早齡期混凝土收縮變形測(cè)量系統(tǒng)的研制

諸華豐，冷發(fā)光，田冠飛，周岳年，王波

(1.舟山市博遠(yuǎn)科技開(kāi)發(fā)有限公司,浙江 316000;2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院,北京 100013；3.舟山弘業(yè)預(yù)拌混凝土有限公司,浙江 316012）

1 引言

現(xiàn)代混凝土在建筑工程施工中發(fā)生了較為普遍的混凝土早期裂縫現(xiàn)象，大量工程實(shí)踐表明：混凝土的早期收縮裂縫幾乎都發(fā)生在終凝甚至是初凝前?；炷恋捏w積穩(wěn)定性，特別是早齡期收縮變形性能和混凝土施工質(zhì)量控制中的抗裂措施已經(jīng)成為混凝土工程界重點(diǎn)關(guān)注和研究的課題，測(cè)定早齡期混凝土的收縮變形特性對(duì)研究影響早齡期混凝土收縮變形的諸多因素、抗裂性能及抗裂措施具有非常重要的意義。

《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBJ82-85[1]規(guī)定的混凝土收縮性能試驗(yàn)方法，在試件標(biāo)養(yǎng)3d 后從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室移入恒溫恒濕室開(kāi)始測(cè)量試件的長(zhǎng)度變化，無(wú)法反映出3d 之內(nèi)早齡期的變形長(zhǎng)度變化情況。研發(fā)一種能準(zhǔn)確測(cè)量混凝土成型后全過(guò)程收縮變形特性的測(cè)試方法和專用測(cè)量?jī)x器，成為混凝土工程技術(shù)界研究混凝土早期收縮性能及相關(guān)課題之迫切需求。

本文介紹了一種非接觸式混凝土收縮變形測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)和測(cè)量裝置的研制、所解決的技術(shù)關(guān)鍵和采取的技術(shù)創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上研制的全自動(dòng)非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確測(cè)量混凝土成型后全過(guò)程收縮變形特性的設(shè)計(jì)要求，具有功能完善、實(shí)用可靠，操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

2 非接觸式試驗(yàn)方法

3d 內(nèi)早齡期的混凝土正處于從流塑狀態(tài)到凝結(jié)再到硬化的變化過(guò)程中，這一階段混凝土尚沒(méi)有足夠強(qiáng)度。由于3d 內(nèi)早齡期混凝土的收縮率通常在10-3以內(nèi)，對(duì)位移測(cè)量的精度要求極高，如采用機(jī)械接觸方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)長(zhǎng)儀器對(duì)被測(cè)目標(biāo)形成的機(jī)械觸力極易造成被測(cè)物產(chǎn)生微小的變形甚至發(fā)生位移而導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此，測(cè)長(zhǎng)儀器與被測(cè)目標(biāo)無(wú)機(jī)械接觸的非接觸式測(cè)量方式成為首選方法。

2.1 相關(guān)研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)非接觸式混凝土收縮試驗(yàn)方法已進(jìn)行了不少相關(guān)研究。如美國(guó)Kim.B 和Weiss W.J 采用被動(dòng)式聲能傳感器來(lái)測(cè)量試件的長(zhǎng)度變化，通過(guò)建立聲能變化與試件長(zhǎng)度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究混凝土的變形[2]；瑞典Roger Zurbriggen 博士及其所在研究所采用激光測(cè)距方式開(kāi)發(fā)了測(cè)試薄層砂漿自由收縮的試驗(yàn)裝置[3]（圖1）；我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)巴恒靜教授提出了位移傳感器法[4]，采用測(cè)長(zhǎng)儀器固定，將數(shù)個(gè)等距排列的試件通過(guò)控制平移分別進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)（圖2）；王培銘、劉巖、郭延輝等提出的電渦流法[5]（圖3）等。

圖1 瑞典Roger Zurbriggen 采用的激光非接觸式測(cè)量方法示意圖

圖2 巴恒靜教授采用的非接觸式測(cè)量方法示意圖

2.2 存在問(wèn)題

從測(cè)量原理上，現(xiàn)有非接觸式混凝土收縮試驗(yàn)方法基本可分為：間接測(cè)量、表面（或近表面）靶測(cè)量和埋入式靶測(cè)量等三種方式。

間接測(cè)量方式由于最終將追溯到混凝土收縮位移的直接測(cè)量，對(duì)于受水泥種類、材料及配合比、外加劑以及養(yǎng)護(hù)條件等諸多復(fù)雜因素影響的混凝土早齡期收縮特性而言，很難實(shí)現(xiàn)普遍性應(yīng)用。

表面（或近表面）靶測(cè)量方式存在難以反映混凝土內(nèi)部收縮變化的局限性。

埋入式靶測(cè)量方式可反映混凝土試件內(nèi)部或整體收縮變形特性，但存在以下問(wèn)題：1）埋入式靶能否隨著混凝土（收縮）變形而同步移動(dòng)，2）測(cè)量靶埋入后是否對(duì)混凝土的收縮構(gòu)成約束條件，3）以及被測(cè)位置的位移是否代表靶的真實(shí)位移等擔(dān)憂。如王培銘等提出的電渦流法所采用的埋入式標(biāo)靶構(gòu)造（圖3 所示）及埋入方式對(duì)被測(cè)試件的收縮構(gòu)成了部分約束條件。

圖3 王培銘等提出的電渦流法示意圖

2.3 實(shí)現(xiàn)困難

表面靶和埋入式靶測(cè)量方式的實(shí)現(xiàn)還需要克服下述技術(shù)難題：

測(cè)量精度：由于3 天內(nèi)早齡期混凝土的收縮率通常在10-3以內(nèi)，對(duì)位移測(cè)量的精度要求在10μm 以內(nèi)甚至更高，測(cè)量精度不僅受測(cè)長(zhǎng)器自身不確定度的制約，而且還受“測(cè)長(zhǎng)器—被測(cè)靶”構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)的不確定度的制約；而對(duì)于被測(cè)對(duì)象為混凝土試件這樣較大重量和體積的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)要達(dá)到10μm 以內(nèi)的不確定度是十分困難的。

測(cè)量穩(wěn)定性：“測(cè)長(zhǎng)器—被測(cè)靶”測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度還受振動(dòng)、溫濕度等測(cè)量環(huán)境因素的影響和測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性等制約。如采用CCD 激光位移傳感器易受振動(dòng)影響，電容位移傳感器則對(duì)測(cè)量環(huán)境的空氣濕度極其敏感；測(cè)長(zhǎng)器固定機(jī)構(gòu)的過(guò)渡環(huán)節(jié)過(guò)多、固定臂過(guò)長(zhǎng)則易使測(cè)量系統(tǒng)受到外部振動(dòng)、受機(jī)械徐變和溫度變化等因素導(dǎo)致與被測(cè)靶之間產(chǎn)生相對(duì)位移等。

操作因素：測(cè)量方法和裝置的操作使用應(yīng)簡(jiǎn)單方便、可靠耐用。

綜合成本：對(duì)于為實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的測(cè)量方法或以產(chǎn)品為目的的測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)及使用成本是不可忽略的重要因素。

3 非接觸式測(cè)量裝置研制

3.1 試件選擇

選擇與標(biāo)準(zhǔn)GBJ82-85 收縮試驗(yàn)方法[1]規(guī)定的尺寸為100mm×100mm×515mm 的棱柱體試件為標(biāo)準(zhǔn)試件，可使測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法具有可比性，同時(shí)還可把非接觸式收縮變形測(cè)量裝置用于測(cè)量混凝土試件的后期收縮。

3.2 試驗(yàn)方法選擇

選擇埋入式靶測(cè)量方式的是測(cè)量方法更能反映混凝土試件內(nèi)部或整體收縮變形特性，符合測(cè)定早齡期混凝土的收縮變形特性的目的。

3.3 位移傳感器選型

圖4 電渦流位移傳感器原理示意圖

圖5 某型號(hào)電渦流位移傳感器輸出特性

現(xiàn)有非接觸式微位移傳感器產(chǎn)品中綜合考慮測(cè)量精度、量程等主要技術(shù)指標(biāo)，大致有電渦流位移傳感器（屬電磁感應(yīng)式）、CCD 激光位移傳感器、雙極型電容位移傳感器等三種產(chǎn)品最適合非接觸式收縮試驗(yàn)方法的使用要求。比較電渦流位移傳感器、CCD 激光位移傳感器和雙極型電容位移傳感器的量程、精度、穩(wěn)定性等技術(shù)性能，綜合考慮其安裝方式、對(duì)測(cè)量標(biāo)靶的要求、環(huán)境適應(yīng)性、操作簡(jiǎn)易性和成本等因素，選用電渦流傳感器作為專用測(cè)試裝置的微位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式收縮試驗(yàn)方法。

電渦流位移傳感器由探頭、延伸電纜、前置器以及被測(cè)體（導(dǎo)體材料，通常是金屬導(dǎo)體）構(gòu)成基本測(cè)量系統(tǒng)，如圖4 所示。電渦流傳感器的探頭頭部有一組線圈，前置器生成的高頻振蕩電流通過(guò)延伸電纜激勵(lì)探頭線圈并在探頭產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一交變磁場(chǎng)時(shí)，金屬體的表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。感應(yīng)電流產(chǎn)生與探頭線圈的磁場(chǎng)反相的交變磁場(chǎng)反作用于探頭線圈使其特征阻抗發(fā)生改變。這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀和尺寸、通過(guò)線圈電流的強(qiáng)度與頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。

在實(shí)際應(yīng)用中，可假定被測(cè)金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各向同性，并通常能做到控制相關(guān)參數(shù)在一定條件下基本保持不變。這樣，線圈的特征阻抗就簡(jiǎn)化為僅與距離相關(guān)，經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娐费a(bǔ)償后，輸出與被測(cè)金屬材料距離呈線性相關(guān)的電壓或電流信號(hào)。從而使得電渦流傳感器能以非接觸方式準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。圖5 為某型號(hào)電渦流位移傳感器產(chǎn)品的輸出特性。

電渦流位移傳感器對(duì)被測(cè)體表面大小有一定要求。通常，當(dāng)被測(cè)體表面為平面時(shí)，以正對(duì)探頭中心線的點(diǎn)為中心，被測(cè)面直徑應(yīng)大于探頭頭部直徑的1.5 倍以上。

電渦流位移傳感器產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，具有性能穩(wěn)定、堅(jiān)固、可靠、耐用、抗腐蝕強(qiáng)，對(duì)環(huán)境和操作要求低的特點(diǎn)，并具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。目前高端產(chǎn)品的非線性度指標(biāo)可做到小于±0.2% FSO，即量程2mm 時(shí)的測(cè)量精度為±4μm 以內(nèi)，能滿足較寬的測(cè)量量程和實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。

3.4 技術(shù)關(guān)鍵

選定非接觸式位移傳感器類型后，測(cè)量標(biāo)靶及位移傳感器探頭安裝方式的技術(shù)和實(shí)用性能成為實(shí)現(xiàn)非接觸式收縮試驗(yàn)方法的技術(shù)關(guān)鍵。

3.4.1 測(cè)量標(biāo)靶

測(cè)量標(biāo)靶是實(shí)現(xiàn)非接觸法的關(guān)鍵。理想的測(cè)量標(biāo)靶是埋入混凝土在試件成型之后，能跟隨混凝土的收縮變形同步移動(dòng)，并且其所測(cè)的變形位移值能準(zhǔn)確反映被測(cè)混凝土試件的收縮性能。測(cè)量標(biāo)靶的設(shè)計(jì)必須充分考慮以下要素：

1）標(biāo)靶的形狀、構(gòu)造和埋設(shè)方式應(yīng)使被測(cè)混凝土試件的兩個(gè)標(biāo)靶的測(cè)量參考平面之間的部分無(wú)任何可能影響混凝土收縮變形的約束條件；

2）標(biāo)靶與試模之間摩擦力盡可能小，以保證標(biāo)靶能靈敏地隨著混凝土（收縮）變形而同步移動(dòng)；

3）標(biāo)靶應(yīng)有可靠的方式在其預(yù)埋位置與試模間保持固定，使其在試件成型澆筑振動(dòng)過(guò)程中及試驗(yàn)成型后撤去固定的操作時(shí)不發(fā)生移位和偏斜；

4）因標(biāo)靶需埋入混凝土試件通常為一次性使用，根據(jù)電渦流位移傳感器的測(cè)量原理，標(biāo)靶被測(cè)部位的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率參數(shù)的差異將導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此，標(biāo)靶被測(cè)部位的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率參數(shù)一致性應(yīng)滿足位移傳感器的匹配要求，使其測(cè)試精度要求滿足非接觸式收縮試驗(yàn)方法的基本要求。

3.4.2 位移傳感器探頭的安裝方式

標(biāo)準(zhǔn)要求非接觸位移傳感器測(cè)頭應(yīng)可靠固定，并在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中與試模相對(duì)位置保持固定不變。位移傳感器探頭安裝方式和固定裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)考慮下述問(wèn)題：

1）位移傳感器探頭固定機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能直接固定在試模上，其目的是為了避免因震動(dòng)、溫濕度變化或其他不確定環(huán)境因素引起位移傳感器探頭與試模相對(duì)位置發(fā)生微位移而產(chǎn)生的測(cè)量誤差；

2）由于非接觸式混凝土收縮試驗(yàn)方法所用位移傳感器的量程很小（通常為1mm），傳感器探頭固定機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)把傳感器探頭與被測(cè)標(biāo)靶之間的距離調(diào)到位移傳感器的有效量程內(nèi)最合適的初始位置，使得被測(cè)標(biāo)靶在試驗(yàn)過(guò)程中的位移最大限度地落在位移傳感器的有效量程內(nèi)。

3）位移傳感器探頭固定機(jī)構(gòu)不應(yīng)妨礙試件的澆筑成型操作。

3.5 測(cè)量裝置及操作步驟設(shè)計(jì)

非接觸法收縮變形測(cè)量裝置的構(gòu)造原理如圖6 所示。其測(cè)量原理是：在被測(cè)混凝土試件的兩端各埋入一只測(cè)量標(biāo)靶，通過(guò)測(cè)量這組標(biāo)靶（露出試件部分）之間距離的變化值獲得混凝土試件（在該方向）的（收縮）變形量，從而評(píng)價(jià)被測(cè)混凝土的收縮性能。

圖6 非接觸法混凝土收縮變形測(cè)定儀的測(cè)量裝置設(shè)計(jì)原理圖（mm）

3.5.1 設(shè)計(jì)要求

對(duì)測(cè)量裝置的基本要求如下：

1）非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀應(yīng)設(shè)計(jì)成整機(jī)一體化裝置，并可設(shè)定所需的采樣時(shí)間間隔實(shí)時(shí)全自動(dòng)采集標(biāo)靶的相對(duì)位移值并保存到文件中供后續(xù)數(shù)據(jù)處理、分析；

2）反射靶的構(gòu)造形式及埋設(shè)方式應(yīng)使試件成型后在被測(cè)位移所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)反射靶之間無(wú)任何約束條件，與試模之間摩擦力盡可能小，以保證反射靶能夠隨著混凝土（收縮）變形而同步移動(dòng)。兩測(cè)量標(biāo)靶的埋設(shè)位置應(yīng)盡量大以獲得較大的收縮位移量；

3）位移傳感器測(cè)頭的固定方式應(yīng)保證在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中與試模相對(duì)位置保持不變；

4）測(cè)試量程不小于2mm，測(cè)量精度不低于±0.25% FSO （即量程為2mm 時(shí)精度 5μm）；

5）測(cè)量裝置具有較強(qiáng)的抗震性能，能適用于普通實(shí)際應(yīng)用性試驗(yàn)環(huán)境；

6）操作簡(jiǎn)便，綜合成本低。

3.5.2 試驗(yàn)操作步驟

試驗(yàn)操作步驟如下：

1）試件成型前先在試模內(nèi)涂刷潤(rùn)滑油，然后在試模內(nèi)鋪設(shè)兩層塑料薄膜，每層薄膜上均勻涂抹一層潤(rùn)滑油；

2）將埋入式測(cè)量靶固定在試模兩端預(yù)定的位置后把混凝土拌合物澆筑入試模中振動(dòng)成型。對(duì)需要測(cè)定混凝土自收縮的試件，澆筑振搗后應(yīng)立即采用塑料薄膜作密封處理；

3）將成型后的試模移至所需的試驗(yàn)場(chǎng)所，撤除標(biāo)靶的固定后即可開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)；

4）測(cè)試過(guò)程結(jié)束后測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)靶測(cè)量面之間的距離，根據(jù)所測(cè)得的實(shí)時(shí)位移值推算到所需基準(zhǔn)時(shí)刻（如初凝時(shí)間）兩標(biāo)靶間距作為測(cè)量標(biāo)距并把所測(cè)得的收縮位移量換算成收縮率值。

3.6 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決途徑和技術(shù)創(chuàng)新

圖7 帶支墊的U 型標(biāo)靶和埋入試件的位置示意圖

3.6.1 埋入式標(biāo)靶

埋入式標(biāo)靶設(shè)計(jì)成鋼材薄片經(jīng)沖壓成型，由一個(gè)測(cè)量平面和兩個(gè)向后的延伸平面組成，延伸平面的作用是使標(biāo)靶的測(cè)量平面保持與試模垂直，并使標(biāo)靶保證有足夠的剛度。測(cè)量平面上部露出混凝土試件的部分與電渦流位移傳感器探頭構(gòu)成位移測(cè)量系統(tǒng)。由于其埋入混凝土試件部分的俯視形狀呈略向外開(kāi)口的“︺”形（圖7），因此被簡(jiǎn)稱為U 型標(biāo)靶，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1）約束機(jī)理簡(jiǎn)明，保證了被測(cè)混凝土試件在測(cè)量標(biāo)距范圍內(nèi)的收縮變形無(wú)任何約束，符合測(cè)定混凝土試件自由收縮變形的必要前提；

2）足夠大的有效截面更能準(zhǔn)確反映混凝土試件的收縮，避免因試件收縮不均勻性所導(dǎo)致的測(cè)量誤差；

3）標(biāo)靶底部成三點(diǎn)接觸，使標(biāo)靶底部不會(huì)嵌入砂石，保證了試件成型時(shí)標(biāo)靶的測(cè)量平面與試件底面保持垂直；三點(diǎn)接觸同時(shí)保證了標(biāo)靶在試件成型后不會(huì)因自身重力的作用發(fā)生沉降而導(dǎo)致出現(xiàn)偏移的情況；

4）標(biāo)靶測(cè)量平面埋入混凝土部分的透孔設(shè)計(jì)使得標(biāo)靶測(cè)量面的前后側(cè)的混凝土結(jié)合成一體，在試件收縮變形時(shí)能緊密帶動(dòng)標(biāo)靶, 被測(cè)混凝土與標(biāo)靶協(xié)同良好；較大孔徑的透孔可在試件振搗成型時(shí)使混凝土砂漿和骨料自由通過(guò)，避免了混凝土試件在初凝前因成型時(shí)標(biāo)靶測(cè)量面兩側(cè)的壓強(qiáng)不一致所導(dǎo)致的標(biāo)靶偏移而可能產(chǎn)生的測(cè)量誤差；

5）標(biāo)靶埋入并不影響傳統(tǒng)的接觸式法收縮變形性能測(cè)定的收縮測(cè)頭的埋設(shè)，不影響試件在完成早齡期收縮變形測(cè)定試驗(yàn)后參照接觸式收縮變形性能測(cè)定試驗(yàn)方法對(duì)被測(cè)試件繼續(xù)進(jìn)行后期收縮變形性能的試驗(yàn)。

3.6.2 標(biāo)靶支墊

圖8 標(biāo)靶支墊

為防止U 型標(biāo)靶支腳的金屬毛刺或利邊在使用時(shí)劃破試模內(nèi)鋪設(shè)的塑料薄膜，專門設(shè)計(jì)了塑料材料一次成型的標(biāo)靶支墊（圖8），支墊的低部呈半球面，同時(shí)可使標(biāo)靶底部的三個(gè)接觸點(diǎn)與混凝土試模內(nèi)壁保持盡可能小的摩擦力，以保證標(biāo)靶隨混凝土收縮變形同步位移。使用時(shí)只需把U 型標(biāo)靶的三個(gè)底腳插入標(biāo)靶支墊對(duì)應(yīng)的插槽即可（見(jiàn)圖7），操作極其簡(jiǎn)單。

3.6.3 標(biāo)靶固定夾

標(biāo)靶在試件成型時(shí)的固定方式對(duì)于非接觸法的實(shí)現(xiàn)也是非常重要的。固定方式不僅應(yīng)保證澆筑振動(dòng)過(guò)程中在其預(yù)埋位置保持與試模間的固定，而且還需防止在試件成型后因撤去固定力或撤除操作的原因造成標(biāo)靶發(fā)生移位的情況。并且，這一固定方式還應(yīng)保證標(biāo)靶在撤去固定后處于無(wú)外力約束狀態(tài)的同時(shí)保證被測(cè)試件不會(huì)因此額外增加可能影響混凝土收縮的外力約束。因此，通過(guò)試模外部穿入混凝土內(nèi)部標(biāo)靶固定方案是不可取的，很難同時(shí)滿足上述要求。

圖9 專用固定夾及標(biāo)靶固定方式

專門設(shè)計(jì)的標(biāo)靶固定夾是一個(gè)彈性簧片制成的與U 型標(biāo)靶及混凝土試模外形相匹配的專用夾具，其安裝方式如圖9 所示。固定夾還設(shè)有安全索，操作時(shí)把安全索末端的掛鉤鉤住試模端部的孔環(huán)，防止固定夾在試件振動(dòng)成型時(shí)意外彈出傷及操作者。該標(biāo)靶固定夾具有以下特點(diǎn)：

1）保證標(biāo)靶在試件振動(dòng)成型時(shí)被良好固定不發(fā)生移動(dòng)，撤去固定夾后標(biāo)靶無(wú)任何外力約束；

2）固定方式使標(biāo)靶測(cè)量面方向與位移傳感器探頭自然保持垂直；

3）標(biāo)靶固定力的方向與重力方向一致，保證了標(biāo)靶在撤去固定夾后因受力狀況發(fā)生變化而在自身重力的作用下發(fā)生沉降而導(dǎo)致出現(xiàn)偏移的情況；

4）操作方便、安全，不影響混凝土試件澆筑。

3.6.4 吸附式標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)靶

由于埋入式標(biāo)靶是消耗品，更換標(biāo)靶后將因不同生產(chǎn)批次材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率特性所存在的差異、標(biāo)靶表面粗糙度不一致或存在刻痕等缺陷或標(biāo)靶鍍層的材質(zhì)、厚薄存在差異等因素造成測(cè)量誤差。事實(shí)上，即便不計(jì)成本地采用最好的材料、最精的加工工藝和最苛刻的檢驗(yàn)得以解決前二個(gè)問(wèn)題，也極難控制生產(chǎn)電鍍加工過(guò)程中涂層材料、涂層厚度、電鍍工藝的一致性。

實(shí)際測(cè)量表明，在現(xiàn)有加工技術(shù)下，相同材料和工藝條件下生產(chǎn)的埋入式標(biāo)靶對(duì)同一電渦流位移傳感器的靈敏度造成的差異最大達(dá)±1%～±2%。也就是說(shuō)，當(dāng)位移量為1mm 時(shí)最大測(cè)量誤差可達(dá)±10 ～±20μm。因此，直接使用埋入式標(biāo)靶的測(cè)量誤差將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測(cè)量精度不低于±0.25% FSO 的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為解決這一技術(shù)難題，我們提出了吸附式標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)靶技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：

1)采用高品質(zhì)材料和精密加工工藝制造、通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試校準(zhǔn)并篩選出靈敏度高度一致的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)靶，避免了普通埋入式標(biāo)靶由于標(biāo)靶材質(zhì)、涂層厚薄、表面粗糙度不一致性或生產(chǎn)批次不同所導(dǎo)致的位移傳感器靈敏度差異造成的測(cè)量誤差，從而確保了儀器的測(cè)量精度；這一技術(shù)是采用電渦流位移傳感器方法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)定非接觸式混凝土收縮變形的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

2)在試驗(yàn)時(shí)通過(guò)磁鋼方式吸附在埋入式標(biāo)靶的測(cè)量位置（圖10），裝卸極其方便，可長(zhǎng)期反復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)了保證儀器最高測(cè)量精度的前提下既操作簡(jiǎn)單又成本低廉的使用要求。此外，利用電渦流位移傳感器的特性，采用不同電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率特性的材料制作不同的吸附式標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)靶可以改變位移傳感器的測(cè)試靈敏度。若選用基材為紫銅的吸附式標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)靶替換基材為45 號(hào)鋼的吸附式標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)靶，可把同一電渦流位移傳感器的靈敏度提高約一倍。也即，這一技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在減短一半量程的條件下把儀器的測(cè)量精度提高一倍。

3.6.5 位移傳感器探頭固定、調(diào)節(jié)架

圖11 為根據(jù)非接觸法技術(shù)要求配合上述標(biāo)靶技術(shù)專門設(shè)計(jì)的位移傳感器探頭固定、調(diào)節(jié)架，具有如下特點(diǎn)：

1）把位移傳感器探頭的固定裝置設(shè)計(jì)成直接架在試模之上與試模在結(jié)構(gòu)上成一體化，避免了傳感器探頭與被測(cè)靶之間連接結(jié)構(gòu)過(guò)渡環(huán)節(jié)太多、關(guān)聯(lián)臂過(guò)長(zhǎng)所導(dǎo)致抗震（振）性能下降的弊端，有效減低因環(huán)境震動(dòng)引起的測(cè)量誤差；這一設(shè)計(jì)也使得在溫度變化較大的試驗(yàn)環(huán)境下把熱脹冷縮效應(yīng)對(duì)測(cè)量值的影響減到最小，同時(shí)使其他不確定環(huán)境因素所引起位移傳感器探頭與試模相對(duì)位置位移的發(fā)生概率降到最低，大大提高了測(cè)量裝置的環(huán)境適應(yīng)性；

2）同時(shí)具有位移傳感器探頭調(diào)節(jié)功能可方便平穩(wěn)地調(diào)節(jié)位移傳感器探頭與標(biāo)靶間的距離，使得位移傳感器探頭能在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)調(diào)節(jié)到最合適的初始位置，以便獲得最大的（一次性）測(cè)量量程；

3）在試件澆筑成型后再安裝固定，不影響試件的澆筑成型操作；

4）安裝簡(jiǎn)單、操作方便，可適合各種型號(hào)的混凝土收縮試件的成型試模。

3.7 非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀

采用上述技術(shù)研制的CABR-NES 型非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀的技術(shù)性能及指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有如下主要技術(shù)特點(diǎn)及功能：

1）位移測(cè)量量程3.0mm（單傳感器通道1.5mm），精度±5.0μm；

2）檢測(cè)時(shí)間間隔：1～120 分鐘可設(shè)定；

3）斷電自動(dòng)恢復(fù)功能：儀器在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)恢復(fù)斷電前的運(yùn)行狀態(tài)；

4）對(duì)測(cè)試環(huán)境要求低，適合各類實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合；

5）配有一體化溫濕度傳感器同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的環(huán)境溫、濕度；

6）采用多項(xiàng)專利技術(shù)，功能完善實(shí)用，儀器可靠耐用，操作簡(jiǎn)單快捷；

7）設(shè)有 USB 接口、以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件傳送和軟件升級(jí)等功能；

8）很高的產(chǎn)品性價(jià)比。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)試精度校準(zhǔn)結(jié)果

經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)[5]，CABR-NES 型非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀的實(shí)測(cè)最大誤差為2μm（單個(gè)位移傳感器，校準(zhǔn)量程1.5mm；標(biāo)準(zhǔn)器不確定度：±0.3μm），儀器的測(cè)量精度達(dá)0.13% FSO。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)CABR-NES 型非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀的整體技術(shù)性能，驗(yàn)證其用于非接觸混凝土收縮試驗(yàn)方法的實(shí)際效果，進(jìn)行了大量的實(shí)際試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

1）采用本文技術(shù)設(shè)計(jì)的埋入式標(biāo)準(zhǔn)靶能靈敏地跟隨被測(cè)混凝土的早齡期（收縮）變形而同步移動(dòng)，在砂漿貫入阻力到達(dá)0.3MPa 之前已表現(xiàn)出很好的協(xié)同性；

2）混凝土早齡期收縮變形在初凝前已經(jīng)發(fā)生，多數(shù)情況下初凝前的收縮變形量為終凝前累計(jì)收縮變形量的1/2 以上；

3）早齡期混凝土的收縮變形大致可以終凝點(diǎn)為界分為兩個(gè)階段，終凝之后收縮速率顯著小于終凝之前。

圖12 收縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線（縱坐標(biāo)：收縮率10-6，橫坐標(biāo)：經(jīng)時(shí)h）

圖12 為兩次早齡期混凝土收縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均收縮率曲線圖（截去試驗(yàn)開(kāi)始25h 后數(shù)據(jù)）。試件成型后即開(kāi)始試驗(yàn)，采樣時(shí)間間隔為15min，同時(shí)在同一試驗(yàn)環(huán)境測(cè)量混凝土初終凝時(shí)間。由于試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱蓑?yàn)證非接觸法專用測(cè)試裝置的特性和試驗(yàn)方法的實(shí)際可行性，試驗(yàn)場(chǎng)所采取了用電扇增加空氣流動(dòng)性，以加速被測(cè)混凝土的收縮速率（下同）。

圖13 為另一次試驗(yàn)的混凝土試件平均收縮率變化圖（截至實(shí)測(cè)砂漿貫入阻力1.1MPa）。試驗(yàn)表明，被測(cè)混凝土試件在成型后約3h 前所測(cè)得的變形值處于不確定變化狀態(tài)，在成型后約4h 后開(kāi)始展開(kāi)有規(guī)律的收縮過(guò)程。

圖13 實(shí)測(cè)初凝前收縮率變化圖

圖14 為試件成型起90 小時(shí)3 組試件的收縮率變化曲線。

5 結(jié)論

采用電渦流位移傳感器非接觸式試驗(yàn)方法結(jié)合本文所述的技術(shù)手段，可很好地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量混凝土成型后全過(guò)程收縮變形特性；

本文所述“測(cè)量標(biāo)靶——位移傳感器探頭固定調(diào)節(jié)裝置”的一系列技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)這一測(cè)試方法技術(shù)關(guān)鍵；

圖14 成型起90 小時(shí)收縮率數(shù)據(jù)曲線

為測(cè)定初凝或接近初凝后早齡期混凝土的自由收縮變形和自收縮變形，標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2009 新增加了非接觸式收縮試驗(yàn)方法[7]并對(duì)測(cè)試設(shè)備、試驗(yàn)步驟及要求作了詳細(xì)規(guī)定。CABR-NES 型非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀良好的實(shí)際使用效果充分驗(yàn)證了其技術(shù)合理性和實(shí)際可行性。初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，GB/T 50082 提出的在混凝土初凝時(shí)開(kāi)始測(cè)定試驗(yàn)的規(guī)定略偏保守。

隨著GB/T 50082-2009 的正式頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)引入的非接觸式收縮試驗(yàn)方法將為精確地測(cè)定并真實(shí)反映混凝土早期收縮性能提供客觀有效試驗(yàn)方法和科學(xué)合理評(píng)價(jià)手段，為推動(dòng)混凝土早期特性與抗裂技術(shù)的研究、配合比設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制起到非常積極的推動(dòng)作用。同時(shí)，CABR-NES 型非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀將為該試驗(yàn)方法的應(yīng)用提供性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的專用測(cè)試儀器。

[1]普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GBJ 82-85

[2]Kim.B, and Weiss,W.J, Using Acoustic Emission To Quantify Damage In Fiber Reinforced Cement Mortars Restrained From Volume Changes, Materials Research Society, Boston,MA, 2001(11):26-28.

[3]R.Zurbriggen, E.buhler, 快凝地面自流平砂漿的早期收縮與膨脹機(jī)理，2004:5-6.

[4]巴恒靜,高小建,楊英姿.高性能混凝土早期自收縮測(cè)試方法研究[J],工業(yè)建筑,2003（8）：1-4.

[5]王培銘,劉巖,郭延輝,趙霄龍等.混凝土早齡期收縮測(cè)試電渦流法的研究[J], 建筑材料學(xué)報(bào), 2006.9(6)：711-715.

[6]中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.校準(zhǔn)證書(shū),CDyd2009-0186.

[7]普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T 50082-2009.