不同养护温度下蒸养混凝土断裂性能研究

2021-12-30娄本星胡少伟范向前叶宇霄王亚民

建筑材料学报 2021年6期

娄本星，胡少伟，范向前，叶宇霄，王亚民

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；2.重庆大学土木工程学院，重庆 400045）

蒸汽养护在混凝土预制构件生产中是一种常用的养护方式，也是冬季混凝土结构施工时加快进度的一种有效手段.蒸汽养护下的高温度、高湿度可以加速混凝土早期强度的增长，从而加快模具周转，缩短生产周期，通常其脱模强度要求达到设计强度的70%以上.贺智敏等［1-2］、Türkel等［3］、Ba等［4］研究表明，蒸汽养护会造成混凝土结构内部孔隙粗化、脆性增大等热损伤效应.Liu等［5］、苏扬等［6］、吴建华等［7］研究了蒸养制度、配合比、矿物掺和料等对混凝土强度的影响，发现蒸养能显著提高混凝土早期性能，但对混凝土长期性能不利.贺炯煌等［8］、李霖皓等［9］研究表明，与常温养护条件相比，蒸养过程中混凝土的力学性能显著提升，同时混凝土的自收缩变形速率显著增加，复杂的体积变形很可能导致构件开裂.谢友均等［10］研究发现，随着养护温度的升高，蒸养混凝土的内部缺陷增多，抗冲击性能明显降低.

相较于普通混凝土，在蒸养混凝土生产过程中，早期蒸养时恒温阶段的温度通常较高，有时甚至高达95℃.高温养护条件下水泥与粗骨料界面处会不同程度地出现裂缝，使得混凝土强度下降，呈现出较大的脆性［11］.因此，研究养护温度对蒸养混凝土断裂性能的影响，对于充分掌握蒸养混凝土的性能及其实际工程应用具有重要意义.目前，国内外学者对常温养护条件下混凝土断裂性能的研究已取得很多成果［12-15］，主要探讨了级配、自重、外水压力、尺寸效应等影响因素下混凝土断裂参数的数值变化规律，而涉及蒸养混凝土断裂性能的研究还不多见.鉴于此，本文对15根切口梁进行了三点弯曲（TPB）断裂试验，研究了不同养护温度（20、45、60、80、95℃）对蒸养混凝土断裂性能的影响，分析了养护温度对其断裂能、特征长度以及双K断裂参数的影响规律，并进一步分析了强度损伤因子与混凝土断裂韧度的相关关系，以期为蒸养混凝土养护温度的优化及其服役性能研究提供理论支持.

1 试验概况

1.1 试件制备

采用三点弯曲梁来研究混凝土断裂性能.设计了5组（分别与养护温度20、45、60、80、95℃对应）、每组3根，共15根三点弯曲梁，尺寸均为长（L）×厚（t）×高（h）＝500 mm×100 mm×100 mm，初始缝高比为0.3，预制缝长a0为30 mm.采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块来测定混凝土的抗压强度fc和抗拉强度ft.

试验原材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥、连续颗粒级配碎石（最大直径10 mm）、天然河砂、水、奈系减水剂；配合比为m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝0.40∶1.00∶1.47∶2.69；减水剂掺量（质量分数）为0.5%.混凝土28 d标准立方体抗压强度为52.3 MPa.浇筑弯曲梁试件时，用厚度3 mm的钢板预制裂缝，3 h后拔出，然后将试件移至蒸汽养护箱中进行蒸汽养护.

1.2 养护制度

参照TB/T 3043—2005《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支梁T梁技术条件》，采用的蒸汽养护制度为：混凝土浇筑成型后在20℃下静停3 h，然后以20℃/h的升温速率分别升至45、60、80、95℃，并在各温度下保持恒温12 h；恒温阶段结束之后，将试件从蒸汽养护箱中取出并自然冷却至室温.蒸养结束后移至标准养护室继续养护至28 d，然后测试试件的力学性能和断裂性能.

1.3 试验装置

采用电子万能试验机对三点弯曲梁进行加载，加载速率为0.05 mm/min.在试件的底部和裂尖处分别布置2个标距12 mm、最大位移2 mm的夹式引伸计，以测量裂缝张口位移CMOD和裂缝尖端张口位移CTOD.用于固定下部引伸计的薄钢片厚度为3 mm，用于固定正面引伸计的菱形楔块厚度为10 mm.测试装置如图1所示.

图1 加载装置Fig.1 Test device

1.4 断裂参数计算方法

断裂能是裂缝扩展单位面积所需要的能量［16］.混凝土材料断裂能GF的计算式为：

式中：W0为外荷载沿跨中加载方向所做的功，N/m；mg为三点弯曲梁的有效跨度范围内自重，N；δmax为跨中最大挠度值，m.

用特征长度Lch来评判混凝土的脆性，其值越小表示混凝土越脆［17］.Lch可由下式确定：

式中：E为混凝土的弹性模量；Ci＝CMODi/Pi，即P-CMOD曲线的初始斜率的倒数；v（a0/h）的计算见文献［17］.

断裂韧度表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧度好坏的定量指标.基于双K断裂模型［18］，混凝土的断裂韧度由下式确定：

式中：KiniIC为试件起裂韧度，KunIC为试件失稳断裂韧度，KcIC为试件黏聚断裂韧度，MPa·m1/2；Pini为试件起裂荷载，Pun为试件峰值荷载，N；S为试件有效跨度，m；ac为试件有效裂缝长度，可将峰值荷载Pun和临界裂缝张口位移CMODc代入到式（3）中解出；f（a/h）、F1（x/ac，ac/h）的计算见文献［18］；σ（x）是混凝土软化本构曲线，本文选用Petersson双线性软化曲线来确定试件黏聚力分布情况.

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

图2给出了各组试件的力学性能.由图2可见：45℃养护试件与20℃养护试件的力学性能基本相同；养护温度从45℃升至95℃时，试件的抗压强度fc、抗拉强度ft及弹性模量E均呈下降趋势.

图2 试件的力学性能Fig.2 Mechanical properties of specimens

图3是各组试件的实测P-CMOD曲线.起裂荷载采用曲线法确定，即P-CMOD曲线中线性段与非线性段的拐点.各组试件（每组3根试件）的起裂荷载Pini和峰值荷载Pun如图4所示.由图4可见，与20℃养护试件相比，45℃养护试件的起裂荷载和峰值荷载均保持不变；60～95℃养护试件的起裂荷载平均值从2.02 k N下降至1.43 k N，分别降低了10.2%、28.5%和36.7%，峰值荷载平均值从3.86 k N下降至3.04 k N，分别降低了6.5%、19.5%和26.1%.由此可见，合理的养护温度不仅可以使构件在早期具有较高的承载力，还能够保证其后期的力学性能.

图3 不同养护温度下试件的P-CMOD曲线Fig.3 P-CMOD curves of specimens under different curing temperatures

图4 各组试件的起裂荷载和峰值荷载Fig.4 Initiation load and maximum load of specimens

2.2 断裂能和特征长度计算结果

图5给出了各组试件的断裂能和特征长度.由图5可见：20℃养护试件与45℃养护试件的断裂能和特征长度基本相同；养护温度超过45℃后，随着养护温度的增加，断裂能从129.77 N/m下降到93.96 N/m，特征长度从302.0 mm减小到225.4 mm，均呈下降趋势；与45℃养护试件相比，60、80、95℃养护试件的断裂能分别降低11.0%、19.8%和27.6%，特征长度分别降低14.0%、20.6%和25.7%，说明随着养护温度的增加，混凝土脆性逐渐增大.

图5 各组试件的断裂能及特征长度Fig.5 Fracture energy and characteristic length of specimens

2.3 双K断裂参数计算结果

根据式（4）～（6）计算得到各组试件的起裂韧度KiniIC、失稳断裂韧度KunIC和黏聚断裂韧度KcIC等断裂参数，如表1所示.为了验证曲线法测定的起裂韧度KiniIC的准确性，首先通过黏聚断裂韧度KcIC计算起裂韧度Kini*IC，即Kini*IC＝KunIC-KcIC，通过对比Kini*IC和KiniIC发现，两者之间的最大相对误差为9.7%，表明Kini*IC与KiniIC值吻合良好.分析断裂参数可知，养护温度从20℃升至95℃时，试件的起裂韧度从0.529 MPa·m1/2降至0.370 MPa·m1/2，Pini/Pun的平均值从0.55降至0.47，说明随着养护温度的增加，混凝土更容易开裂，脆性增大.

表1 断裂试验结果Table 1 Test results of TPB specimens

图6给出了不同养护温度下蒸养混凝土的断裂韧度变化趋势.由图6可知，各组试件的起裂韧度和失稳断裂韧度变化趋势大致相同.养护温度从20℃到45℃时，试件的起裂韧度和失稳断裂韧度基本保持不变；养护温度由45℃升至95℃时，试件的起裂韧度减小0.165 MPa·m1/2，失稳断裂韧度减小0.360 MPa·m1/2.与20℃养护试件相比，经过45～95℃蒸汽养护后，试件的起裂韧度分别达到其值的101.1%、91.6%、76.5%、69.8%，失稳断裂韧度分别达到其值的100.4%、88.4%、80.2%、75.0%.由此可见，45℃养护条件可以保证混凝土后期的断裂性能，60℃养护条件下，混凝土断裂韧度的损失程度约为10%.因此，考虑混凝土力学性能以及实际应用的经济性，就本文所研究的混凝土而言，其养护温度不宜超过60℃.

图6 不同养护温度下试件的断裂韧度Fig.6 Fracture toughness of specimens

2.4 初始损伤与断裂韧度损失率的关系

图7中的黑色线条代表试件表面及内部由于热损伤效应引起的微裂纹.可以看出：45℃养护试件的表层完好，断裂面比较密实；95℃养护试件的损伤劣化严重，其表面及断裂面出现了许多微裂缝.说明随着养护温度的升高，混凝土表面和内部损伤逐渐严重，与文献［2］结论一致.因此上述断裂试验结果可以解释为：在蒸汽养护早期，浆体与骨料的结合面强度不足，随着养护温度的增加，混凝土内部由于热损伤造成的初始缺陷明显增多，降低了混凝土的断裂性能，导致其更容易开裂且脆性增大.

图7 试件表面及断裂面损伤示意图Fig.7 Degradation of surface layer and fracture surface of specimens

为了反映混凝土材料内部的劣化程度，研究者［19-21］通常采用弹性模量和抗压强度来描述混凝土的损伤劣化规律.因此，在上述试验结果分析的基础上，定义高温养护后试件的强度损伤因子和断裂韧度损失率为：

式中：D（T）是养护温度T下试件的强度损伤因子或断裂韧度损失率；f（T）是养护温度T下试件的力学性能参数（E、fc）或双K断裂韧度；f0是20℃养护试件的力学性能参数（E、fc）或双K断裂韧度.

通过式（7）计算了各组试件的强度损伤因子和断裂韧度损失率，结果见图8.由图8可见：养护温度从45℃升到95℃时，采用弹性模量定义的试件强度损伤因子DE值分别为-0.7%、10.0%、21.6%、27.5%；采用抗压强度定义的试件强度损伤因子Dfc值分别为-1.7%、7.3%、14.7%、26.1%；断裂韧度损失率与强度损伤因子DE、Dfc值随着养护温度变化的趋势一致，呈正相关关系；其与DE和Dfc值的相关系数分别为0.99和0.97，最大相对误差分别为4.2%和8.7%.由此可见，断裂韧度损失率与强度损伤因子具有良好的相关关系，可以采用DE和Dfc值来近似预测混凝土断裂韧度的损失程度.