早龄混凝土的压缩与拉伸徐变及其研究现状

在中国，惠荣炎等[24]于1986年较早地报道了混凝土的拉伸徐变，对大坝混凝土进行了早龄期压缩（2 d和7 d加载）和拉伸（7 d加载）徐变试验，研究表明，压缩徐变随粉煤灰掺量增加而增大， 而拉伸徐变随粉煤灰掺量增加而减小，粉煤灰掺量对混凝土早龄期拉伸和压缩徐变影响呈现相反的规律。中国相关研究近10年以来才逐渐展开。马新伟[33]对高性能混凝土拉伸徐变特性进行了试验研究，发现混凝土在早龄期尤其是1 d以内其徐变系数要远大于成熟混凝土。汪伦焰等[34]、李司晨[35]等利用自制的拉伸徐变仪较系统的研究了水灰比、外掺物（如粉煤灰、矿渣等）掺量等因素对早龄混凝土拉伸徐变的影响。叶德艳[2]的研究发现，0.5、0.75、1 d加载的混凝土表现出较高的徐变能力，且具备很强的非线性特征。梁思明等进行了早龄混凝土的1 d、3 d和7 d试件拉伸徐变测试，基于B3徐变模型的修正提出了早龄混凝土拉伸徐变模型[36]。杨杨等[37]研究了不同水灰比、加载龄期、加载应力水平和养护温度等参数条件下的早龄期高性能混凝土拉伸徐变特性，并基于流变学原理修正了经典的Burgers模型，提出了评价混凝土早龄期拉伸徐变的ZC模型。以下对Burgers模型（图1）和ZC模型（图2）进行阐述。

Burgers模型由Voigt体（Kelvin体）与Maxwell体串联而成。混凝土的变形是Maxwell体和Voigt体变形之和。当拉伸荷载σ在t0时刻作用于模型时，将产生弹性应变εe；持荷到t1时刻时，徐变变形在增长，该变形包括Maxwell体中的粘性元件产生粘性流动εd；Voigt体中粘性元件的变形在弹性元件的制约下产生可恢复的延迟弹性变形εv。当荷载t1时刻卸除时，εe立即恢复，随后便是徐变恢复。徐变成分中粘性流动εd在卸载后是不可恢复的。模型与混凝土在加载及卸载过程中所产生变形响应十分类似，但Burgers模型未被赋予明确的物理化学意义。在ZC模型中，引入了一个Hooke弹性元件[H]，与Voigt体并联后，再与Maxwell体串联。在混凝土中，水和水泥形成的水泥石用Voigt体表示，水泥石中的结晶体部分是弹簧，凝胶体则是粘壶。当荷载持续不变的情况下，Voigt体开始分担荷载，并随着时间而变形，这时结构内的应力将从Voigt体粘壶向弹簧转移，并发生应力重分布，同时发生的还有整个Kelvin体向单独的弹簧体[H] （代表集料）上的应力重分布[37]。杨杨等利用ZC模型模型预测了早龄混凝土的拉伸徐变，但并未用于早龄结构的徐变分析。

目前，早龄混凝土的拉伸徐变已逐渐成为研究热点，相关研究已取得了一定的成果。拉伸徐变主要研究方法为采用自制仪器在室内进行小试件试验研究，所关注的影响参数基本与压缩徐变相同。由于混凝土早龄期拉伸徐变研究起步较晚，尤其是国内在近10年才展开相关研究，试验数据和预测模型仍较缺乏，亦少见针对早龄混凝土材料力学特性建立的早龄期拉伸徐变预测模型。

3 混凝土早龄期徐变测试方法

由上述文献综述可知，早龄混凝土和成熟混凝土的徐变影响参数基本相同。因此，可借鉴成熟混凝土的徐变研究方法设计试验对混凝土早龄期拉伸、压缩徐变进行研究。成熟混凝土的徐变试验有标准试验方法，试验手段成熟[38]。早龄混凝土的徐变试验尚无规范可循。此外，混凝土早龄期强度较低，拉伸及压缩徐变试验均不易进行，试验的关键在于早龄徐变仪。早龄混凝土的徐变试验装置应具备以下功能特点：为消除试件重力对测试结果的影响，徐变试件应卧置，且应采用有效手段减小试件和接触面间的摩阻力；能实现不同的应力水平加载，并具备良好的持荷能力；可自动、连续地采集试验数据。

目前，混凝土徐变试验采用的试验仪器主要有以下5种：1）弹簧立拉式徐变装置[38]；2）杠杆立拉式徐变装置[38]；3）杠杆卧拉式徐变装置[39]；4）液压卧拉式徐变装置[34，37]；5）清华大学土木工程系建筑材料研究所研发的TSTM装置[40]。上述各种仪器各有特点，其中，第1、2种装置只能用于晚龄期拉伸徐变试验。第3～5种装置可用于混凝土早龄徐变试验。

目前，早龄混凝土徐变测试方法较为缺乏，主要体现在：无规范可循、无标准试件尺寸、自制实验仪器昂贵、无法进行批量试验。

4 早龄混凝土结构徐变应力理论分析方法

混凝土结构在其施工期间的早期开裂现象较为普遍，这些裂缝对结构安全性和耐久性产生极为不利的影响。而早龄期结构开裂的有效预测并采取针对性控制措施依赖于对其应力的准确预测。随着计算机的普及和有限元法的广泛应用，复杂结构的徐变应力求解成为可能。由于混凝土早龄期徐变预测模型的缺乏，以成熟混凝土的压缩徐变代替早龄期徐变进行混凝土结构受力分析，其误差较大[3-5，41]。Kwak等[42]和Cusson等[43]建议采用拉伸徐变模型对结构早龄期非荷载裂缝进行数值模拟分析。苏安双[44]采用混凝土拉伸徐变模型对高性能混凝土早期收缩应力进行预测，获得了较好的结果。巨玉文等[40]分别采用混凝土早龄期拉伸和压缩徐变预测模型对地下连续墙养护期间的水化热温致应力进行了对比分析，计算结果表明采用拉伸与压缩徐变预测模型其结果相差较大，在早龄期受拉应力状态下使用压缩徐变规律会得到偏于不安全的计算结果。

除了能反映混凝土材料性能的早龄期徐变预测模型外，适用的徐变应力理论分析方法亦尤为重要。目前，早龄混凝土结构徐变应力分析一般采用增量初应变法，即将混凝土徐变历程分为若干时步，每一计算时步采用上一时步的徐变应变增量计算徐变应力增量。Zienkiewicz等[45]提出了等时步条件下徐变增量的递推算法，对增量初应变法进行了简化。朱伯芳院士[46]又提出了混凝土结构徐变应力分析的隐式解法。秦煜等[47]采用初应变增量有限元法建立了混凝土箱梁水化热温致应力的弹性徐变隐式解法数值模型，据此得到的仿真分析结果与实测结果吻合较好。大型计算机的应用可方便的实现上述算法。

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