内约束对混凝土早期收缩及开裂行为的影响研究

摘要

随着我国经济的不断发展，人们对建筑使用功能的要求逐渐提升。建筑物的高度不断增加，高层、超高层建筑近年来在我国屡见不鲜。截至2015年末，我国超高层建筑的数量已经达到了惊人的123栋。为满足这种超高层建筑对巨大承载能力及高耐久性要求的同时，不过多削减建筑使用空间，钢板-混凝土组合剪力墙这一新型结构获得了越来越广泛的应用。为满足结构性能，相对于传统钢筋混凝土剪力墙，钢板-混凝土组合剪力墙采用的混凝土强度普遍较高，强度等级多数在C60及以上，同时墙体内密集布置了钢筋、钢板以及栓钉。这导致拥有大收缩特性的高强混凝土的自由收缩受到比传统钢筋混凝土剪力墙更强的内部约束。在高自生收缩、强内部约束条件下，钢-混凝土组合剪力墙结构在强度较低的早期，混凝土内部即存在较高的约束应力，从而提高了钢-混凝土组合剪力墙在施工过程中的开裂风险，给组合结构安全与耐久性带来极大威胁。
　　论文基于钢-混凝土组合剪力墙在施工期大量开裂的现实情况，针对目前国内外对于混凝土在内约束对混凝土收缩变形行为的影响研究严重不足的现状。拟开展以下研究工作，以期揭示内约束条件下混凝土的收缩规律，为解决钢-混凝土组合剪力墙施工期开裂问题提供帮助。
　　论文的主要研究内容及结论如下：
　　①对不同强度等级（C40、C80）、不同养护环境（干燥养护、密封养护）下的混凝土早期变形、内部湿度变化、基本力学性能进行一体化测试。研究表明：混凝土的收缩变形过程在水化热、塑性沉降以及内部毛细孔应力作用下可分为膨胀、加速收缩、稳定收缩三个阶段。混凝土内部湿度与混凝土的收缩变形间有着良好的线性关系。由于与干燥面的距离不同，混凝土内部将产生应变梯度，距离干燥面越远，收缩越小。受此影响，混凝土内部将产生自约束应力，提高了混凝土的开裂风险。
　　②通过试验，对干燥条件下混凝土内部湿度场、应变场以及混凝土自约束应力计算的关键参数：混凝土湿度扩散系数进行研究。研究表明：混凝土的湿度扩散系数除是混凝土内部湿度的函数以外，还是混凝土内部孔隙率的函数。湿度扩散系数随着混凝土内部湿度、孔隙率的提高而提高。研究提出了一个考虑混凝土孔隙率影响的，基于28天以后混凝土湿度-湿度扩散系数曲线的混凝土早龄期湿度扩散系数计算方法。
　　③通过理论推导和试验，对钢筋对混凝土收缩的约束作用开展研究。研究表明:钢筋对混凝土的约束作用将随着钢筋配筋率、钢筋弹性模量的增大而提高，随着混凝土弹性模量的上升而降低。钢筋对混凝土的约束能力是混凝土龄期的函数。其值随着钢筋与混凝土间粘结应力的增长而在早龄期迅速的增长，之后由于混凝土弹性模量的上升而下降，并保持稳定。于此同时，钢筋对混凝土的约束能力是钢筋与被约束混凝土间距离的函数。钢筋对混凝土收缩变形的约束能力将随着钢筋与被约束混凝土间距离的增大而降低。在相同的配筋率下，将钢筋均匀的分布于混凝土截面，能在保持总体约束程度不变的情况下，更为均匀的约束整个截面的混凝土，并降低混凝土的开裂风险。基于理论及试验研究结果，研究提出了一个计算配筋混凝土收缩应变及其分布的计算方法。
　　④通过理论推导和试验，对钢板对混凝土收缩的约束作用开展研究。研究表明：钢板对混凝土收缩变形的约束作用将随着钢板厚度、钢板弹性模量的增加而增加，随着混凝土弹性模量的增加而降低。钢板的锈蚀以及表面形式对钢板对混凝土收缩的约束作用影响并不显著。在钢板厚度、钢板弹性模量不变的情况下，钢板对混凝土收缩的约束能力还将随着混凝土的龄期发生改变。此外，钢板对混凝土变形的约束能力将随着钢板与被约束混凝土距离的增加而降低。基于理论及试验研究结果，研究提出了一个计算配置钢板的混凝土收缩应变及其分布的计算方法。
　　通过理论推导和试验，对栓钉对混凝土收缩的约束作用开展研究。研究表明：栓钉将在其高度、直径范围内显著的约束混凝土的收缩变形。栓钉对混凝土收缩变形的约束能力将随着栓钉直径、栓钉高度以及栓钉数量的增大而增大。研究对栓钉约束下的混凝土、栓钉共同变形计算公式进行了讨论。

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