【正文】 一}│…│││└───┴─┴─┴──────────┴─────┘│└────────────────────────────────────────┘、板中部點的計算溫度發(fā)展，沿界面厚度的溫度梯度變化非常小，最大溫差30C。因此，可以推斷力學性能也有相同的規(guī)律，即沿界面厚度的應力梯度變化非常小。3混凝土早期應力場3.1混凝土早期應力場理論常規(guī)設計的混凝土或鋼筋混凝土結構在建造過程中往往會出現(xiàn)有害裂縫,甚至采用“加強”抗裂設計的結構也會出現(xiàn)裂縫。另一方面,隨著施工技術、泵送設備、材料配比設計等的進展,一些工程成功實現(xiàn)超長連續(xù)澆筑不設縫、工程完工后無害裂縫的目標,加快了施工進度。這表明現(xiàn)行的混凝土設計方法中只考慮“正常使用極限狀態(tài)”是不完善的,或者說現(xiàn)澆混凝土結構尚不具備“成品”條件而不宜用“正常使用極限狀態(tài)”來設計。而現(xiàn)行施工規(guī)范僅以某些強度指標(如d7抗壓強度)控制施工進度和工程質量也缺乏系統(tǒng)的考慮。眾所周知,混凝土強度的發(fā)展與許多因素有關。因此,弄清混凝土的早期物理力學性能至關重要。前面已經(jīng)提到,混凝土結構早期裂縫生成的直接原因,是早期變形受到約束而產(chǎn)生的拉應力超出了該齡期混凝土材料本身所能承受的抗拉極限。因此,混凝土早期抗拉強度發(fā)展的研究對于裂縫控制相當重要。此外,混凝土材料的極限拉應變、彈性模量等力學參數(shù)的變化也很重要。這些性質參數(shù)中,有的已經(jīng)證明是隨齡期發(fā)展的,這與用于“正常使用條件”的設計假定不完全一致。從動態(tài)發(fā)展的觀點,分析混凝土結構這個特殊產(chǎn)品的組成要素在不同條件下的“生長”,是研究現(xiàn)澆混凝土結構裂縫發(fā)生、開展及控制的基礎。為了計算隨時間發(fā)展的混凝土的應力和應變,得到混凝土裂縫的有關情況,在分析完早期混凝土的溫度場后必須分析其應力場。在力學分析之前,既然實際上混凝土的水化反應獨立于應力和應變,熱問題已經(jīng)在足夠的精確度內得到了解決。至于力學模型,它只要在熱模型結束后再激活,而從熱模型中,得到計算體積變形。=TTaTI不可缺少的溫度。其中Ta是熱膨脹系數(shù),I是單位張量?？紤]混凝土在硬化中的粘性性質,力學模型應考慮徐變,它在混凝土由于熱效應、體積改變和外部作用引起的應力的發(fā)展中起到至關重要的作用。實際上,混凝土早期的徐變變形可以導致應力的波動達到50%或更多【3`39。另外的一個關鍵點是水化的進行使得混凝土的特性(特別是彈性模量和抗拉和抗壓強度)是動態(tài)的,因此,一個發(fā)展的模型需要被用來計算混凝土的裂縫。在HPC(高性能混凝土)中,自收縮也是早期的一個問題,因為水泥水化反應生成的固體的體積小于混凝土混合物的體積總合,從宏觀的角度,這導致早期混凝土收縮。這個特殊的現(xiàn)象本質上HPC中水灰比減小的結果。相反,在NSC(普通強度混凝土)中,水的含量比確保水泥充分水化的水多。因此,NSC中干燥收縮要比HPC中的自收縮重要的多【32],相反地情況發(fā)生在HPC中。在本文NSC中的應用,收縮被忽視了,因為自生收縮在NSC中不重要,干燥收縮在早期不重要。3.1.1熱膨脹系數(shù)對于熱膨脹系數(shù)Ta和波松比。,在整個過程中都被認為是常數(shù),其典型值為:對于已硬化的混凝土,分別為Ta一10又10一6℃一`,【3339。3.1.2力學性能的成長從現(xiàn)象來看,混凝土在水化階段的力學性能的成長依賴于水化度a,因為這個參數(shù)可被看作是內部化學反應的進程的指示器。從力學的觀點,存在一個初始的水化度,在這個時刻之前,混凝土的力學性能可以被忽略。這個初始的水化度a0對應于混凝土混合物進行從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的時刻【34],因此,只有當aa。時,混凝土才可以考慮擁有固體骨架。決定這樣一個初始水化度還是一個有爭議的問題:因為不同的估計方法會導致不同的a。:一些作者建議應當通過磯cat的針入度實驗來得到,但是采用超聲方法和其他電子方法的建議也很多【3539。,【3639。基于實驗結果,幾,抗拉強度丘,彈性模量Ec,基于假設的終值通過這些力學特性在a=l時的衰退得到。這里cfl,長1,Ecl為乓回一乓1(號)3/2……住`,長回一幾(號,……四E回一E一(號)`/2……回很明顯,這些方程的應用中a=l是達不到的。事實上,對于水灰比土,文獻已經(jīng)報道了其水化度值小于1【37,。3.1.3對徐變的考慮固體材料在固定荷載長期作用下將產(chǎn)生緩慢的變形,力學術語為蠕變,混凝土科學中習慣地稱為徐變。固體材料在固定變形約束下,其內部的應力隨時間逐漸變化的現(xiàn)象定義為應力的松弛。兩者均為固體材料流變力學研究的主要內容。混凝土徐變的研究一直得到重視,尤其是在處于高應力作用下的構件,或計算預應力構件的預加應力損失等,已經(jīng)有成熟應用的規(guī)范。工程界已經(jīng)意識到,混凝土的松弛可以減低早期混凝土內部由于溫度和收縮變形引起的拉應力積累,從而緩解裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。前面已經(jīng)指出,在混凝土的早期,徐變變形是至關重要的,因此,力學分析必須包括徐變模型來考慮預測實際的應力應變場,從而能可靠的估計裂縫。在這里,只有基本徐變被考慮,因為在早期干燥徐變只在混凝土1一Zcm的表面才能觀測到。因此,只有邊界影響【38]。為了計算t時刻的基本徐變,本文中采用了文獻【3939。,【“。39。中的式()的徐變函數(shù)J(t,t`)。t`是加載時間,從而,應變張量。(t,t`)按下式計算:(t,t`)一買`(t,t`”。(t`)+:O(t.)……()。(t`)是t`時刻的應力張量,句(0t)獨立于應力的應變張量,它有關于熱和收縮現(xiàn)象(即,。=aTT+。、)I,。S是收縮變形)。最廣泛被用來描述早期徐變的函數(shù)是DuoblePowerLawo(PL),它提供了混凝土早期徐變很好的預測【3939。,【“。39。一奇(t`,一m(t`,n1一乓一一E0是漸進的彈性模量(根據(jù)短期荷載),甲1,m和n是材料參數(shù)。3.1.4對鋼筋的考慮3.1.4.1配筋對自由變形的作用到目前為止,大多數(shù)混凝土硬化階段裂縫危害性的研究集中于素混凝土。在這些研究中,極限拉伸前混凝土有效的拉伸變形行為幾乎沒有被研究。然而,觀察到的現(xiàn)實表明，足量配筋的混凝土裂縫的危害性要比用素混凝土試驗建議的結果小得多。才良明顯，鋼筋的存在使混凝土極限拉伸前的變形能力得到發(fā)揮，從而使裂縫的出現(xiàn)推遲【“‘’。文獻【4I1在實驗室研究了配筋對混凝土早期裂縫的影響。為了模擬鋼筋對混凝土的約束和對混凝土施加不同的養(yǎng)護溫度，試驗中用運了一種溫度應力測試機TSTM。為了區(qū)分熱效應和收縮效應，試件被恒溫和半絕熱養(yǎng)護。試驗中有各種配筋率(f0%,%,%,%)和鋼筋分布(一根鋼筋和四根鋼筋)的情況。為了使早期裂縫形式可視化，裂縫被熒光環(huán)氧環(huán)氧樹脂灌注。結果表明，鋼筋的存在引起混凝土中形成細微裂縫，這些細微裂縫能推遲主裂縫形成的時間。最后，用一個公式使鋼筋減小早期混凝土通縫危險的效應定量化，并引入了應變提高系數(shù)。文獻【411試驗研究了高強混凝土HSC何cratio=)和普通混凝土NSC(WICratio=)的自由收縮和受約束情況下的應力和裂縫。研究的試件有素混凝土和各種配筋率((00/a,)和鋼筋分布(分別為一根鋼筋和四根鋼筋:1小12和4}6(113mm2),1中16和4}$(201mm2),1中25和4小12)的配筋混凝土。試件在半絕熱條件下養(yǎng)護，這樣，就只有熱量場引起的變形。部分HSC也在20℃的恒溫下養(yǎng)護，以便確定自收縮變形的情況。在水化過程中，水泥材料經(jīng)歷了不同性質的體積改變。實驗室的試件是密封的，避免濕氣向周圍流失。近似的，自由變形可被寫為自收縮和熱變形的和:}}t_aut+￡:......................................................................................})1)自收縮變形自收縮變形只有在20℃的恒溫下養(yǎng)護，在HSC中測到。假設養(yǎng)護溫度絕對常數(shù)，則鋼筋不會受到大的變形。依靠配筋率和鋼筋分布，總的自由變形在200C被約束了30%o混凝土的變形隨著配筋率的增加而減少。配筋的布置對其沒有影響。由于節(jié)點強度的發(fā)展，可以看出，在早期約束對自收縮是非常重要的，見圖。2)熱變形在半絕熱的養(yǎng)護條件下…，混凝土的變形被水化熱引起的熱變形控制。由于鋼筋的熱膨脹系數(shù)基本上和混凝土(除了早期)的熱膨脹系數(shù)相同，鋼筋對熱變形的影響相對很小、在NSC中，鋼筋棍凝土中測到的變形和素一混凝土中的變形基本相同。這個結果可以被解釋為:在普通混凝土中，自生收縮起的作用比較小。址︸、︶0不二勺一2505八村一l﹃es、|Age(h)平均地，%?？梢?，鋼筋的存在沒有太大的影響HSC試件的自由變形。從以上M,2)的試驗分析可以看出，鋼筋的存在對于普通混凝土NSC由于水化熱引起的自由變形基本上沒有影響。在早期，如果變形受到約束，應力就會產(chǎn)生。如果產(chǎn)生的應力超過混凝土的已發(fā)展的抗拉強度，裂縫就會產(chǎn)生。在文獻【“‘，的試驗中，用了不同配筋率的試件和素混凝土試件。然而，只有當混凝土相對靠近鋼筋時，鋼筋才有作用。半絕熱養(yǎng)護的試件在澆注后2748小時之間出現(xiàn)第一條裂縫。1)HSC中鋼筋對應力的作用在HSC中，四根鋼筋的混凝土試件明顯比素混凝土晚開裂，而與配筋率基本沒關系。一根配筋的混凝土比素混凝土同時或稍晚開裂。2)NSC中鋼筋對應力的作用在密閉條件下，可以假設NSC中只有熱變形引起應力。所以可以用公式6}=}t}}to、一A56SA匕，，，，，，，，，，，…(簡單地計算配筋NSC中混凝土的應力。，比較了素混凝土試件的應力發(fā)展和一根鋼筋的應力發(fā)展及四根鋼筋的應力發(fā)展。而且對于兩種配筋的混凝土的應力用公式(3.})計算得到。stress[i49Pa]agc[h)stress(NiPaJageIhJ。這是由于假設鋼筋和混凝土的熱膨脹系數(shù)基本相同。由于在配鋼筋的鋼筋混凝土中，混凝土的應力比素混凝土中的應力早些達到混凝土的抗拉強度，所以配一根鋼筋的鋼筋混凝土開裂比素混凝土早。在配四根鋼筋的普通混凝土中，觀察到的和HSC中相同。裂縫形式表明，通過不穩(wěn)定的應力曲線，比素混凝土第一根裂縫出現(xiàn)的時間推后了幾個小時。四根配筋的混凝土應力下降比素混凝土應力下降的一半還小些，一根配筋的混凝土的應力下降和素混凝土基本相同。文獻【41，為了獲得配4根鋼筋的試件中關于裂縫的更多信息，裂縫開裂后馬上用熒光環(huán)氧樹脂灌注裂縫，樹脂硬化后試件被切片、劈裂裂縫的形式二這些裂縫比試件中間的裂縫小些。假設小裂縫的形成加強了第一條通縫出現(xiàn)前試件的變形能力。文獻中不同的應變加強系數(shù)標準被用來使早期混凝土開裂危險定量化。在素混凝土中，常常用應力標準使開裂時的應力和同時刻抗拉強度相聯(lián)系【421,I431,I441實驗結果表明對于HSC四根鋼筋的存在推遲了開裂的時間。比較4}8和4小12試件的結果，鋼筋的配筋率似乎對裂縫開裂時間推后的情況并沒有影響。在這兩種情況下,應力曲線都是在第一條通縫出現(xiàn)前屈服的。應力曲線的屈服可解釋為由微裂紋引起的。為了判斷微裂紋的積極效果,比較了配筋試件和素混凝土試件在通縫出現(xiàn)前由拉應力引起的應變:配筋試件拉應變能力的平均值為:。cr,rneiofrecd,mena一170又10一6,相應的素混凝土試件的為Ecr,pnail,mena一92又10一6,配筋試件的應變提高可用應變提高系數(shù)n來表示。用應變提高系數(shù)n使微裂紋對鋼筋混凝土中大裂縫的開裂時間的積極影響,即推后開裂時間的影線定量化。飛ea。二氣,ernfi。crde,mea。/氣nalm,m~……()平均的,配筋試件中的應變比素混凝土試件中的應變大78又10一。,其應變是素混凝土應變的1.85倍。工程實際中用來判斷硬化中的混凝土的裂縫危險性的溫度標準為:新舊混凝土、表面和中心層的混凝土的溫差不應超過15一25℃。假設熱膨脹系數(shù)為10一5/℃,這些標準對應于施加的應變?yōu)?50又10一6一250又10一6。試驗中,對于沒筋混凝土,破壞對應的拉應變?yōu)?2又10一6。在配筋情況下,對于4中8和4中12,平均應變值分別為170又10一6,169又10一6。很明顯,與