高性能混凝土早齡期體積變化測(cè)量方法評(píng)述

江晨暉 陳偉東 沈萬(wàn)岳（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

高性能混凝土早齡期體積變化測(cè)量方法評(píng)述

江晨暉 陳偉東 沈萬(wàn)岳（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

借助實(shí)驗(yàn)手段對(duì)包括自收縮在內(nèi)的高性能混凝土（HPC）早齡期體積變化加以精確評(píng)價(jià)是分析和控制HPC早期開裂的重要前提。本文就既有早齡期體積變化測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比分析，旨在評(píng)述各種方法的優(yōu)勢(shì)、不足及可能的改良途徑，從而為實(shí)驗(yàn)方法的選用和完善提供參考。

高性能混凝土（HPC）；早齡期；體積變化；測(cè)量方法；傳感器

1 前 言

高性能混凝土（High performance concrete，簡(jiǎn)稱為HPC）以其高工作性、高耐久性和較好的力學(xué)性能而被越來(lái)越多地應(yīng)用于現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。然而，這類混凝土由于易出現(xiàn)非荷載所致的早期開裂而影響其服役性能的發(fā)揮。究其原因，主要與HPC較普通混凝土更大且更復(fù)雜的非荷載導(dǎo)致的早齡期體積變化有關(guān)。HPC早齡期體積變化主要由凝結(jié)硬化初期因水化熱釋放導(dǎo)致溫度變化而產(chǎn)生的熱變形、因化學(xué)收縮和自干燥而導(dǎo)致的自收縮和因水分逸散而導(dǎo)致的干燥收縮耦合而成。

借助實(shí)驗(yàn)手段對(duì)包括自收縮在內(nèi)的HPC早齡期體積變化加以精確評(píng)價(jià)是理解和掌握其特性的重要前提。由于不同國(guó)家和地區(qū)、不同學(xué)術(shù)團(tuán)體、甚至不同研究者對(duì)早齡期體積變化的定義、內(nèi)涵和范疇的規(guī)定或理解不一，導(dǎo)致測(cè)量早齡期體積變化的各種方法或多或少地存在著差異。不同方法并存的局面一方面有利于促進(jìn)學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴和創(chuàng)新，另一方面則導(dǎo)致沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法可供采納，從而難以對(duì)不同研究者所做的工作進(jìn)行全盤分析討論。本文旨在回顧和評(píng)述前人設(shè)計(jì)和采用的HPC早齡期體積變化測(cè)量方法，為實(shí)驗(yàn)方法的選用和改進(jìn)提供參考。

2 早齡期體積變化的外部測(cè)量法

所謂外部測(cè)量法是指變形感受元件部分置于待測(cè)體（混凝土、砂漿或凈漿等）外部或表面的一類試驗(yàn)方法，也是目前最常用的方法。通常來(lái)說(shuō)，這類方法所采用的變形傳感器件可多次重復(fù)使用但受周邊環(huán)境影響較大，較為適用于短期和經(jīng)常性測(cè)量。根據(jù)變形（或位移）傳感元件是否與待測(cè)部分發(fā)生直接接觸，外部測(cè)量法可細(xì)分為基于接觸式傳感器測(cè)量法和基于非接觸式傳感器的測(cè)量法兩種。

根據(jù)Jensen和Hansen[1]的觀點(diǎn)，包括自收縮在內(nèi)的早期體積變化測(cè)試方法大體上可劃分為體積（三維）測(cè)量法和長(zhǎng)度（一維或線性）測(cè)量法。這兩類方法各有千秋，二者并存于學(xué)術(shù)界長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)之久。

體積測(cè)量法主要適用于水泥漿，其優(yōu)點(diǎn)在于能使測(cè)量起始時(shí)刻盡量提前，但橡膠氣囊與水泥漿是否存在穩(wěn)定接觸是決定測(cè)量誤差大小的關(guān)鍵所在[1,2]。另一方面，由體積測(cè)量法得到的體積變化中不可避免地包含了內(nèi)部體積減小的成分，這部分體積變化主要是化學(xué)收縮。此外，處于繃緊狀態(tài)的橡膠氣囊有可能破壞凝結(jié)期間漿體內(nèi)逐漸形成的微弱結(jié)構(gòu)[1,2]。這些因素導(dǎo)致體積測(cè)量法的結(jié)果往往呈現(xiàn)出較大的離散性和非一致性。此外，這種方法對(duì)于包含骨料的混凝土或砂漿來(lái)說(shuō)是難以適用的。

圖1 早期體積變化的長(zhǎng)度變化（線性）測(cè)量試驗(yàn)裝置

鑒于體積測(cè)量法的上述缺陷，同時(shí)考慮到長(zhǎng)度測(cè)量法直接得到的線應(yīng)變具有更明確的工程實(shí)用意義，很多研究者傾向于采用長(zhǎng)度測(cè)量法（詳見圖1）。試件端部測(cè)頭與被測(cè)對(duì)象（混凝土、砂漿或凈漿）的錨固粘結(jié)性能是長(zhǎng)度測(cè)量法能否成功的關(guān)鍵。這意味著該方法僅適用于被測(cè)對(duì)象凝結(jié)之后。因此，JCI[3]曾明確規(guī)定這種方法的測(cè)量起點(diǎn)為混凝土的初凝時(shí)刻。考慮到凝結(jié)初期，被測(cè)體尚處于塑性狀態(tài)，設(shè)法減小試件表面與模器內(nèi)壁的摩擦阻力是合理實(shí)現(xiàn)這種方法又一關(guān)鍵。在模器內(nèi)涂刷潤(rùn)滑劑或墊鋪低摩擦系數(shù)的片材是常用措施。選擇合適的試件長(zhǎng)度與斷面邊長(zhǎng)之比亦可減小錨固區(qū)域的影響并提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的強(qiáng)度發(fā)展情況，適時(shí)拆除試件成型的模板，并持續(xù)進(jìn)行后期或長(zhǎng)期的沿試件長(zhǎng)軸方向的變形測(cè)量。根據(jù)需要可密封或裸露試件，得到不同濕度條件下的（體積變化）一維應(yīng)變。該方法可用于連續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象的自收縮、溫度變形和干燥收縮。

Jensen和Hansen二人[4]共同開發(fā)的早期體積變化測(cè)量方法創(chuàng)造性地融合了長(zhǎng)度變化測(cè)量法和體積變化測(cè)量法的上述優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)巧妙地規(guī)避了兩者存在的以上缺陷。如圖2所示，這種方法將新拌水泥漿封裝于一段軸向剛度小、環(huán)向剛度大的塑料波紋管（Corrugated tube）內(nèi)，由于水泥漿產(chǎn)生的體積變化軸向一維變形同步、等值地傳遞給波紋管，借助置于波紋管端部的位移傳感器測(cè)量其軸向變形，即為密封狀態(tài)下水泥漿的體積變化變形。若將該裝置置于恒溫水槽中，則測(cè)得的變形可視為相應(yīng)溫度下的自生體積變形。這種方法使從完全塑性狀態(tài)（或拌制完畢）即開始測(cè)量一維體積變化變形成為現(xiàn)實(shí)。

圖2 測(cè)量早期體積變化的“波紋管法”

“波紋管”法一經(jīng)面世，便被眾多學(xué)者爭(zhēng)相采用，主要用于研究HPC的漿體部分的早期自收縮（或自生體積變化）。通過(guò)增大波紋管的直徑（如圖2(b)），這種方法同樣可用于測(cè)量砂漿或混凝土的早齡期體積變化。最近，Gao和Yu等人[5]對(duì)“波紋管”法進(jìn)行了升級(jí)更新：以新型非接觸式線性位移傳感器替代傳統(tǒng)接觸式位移傳感器。由此提高了測(cè)量的精度和可重復(fù)性，體積變形與軸向長(zhǎng)度變化的轉(zhuǎn)換率從原來(lái)的0.87提高到0.97。

早齡期體積變化的量值很大程度上取決于測(cè)量起點(diǎn)的選擇。圖3(a)為分別按照“波紋管”法和ASTM C157規(guī)定的方法（即比長(zhǎng)法）對(duì)同一對(duì)象——水灰比為0.30的水泥凈漿實(shí)施變形測(cè)量的結(jié)果對(duì)比[4]。由于后一方法的測(cè)試起點(diǎn)為24 h齡期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于前一方法的30 min齡期，導(dǎo)致所測(cè)得的收縮應(yīng)變差距甚大。圖3(b)直觀地示意了測(cè)量起點(diǎn)對(duì)結(jié)果的影響。1 d齡期后所測(cè)得的體積變化僅為實(shí)際值的20%～40%。由此可見，早齡期體積變化的精確實(shí)驗(yàn)把握對(duì)于評(píng)價(jià)混凝土早期開裂是極其重要的。

圖3 起始時(shí)刻對(duì)早期體積變化測(cè)量結(jié)果的影響

雖然渦電流位移傳感器、激光位移計(jì)、電容位移計(jì)等新型（非接觸式）測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn)提高了體積變化變形的測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，但由于這些精密電子儀器往往具有使用成本高、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較為嚴(yán)格等不足之處而難以大規(guī)模應(yīng)用。其次，這類微變形測(cè)量?jī)x器均安裝于被測(cè)體外部，其經(jīng)歷的溫度條件不同于被測(cè)對(duì)象的溫度履歷，所獲得的變形測(cè)量結(jié)果需加以修正。然而，這類修正往往較為復(fù)雜，精度也不易滿足。

3 早齡期體積變化的內(nèi)部測(cè)量法

圖4 可埋入型位移（或變形）傳感器產(chǎn)品外觀

與上述外部測(cè)量法對(duì)應(yīng)的是內(nèi)部測(cè)量法，即變形傳感元件在待測(cè)體成型前即預(yù)埋于其內(nèi)部的方法的統(tǒng)稱。這類方法中的變形傳感器件僅能使用一次，一旦埋入待測(cè)體內(nèi)部就難以取出，即便能取出也難以重復(fù)使用。相較而言，此類方法受外部環(huán)境的影響較小，適合于體積變化的長(zhǎng)期、持續(xù)性觀測(cè)。內(nèi)部測(cè)量法主要適用于體積變化一維應(yīng)變的捕捉[6]。

圖4呈現(xiàn)了幾種市面上現(xiàn)有的可埋入式位移（或變形）傳感器。表1則簡(jiǎn)要地列舉了這些產(chǎn)品的基本信息及性能參數(shù)。所列出的“Model”、“EM”系列產(chǎn)品同屬弦振動(dòng)應(yīng)變計(jì)，埋入被測(cè)對(duì)象后，變形通過(guò)應(yīng)變計(jì)兩端的法蘭傳遞至安裝于其間張緊的鋼絲振弦，導(dǎo)致振弦張力發(fā)生變化，進(jìn)而使其振動(dòng)頻率亦隨之變化。通過(guò)內(nèi)置的電磁線圈測(cè)量振弦的振動(dòng)頻率，該信號(hào)經(jīng)由電纜傳輸至讀數(shù)裝置，最后轉(zhuǎn)換成被測(cè)對(duì)象的變形。日本東京測(cè)器研究所（TML）研發(fā)的“KM”型埋入式傳感器系將電阻應(yīng)變片粘貼于彈性模量較低的變形易感元件表面，被測(cè)體的變形通過(guò)傳感器活動(dòng)端傳至與之連接的變形易感元件，由應(yīng)變片讀數(shù)變化即可間接測(cè)出被測(cè)體的應(yīng)變。日本共和電業(yè)株式會(huì)社（Kyowa）研發(fā)的代號(hào)同為“KM/KMC”的系列產(chǎn)品則更為大膽直接地將電阻應(yīng)變片包覆于硅橡膠之中，待硅橡膠固化后即可埋入被測(cè)體測(cè)量其內(nèi)部變形。由于硅橡膠質(zhì)地柔軟，可以將被測(cè)體的變形傳遞給包覆于其內(nèi)部的應(yīng)變片，從而達(dá)到測(cè)量微變形的目的?！癊FO”產(chǎn)品為光纖傳感器，“DI”系列產(chǎn)品為差阻式傳感器。

表1 可埋入型位移（或變形）傳感器的基本信息

對(duì)于早齡期體積變化測(cè)量而言，埋入式傳感器的彈性模量和適用溫度范圍是兩個(gè)最重要的指標(biāo)。其一，由于凝結(jié)硬化初期混凝土的彈性模量極低（約數(shù)十兆帕至幾百、上千兆帕），埋入式傳感器必須具有與之相當(dāng)甚至更低的彈性模量才可能敏感地同步感受混凝土的變形[6]。其二，早期水化溫升較快且大，混凝土內(nèi)部的溫度可能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)上升至數(shù)十?dāng)z氏度。這對(duì)埋入式傳感器的耐高溫性提出了新的要求[7]。

對(duì)于早齡期體積變化測(cè)量而言，埋入式傳感器的彈性模量和適用溫度范圍是另外，為了適應(yīng)工程結(jié)構(gòu)的全壽命健康監(jiān)測(cè)，對(duì)埋入式傳感器的耐候性、耐久性和長(zhǎng)期性能提出了極大的挑戰(zhàn)。就滿足這三個(gè)方面的要求而言，“KM”系列產(chǎn)品較其他幾類產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)。弦振動(dòng)應(yīng)變計(jì)因剛度過(guò)大（即彈性模量太大）而不適用于早齡期體積變化的測(cè)量。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，這幾種可埋入式傳感器（或應(yīng)變計(jì)）的售價(jià)還是太高，用于長(zhǎng)期測(cè)量或可接受；倘若用于短期試驗(yàn)研究，則未免有炫技和浪費(fèi)之嫌[8]。綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)HPC早齡期體積變化的內(nèi)部測(cè)量技術(shù)，研發(fā)彈性模量低、耐高溫性好、耐候性強(qiáng)且價(jià)格合理的可埋置式變形傳感器是首要解決的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于以上并不完整的綜述和分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）根據(jù)變形傳感器件的安裝位置，可將HPC早齡期體積變化測(cè)量方法區(qū)分為內(nèi)部測(cè)量法和外部測(cè)量法。根據(jù)變形傳感器件是否與測(cè)試對(duì)象直接接觸，可劃分為接觸法和非接觸法。根據(jù)衡量體積變化的物理量，可劃分為體積（三維）法和長(zhǎng)度（一維）法。

（2）HPC早齡期體積變化的測(cè)量結(jié)果很大程度上取決于測(cè)量起點(diǎn)的選擇。由于非接觸法可以大幅度提早測(cè)量起點(diǎn)，因此能捕捉超早齡期HPC的體積變化。

（3）埋入式傳感器的彈性模量和適用溫度范圍是影響HPC早齡期體積變化測(cè)量效果的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)有埋入式傳感器價(jià)格較貴，測(cè)量效果和適用工況各有千秋。為了實(shí)現(xiàn)HPC早齡期體積變化的內(nèi)部測(cè)量技術(shù)，研發(fā)彈性模量低、耐高溫性好、耐候性強(qiáng)且價(jià)格合理的可埋置式變形傳感器是首要解決的問(wèn)題。

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A review on methods of measurement of early-age volume changes of high performance concrete

It is the premise of analyzing and mitigating early-age cracking to precisely determine early-age volume changes of HPC by means of experimental methodology.This paper presents a state-of-the-art review on methods of measurement of earlyage volume changes.In order to provide references for choosing and updating methods of measurement of early-age volume changes,different methods reported in previous literature and proposed by authors were reviewed and compared.

high performance concrete (HPC); early ages; volume changes; methods of measurement; sensor

TU18

B

1003-8965 (2017) 04-0034-04

資助基金：本研究受“2015年浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研項(xiàng)目（2015K84）”、“2016年浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研項(xiàng)目（2016K56）”和“2017年浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院重大培育項(xiàng)目”的聯(lián)合資助。