高强混凝土收缩徐变预测模型研究

高强混凝土收缩徐变预测模型研究

陈天地1陈思孝1张亮亮2韩静云2张康2

陈天地1陈思孝1张亮亮2韩静云2张康2

1．中国中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031

2．重庆大学土木工程学院重庆市400045

摘要：高强混凝土具有水灰比低、强度好、密实性强等特点，使得高强混凝土的早龄期收缩徐变发展速度快，最终的收缩和徐变应变值却较低，且其强度发展规律也有别于普通混凝土的强度变化。目前国内外已有的混凝土收缩徐变的预测模型，均是基于普通混凝土的试验资料经过统计回归得到的，直接应用于高强混凝土是不合适的。本次研究针对高强混凝土进行试验得到相关参数后，引入强度修正因子对ACI209预测模型进行修正，得出适合于高强混凝土收缩徐变的预测模型。

关键词：高强混凝土收缩徐变试验研究预测模型

PredictionModelforShrinkageandCreepofHigh-StrengthConcrete

ChenTian-di1ChenSi-xiao1ZhangLiang-liang2HanJing-yun2ZhangKang2

1．ChinaRailwayErYuanEngineeringGroupCo.LtdChengdu610031，China

2．CollegeofCivilEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing，400045，China

ABSTRACT：High-strengthconcretehasthecharacteristicsoflowwater-cementratio，goodstrengthandstrongcompactness，whichmakestheearly-ageshrinkageandcreepofhigh-strengthconcretedeveloprapidly，buttheultimateshrinkageandcreepstrainarelower，andthestrengthdevelopmentlawofhigh-strengthconcreteisdifferentfromthatofordinaryconcrete.Atpresent，theexistingpredictionmodelsofshrinkageandcreepofconcreteathomeandabroadareallbasedontheexperimentaldataofordinaryconcretethroughstatisticalregression，soitisnotappropriatetoapplythemdirectlytohigh-strengthconcrete.Inthisstudy，thestrengthcorrectionfactorisintroducedtomodifytheACI209predictionmodelaftertherelevantparametersareobtainedfromthetestofhigh-strengthconcrete，andthepredictionmodelsuitablefortheshrinkageandcreepofhigh-strengthconcreteisobtained.

Keywords：High-strengthconcreteShrinkageandCreepExperimentalresearchPredictionModel

一、概述

随着桥梁高度和跨度的发展、桥面荷载的不断增加，高强混凝土越来越多的应用于大跨预应力混凝土箱梁桥中，因其具有强度高、水灰比低、密实性强等特点，使得高强混凝土的早龄期收缩徐变发展速度快，最终的收缩和徐变应变值却较低，且其强度发展规律也有别于普通混凝土的强度变化[1]。相关的研究也表明，基于普通混凝土的收缩徐变预测模型如CEB-FIP系列模型、ACI模型、GL2000模型等直接应用于高强混凝土是不合适的，预测结果会出现较大偏差[2]。

在对混凝土结构进行收缩徐变效应分析时，确定徐变系数和收缩应变是关键问题。这些参数不可能都通过试验获得，在工程实践中往往直接选用已有的收缩徐变预测模型，或根据少量的试验数据，对已有的模型进行修正，以此来外推混凝土收缩徐变的长期时效特性[3]。本文通过对高强混凝土的收缩徐变性能进行试验研究，通过分析归纳引入强度因子对既有ACI209模型进行修正，拟合得出适用于高强混凝土的收缩徐变预测模型。

二、高强混凝土收缩徐变试验研究

1.试件的制作

试件采用C55高强混凝土。其中水泥采用为标号为52.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，砂子采用河砂，石子的粒径级配为5～20mm的连续级配，外加剂仅仅采用了减水剂。分别制作了徐变和收缩的试件，尺寸为100×100×400mm；强度和弹模的试件，尺寸为100×100×300mm[4]。试件在拆模后立即送入至标准养护室分别养护到7天、14天、28天、90天龄期（自混凝土搅拌加水开始起算），然后移入至恒温恒湿试验室。

图1混凝土收缩徐变试验的试件

2.混凝土收缩徐变试验

通过压力机破坏性试验测试了不同龄期混凝土立方体抗压强度，采用千分表测试了不同龄期混凝土弹性模量。

收缩徐变试验仪器主要有千分表和弹簧式徐变仪[5]。在试件的两个侧面的中间位置标出20cm的标距，钻孔粘结千分表，测量收缩变形值；徐变试验时取徐变应力为所测得的棱柱体抗压强度的40%。用千斤顶先加压至徐变应力的20%进行对中。对中完毕后，继续加荷直到徐变应力，读出两边的变形值，两边变形的平均值即为在徐变荷载下的初始变形值。徐变试件为每龄期三个，将两块试件叠放在一起加载。加载完成后按下列试验周期（由试件加荷时起算）测量混凝土试件的变形值：1、3、7、14、28、45、60、90、120、150、180、360天。根据试验测得的变形数据，可计算出材料的收缩值及徐变系数，计算方法如下：

1）混凝土收缩应变按下式计算

由上述计算公式可得试验混凝土的收缩值及徐变系数见表1～表2。

表1试件混凝土收缩值

表1和图2可以看出，尽管加载时的龄期不同，浇筑完成后一个月，混凝土的收缩逐渐趋于稳定，且趋向的数值相同，说明加载龄期对混凝土的收缩无影响。相关的研究表明，可以通过延长湿养护的时间来达到延滞混凝土收缩的目的。湿养护时间越长，则混凝土的水化越充分，从而使得其强度和弹性模量越大[5]。

图2混凝土收缩应变随时间变化曲线

表2试件混凝土徐变系数表

图3混凝土的徐变系数随时间变化曲线

从表2及图3中可以看出，加载龄期对混凝土的徐变系数有着较大的影响，混凝土的徐变系数随着加载龄期的减小而增大。之所以产生这样的现象，是由于在较早龄期进行加载时，此时混凝土尚处于水化反应进程中，此时的强度很低，且其内部的孔隙尺寸较大，从而使得内部的水分更容易迁移出去，进而产生了较大的徐变变形[6]。随着龄期的加大，混凝土的水化越发的充分，其强度也越发的增大并趋向于稳定。此时，随着水化产物的增大，使得混凝土内部孔隙直径逐渐变小，加大了其内部水分溢出时的阻力，从而在一定程度上减小了混凝土的徐变。不同的的加载龄期，其徐变系数发展规律是一致的。早期时，混凝土的徐变系数发展较快，在前30d均处于高速的增长期，30d后其徐变系数的增长速率逐渐减缓，处于平稳增长期，该增长期持续到200d。持荷200d后混凝土徐变系数增长速率较为缓慢，徐变系数逐渐趋于稳定。

三、高强混凝土收缩徐变预测模型的提出

通过高强混凝土的收缩徐变试验研究可知，不同强度混凝土的徐变系数和收缩应变的终极值是不同的，而且发展变化规律也有所差异。根据本次高强混凝土收缩徐变试验结果数据分析，选择美国混凝土协会（ACI）建议的标准状态ACI209预测模型为基础，引入强度影响因子，对收缩徐变的终极值和发展规律进行适当的修正，提出高强混凝土的修正收缩徐变预测模型为：

式中，为反映混凝土强度对收缩、徐变终极值的影响系数；为反映混凝土强度对收缩徐变发展函数的影响系数；为ACI209模型关于收缩应变、徐变的终值，其具体情况可参见文献[7]。

本文考虑用混凝土28天龄期的立方体抗压强度这一指标综合反映，根据试验数据所拟合的值，用线性二乘法拟合混凝土强度与之间的关系。则：

引入强度影响因子的高强混凝土收缩修正模型可表示如下：

四、修正模型与常用模型对比分析

为了评述本文提出高强混凝土收缩徐变预测模型的可靠性，选择欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会提出的MC78和MC90模型、美国混凝土学会提出的ACI209R模型、美国混凝土学会会员提出的GL2000模型，选择90天龄期C55混凝做计算对比，结果如下：

表390天龄期混凝土徐变系数比较表

图490天龄期徐变系数比较图

表4混凝土收缩应变比较表（με）

图5混凝土收缩应变比较图

从以上图表内容可以看出，不同的预测模型徐变系数和收缩应变计算结果是不同的，但整体变化规律是基本吻合的。由于ACI模型中并未对强度进行修正，即该模型对强度不敏感，用于高强混凝土计算时其结果普遍偏大；MC78和MC90模型中混凝土徐变系数的计算结果差距不大，虽然模型中就混凝土的强度进行了修正，然而由于其修正的幅度较小，从而使得其高估了高强混凝土的徐变系数；而GL2000模型中对于强度修正的幅度较大，从而使得其低估了高强混凝土的徐变系数，表现在其混凝土徐变系数的计算值则始终小于实测值[8]。

五、研究结论

1、基于普通混凝土的收缩徐变预测模型直接应用于高强混凝土是不合适的，预测结果会出现较大偏差。

2、根据本次高强混凝土收缩徐变试验结果数据分析，选择美国混凝土协会（ACI）建议的标准状态ACI209预测模型为基础，引入强度影响因子，对收缩徐变的终极值和发展规律进行适当的修正，提出高强混凝土的修正收缩徐变预测模型为：

引入强度影响因子的高强混凝土收缩修正模型为：

参考文献：

[1]潘占峰，吕志涛，刘钊，林波，王辉.高强混凝土收缩徐变试验及预测模型研究.公路交通科技.Vol.27No.12Dec.2010

PanZhanfeng，LuZhitao，LiuZhao，LinBo，WangHui.Shrinkageandcreeptestandpredictionmodelofhighstrengthconcrete.Highwaytrafficscienceandtechnology.Vol.27No.12Dec.2010

[2]丁文胜，吕志涛，孟少平，等.混凝土收缩徐变预测模型的分析比较[J].桥梁建设，2004（6）：13-16

DingWensheng，LuZhitao，MengShaoping，etal.AnalysisandComparisonofPredictionModelsforConcreteShrinkageandCreep[J].BridgeConstruction，2004（6）：13-16

[3]LamJianping.EvaluationofConcreteShrinkageandCreepPredictionModels[D].SanJosé：SanJoséStateUniversity，2002：1-200

LamJianping.EvaluationofConcreteShrinkageandCreepPredictionModels[D].SanJosé：SanJoséStateUniversity，2002：1-200

[4]陈灿明，黄卫兰，王宏，唐崇钊.大跨径桥梁高强混凝土收缩徐变特性研究.水利水运工程学报.No.4Dec.2010

ChenCanming，HuangWeilan，WangHong，TangChongzhao.Studyonshrinkageandcreepcharacteristicsofhighstrengthconcreteforlong-spanbridges.JournalofWaterConservancyandWaterwayEngineering.No.4Dec.2010

[5]林波．混凝土收缩徐变及其效应的计算分析和试验研究，[东南大学硕士论文]，2006

LinBo.ComputationalAnalysisandExperimentalStudyonShrinkageandCreepofConcreteandItsEffects.[Master'sThesisofSoutheastUniversity]，2006

[6]邹立群.混凝土收缩徐变引起大跨度连续刚构桥长期下挠分析，[北京交通大学硕士学位论文]，2010

ZouLiqun.AnalysisofLong-termDeflectionofLong-spanContinuousRigidFrameBridgesCausedbyConcreteShrinkageandCreep.[Master'sDissertationofBeijingJiaotongUniversity]，2010

[7]PredictionofCreep，ShrinkageandTemperatureEffectConcreteStructure.ACICommittee209，1982

PredictionofCreep，ShrinkageandTemperatureEffectConcreteStructure.ACICommittee209，1982

[8]汪剑，方志.大跨预应力混凝土箱梁桥收缩徐变效应测试与分析.预应力技术.2009

WangJian，FangZhi.MeasurementandAnalysisofShrinkageandCreepEffectofLong-spanPrestressedConcreteBoxGirderBridges.PrestressingTechnology.2009

作者简介：

陈天地（1982-）男高级工程师单位：中铁二院土建二院桥梁所