上，通过钢环2外侧粘贴预制裂缝的方法使混凝土环1内侧形成相应的初始裂缝；所述的预制裂缝的截面为等腰三角形，底边长3mm与钢环外侧接触，高为5～7mm；预制裂缝沿高度方向底部与环形试件底部平齐，顶部高出环形试件顶部不小于10mm；
(2)考虑到混凝土材料的离散性对收缩开裂的影响，初始裂缝的数量设置3～5条，且沿混凝土环1内侧均匀布置；
(3)无需在钢环内侧粘贴应变片，通过观察混凝土初始裂缝位置处外环表面的扩展情况即可清楚地确定试件开裂时间。
本发明的有益效果是：消除了约束环形试验中自身约束对试件收缩开裂的驱动作用，能够评价早龄期混凝土在完全限制收缩条件下的抗裂性能；由于预制裂缝引起的应力集中现象，试件开裂时间缩短，大大提高了限制收缩试验的效率；裂缝出现位置相对固定，无需采用传统的监测钢环应变方法根据肉眼观测即可准确地确定试件开裂时间，有利于简化试验流程，降低试验费用。
附图说明
图1为改进的约束环形试件示意图，(a)为约束环形试件俯视图；(b)为约束环形试件剖面图；(c)预制裂缝截面示意图。
图中：1混凝土环；2钢环；3初始裂缝处；R1为钢环的内径；R2为钢环的外径与混凝土环内径；R3为混凝土环的外径。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
(1)测试准备
钢环2的内径R1为137.5mm，外径R2为150mm，厚度为R2-R1＝12.5mm，高度为75mm。预制裂缝由钢材制成，高度为85mm，截面为底边3mm、高6mm的等腰三角形，见附图1(c)。实验前，用502胶水将4个预制裂缝间隔90°均匀粘贴于钢环2外环表面，预制裂缝底部与试件底部平齐，顶部高出试件10mm，实施方式具体见附图1(a)、(b)。
(2)试件制作
采用水灰比为0.5的C30混凝土浇筑约束环形试件，浇筑完成过后用保鲜膜覆盖试件表面避免水分散失。置于实验室环境2小时，待试件初凝厚取出预制裂缝，用锤子轻轻敲打高出试件顶面的预制裂缝部分使其产生轻微滑动，然后用钳子夹紧预制裂缝缓慢拔出，拔出过程中应尽量避免对混凝土试件的扰动。覆盖保鲜膜继续置于实验室环境22小时。此后，拆除外环及底板，用双层锡箔纸粘贴混凝土试件上下表面使混凝土内部水分沿径向由内向外散失。
(3)养护与监测
将处理好的试件置于恒温恒湿环境(23℃、50％RH)中养护，每天观察混凝土环初始裂缝位置处外环表面是否出现收缩裂缝。裂缝出现后，记录裂缝出现时间，即可终止试验。
(4)结果
试验过程中，裂缝由初始裂缝位置处起裂并向外扩展，形成一条贯通裂缝，该裂缝在外环表面清晰可见。取出试件，剥开初始裂缝处的锡纸可以清楚地看出，裂缝尖端与初始裂缝尖端紧紧相连，这说明收缩裂缝由初始裂缝尖端由内向外扩展。因此，本申请提出的改进的环形试验方法能够有效地减小自身约束作用对收缩开裂的影响，能够准确地评价早龄期混凝土在限制收缩条件下的抗裂性能。
Claims (1)
1.一种改进的测定混凝土限制手速条件下抗裂性能的试验方法，其特征在于：
(1)在ASTM推荐的约束环形试验的基础上，通过钢环(2)外侧粘贴预制裂缝的方法使混凝土环(1)内侧形成相应的初始裂缝；所述的预制裂缝的截面为等腰三角形，底边长3mm与钢环外侧接触，高为5～7mm；预制裂缝沿高度方向底部与环形试件底部平齐，顶部高出环形试件顶部不小于10mm；
(2)考虑到混凝土材料的离散性对收缩开裂的影响，初始裂缝的数量设置3～5条，且沿混凝土环(1)内侧均匀布置；
(3)无需在钢环内侧粘贴应变片，通过观察混凝土初始裂缝位置处外环表面的扩展情况即可清楚地确定试件开裂时间。
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