混凝土自收縮測(cè)試方法研究進(jìn)展①

□□ 張 新，郭保林，姚 望，郭永智，王曉然，曹煜婷，王寶民

(1.山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250014； 2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100； 3.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

引言

混凝土早期自收縮會(huì)使混凝土彈性模量迅速增長(zhǎng)，從而使構(gòu)件由于較大的拉應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響了混凝土的強(qiáng)度和耐久性。因而混凝土自收縮問(wèn)題受到了許多關(guān)注，而如何科學(xué)準(zhǔn)確地測(cè)試混凝土自收縮也成為眾多學(xué)者專家的研究?jī)?nèi)容。研究表明，自收縮占總收縮的比例隨著水灰比的下降而增長(zhǎng)[1]，而近年來(lái)高性能混凝土發(fā)展迅速，需求倍增，其最重要的特征之一便是水膠比更低，因此，統(tǒng)一、科學(xué)、準(zhǔn)確的自收縮測(cè)試方法和技術(shù)顯得尤為重要。

“自收縮”的概念是由牛津大學(xué)專家Lynam最早提出的，他認(rèn)為自收縮是由于水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣凝膠的形成使得混凝土體積變小，該收縮與外界溫濕度的變化無(wú)關(guān)。而后日本混凝土協(xié)會(huì)也對(duì)混凝土自收縮的概念進(jìn)行了闡述。田倩等[2]對(duì)以上進(jìn)行了總結(jié)，明確了自收縮、化學(xué)減縮和自干燥收縮的區(qū)別與聯(lián)系，認(rèn)為自收縮為不包括因自身物質(zhì)增減、溫度變化、外部加載或約束而引起的體積(長(zhǎng)度)的變化，化學(xué)減縮在混凝土結(jié)構(gòu)形成前與自收縮基本等同，而自干燥收縮就是在混凝土結(jié)構(gòu)形成以后的自收縮。王景賢等[3]則認(rèn)為化學(xué)收縮和干燥收縮都是自收縮的一部分。雖然當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自收縮的定義沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)知，但從混凝土的收縮機(jī)理可以得知，自收縮應(yīng)是在恒溫恒濕的條件下，混凝土在水化時(shí)毛細(xì)孔中的水分變?yōu)椴伙柡投a(chǎn)生毛細(xì)孔負(fù)壓從而引起的收縮和內(nèi)部自身相對(duì)濕度下降的共同結(jié)果[4]。

1 自收縮測(cè)試原則

1.1 起始時(shí)間

起始時(shí)間的選定很大程度上影響著自收縮測(cè)試的準(zhǔn)確性[5]。自收縮的起始時(shí)間點(diǎn)就意味著混凝土漿體內(nèi)已經(jīng)形成穩(wěn)定骨架網(wǎng)絡(luò)，足以承受應(yīng)力傳遞。Sant G等[6]發(fā)現(xiàn)自收縮的起始時(shí)間與終凝時(shí)間大概一致，但不完全相同；Jensen O M等[7]表示自收縮的起始時(shí)間應(yīng)該是收縮曲線在極早期的拐點(diǎn)，因?yàn)樵诮K凝時(shí)混凝土漿體收縮速率還很顯著，很難說(shuō)此時(shí)已產(chǎn)生了自收縮。國(guó)內(nèi)有研究者[8]認(rèn)為混凝土自收縮起始時(shí)間以初凝后10 min為宜，若從養(yǎng)護(hù)1 d后開(kāi)始測(cè)量自收縮會(huì)忽略漿體在早期產(chǎn)生的一大部分自收縮，冷發(fā)光等[9]則認(rèn)為將混凝土漿體內(nèi)部相對(duì)濕度開(kāi)始下降的時(shí)刻作為自收縮測(cè)試的起始時(shí)間更加合理?？傮w來(lái)看，雖然相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有所規(guī)定，但研究者們?nèi)晕磳?duì)自收縮起始時(shí)間的選定達(dá)成共識(shí)。

1.2 測(cè)試條件

GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，自收縮測(cè)試試驗(yàn)應(yīng)在(20±2)℃的恒溫、(60±5)%的恒濕條件下進(jìn)行。事實(shí)上，不論用什么方法測(cè)試自收縮，都必須保持恒定溫度和濕度。

在測(cè)量還未固化成型的混凝土自收縮時(shí)，不能拆除試模，否則會(huì)對(duì)早期混凝土造成損傷，由此成型后試件的密閉性也成為研究者們的關(guān)注點(diǎn)之一，同時(shí)必須考慮試模對(duì)混凝土表面的摩擦約束力。早先國(guó)內(nèi)有人提出將聚四氟乙烯材料作為試模的內(nèi)襯板，因?yàn)槠渥鳛楣腆w材料具有最小的摩擦系數(shù)，同時(shí)用柔性的聚氯乙烯塑料薄膜做成最里面的一層密封，這樣可以降低混凝土對(duì)襯板的吸附，有效降低試模對(duì)早期混凝土的約束力[10]。近年來(lái)，由于波紋管管壁較薄，靈敏度較高而成為自收縮測(cè)試的主要模具。

1.3 干擾因素

Loukili A等[11]發(fā)現(xiàn)自收縮幅度受試件溫度的強(qiáng)烈影響。因此，在測(cè)試中為了更好地估計(jì)混凝土的收縮幅度，必須考慮溫度因素。溫度變化量和線膨脹系數(shù)對(duì)溫度升降影響很大，所以在測(cè)試自收縮時(shí)應(yīng)同時(shí)測(cè)定試件內(nèi)部在同一條件下的溫度變化。郁群等[4]提出可以一邊測(cè)試混凝土自收縮，一邊測(cè)量溫度，隨后假定一個(gè)溫度線膨脹系數(shù)，再根據(jù)平均溫度變化來(lái)計(jì)算溫度變形，以此來(lái)排除溫度變形的干擾。但由于未成型時(shí)混凝土的溫度線膨脹系數(shù)無(wú)從假定，因此這樣的方法也不能完全排除溫度變形帶來(lái)的誤差。

泌水也會(huì)對(duì)混凝土自收縮測(cè)試帶來(lái)干擾。黃利頻等[12]認(rèn)為，不同的混凝土水膠比不同，水分滲入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的速度不同，對(duì)自收縮的影響也不相同。在密封條件下，泌水可能會(huì)被水泥石吸收并參與水化反應(yīng)引起化學(xué)收縮，也有可能水分進(jìn)入水泥石后，填充了開(kāi)口孔隙或保持表面毛細(xì)孔的相對(duì)濕度，從而起到了抑制了混凝土早期自收縮的效果。

2 自收縮測(cè)試方法

混凝土自收縮方法根據(jù)其測(cè)量維度可分為體積測(cè)量法、長(zhǎng)度測(cè)量法和波紋管法。不同的測(cè)量方法都有其優(yōu)勢(shì)也有其應(yīng)用限制。

2.1 體積法

體積測(cè)量法是通過(guò)直接測(cè)量試件整體體積的變化來(lái)反映混凝土自收縮的方法[13]。該方法的做法是首先將新拌的水泥漿或砂漿注入密封性很好的橡膠皮套內(nèi)，再將其全部浸入液體，通過(guò)將測(cè)量出的浮力變化量換算成體積變化量來(lái)表征試件的自收縮。這種測(cè)試方法不僅簡(jiǎn)單可行，而且不需要等到漿體凝結(jié)，加水拌合澆筑后就能開(kāi)始測(cè)量，因而可以用來(lái)測(cè)量混凝土最早期的自收縮。但是它明顯缺點(diǎn)是：混凝土中大量的粗骨料可能會(huì)破壞相對(duì)柔軟的橡膠容器；成型后的泌水會(huì)帶來(lái)一定的浮力干擾[14]；橡膠氣球和水泥漿體之間缺乏穩(wěn)定的接觸，攪拌時(shí)可能會(huì)吸入空氣，這些氣泡難以排出而且可能被重新吸入水泥漿內(nèi)部繼續(xù)參與反應(yīng)，因此，測(cè)試結(jié)果可能還會(huì)包括部分由于化學(xué)減縮而形成的空隙，從而給測(cè)量造成誤差。此外，橡膠袋并非完全不透水，也可能由其滲透性引起測(cè)量誤差[15]。

2.2 長(zhǎng)度法

2.2.1 接觸式

早在上世紀(jì)90年代，日本學(xué)者Tazawa E等[16]就針對(duì)混凝土自收縮做了大量研究，他率先采用千分表法進(jìn)行自收縮的測(cè)定并提出一種可用于測(cè)量混凝土拆模前自收縮的測(cè)試方法。該試驗(yàn)在混凝土終凝拆模后立即密封并測(cè)定基準(zhǔn)長(zhǎng)度，后轉(zhuǎn)入塑料袋中養(yǎng)護(hù)至特定齡期后取出，置于混凝土收縮測(cè)定儀中測(cè)量。Tazawa E等的方法較好地測(cè)定了混凝土早期無(wú)強(qiáng)度的自收縮，但是很難測(cè)出混凝土在后期變化極慢的自收縮，且存在混凝土中埋入的測(cè)頭和測(cè)定儀的測(cè)頭很難完全同步，導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)確。

安明哲等[17]改進(jìn)了Tazawa E等千分表測(cè)試自收縮方法，他用千分表架、混凝土密封試模、溫度測(cè)定儀組成了測(cè)試裝置，將混凝土直接澆筑到試模內(nèi)并立即密封，這樣就實(shí)現(xiàn)了帶模進(jìn)行自收縮的測(cè)定。而且混凝土測(cè)頭采用了可拆卸式的，解決了混凝土中埋入的測(cè)頭與收縮測(cè)定儀的測(cè)頭很難統(tǒng)一的問(wèn)題，使測(cè)定更加準(zhǔn)確。但是該測(cè)試方法未實(shí)現(xiàn)測(cè)定數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)沒(méi)有連續(xù)性，且需要測(cè)試人員全程測(cè)定，如果測(cè)量齡期變長(zhǎng)、測(cè)量試件數(shù)量增加，試驗(yàn)過(guò)程會(huì)變得更加繁瑣。

GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了普通混凝土接觸式測(cè)量方法。該方法采用固定尺寸的棱柱體試件，分為臥式和立式混凝土收縮儀兩種，適用于測(cè)定在規(guī)定溫濕度條件下無(wú)約束的硬化混凝土試件的自收縮。

為了減小人為誤差，提高測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，后來(lái)有研究者選擇在混凝土試件兩端埋入線性差動(dòng)位移傳感器[18]、線振儀[19]、差動(dòng)式電阻應(yīng)變計(jì)等方法來(lái)監(jiān)測(cè)混凝土早期收縮變形。線性差動(dòng)位移傳感器測(cè)定法操作簡(jiǎn)單，但是需要在每個(gè)試件兩端都配備傳感器，而且中途不能有任何移動(dòng)，也不能多個(gè)試件共用傳感器，故該方法測(cè)試自收縮花費(fèi)較高，也因此限制了其應(yīng)用。埋入線振儀的構(gòu)思巧妙新穎，但線振儀的剛度很難準(zhǔn)確選用：剛度太大埋置容易但對(duì)早期砂漿或水泥漿的收縮不敏感，剛度太小靈敏度高但準(zhǔn)確埋置困難[20]；同時(shí)，早期混凝土是否能與傳感器有效粘結(jié)需進(jìn)一步探討。我國(guó)水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程建議的埋入差動(dòng)式電阻應(yīng)變計(jì)的方法雖然精度較高，但是受限于該應(yīng)變計(jì)昂貴價(jià)格和一次性使用，而且應(yīng)變計(jì)無(wú)法與早期沒(méi)有強(qiáng)度的混凝土同步變形,因此無(wú)法測(cè)得早期自收縮。

2.2.2 非接觸式

非接觸式自收縮測(cè)試方法是使用顯微鏡觀測(cè)裂縫或在試件表面安裝測(cè)量標(biāo)靶進(jìn)行測(cè)量。馬新偉等[21]研究出的電容傳感器測(cè)量法利用電容傳感器輸出電壓的變化與電容器兩極位移變化成正比的原理得到測(cè)頭與被測(cè)對(duì)象之間的距離。該方法以其高精度受到研究者們青睞，而且該方法測(cè)量全程都在試模中進(jìn)行，因此，可以從很早期開(kāi)始測(cè)量，得到混凝土收縮變形的全過(guò)程數(shù)據(jù)。巴恒靜等[22]提出的渦流傳感器測(cè)量法通過(guò)計(jì)算兩頭與傳感器之間的距離之和隨時(shí)間的變化，從而換算出混凝土的收縮值，再?gòu)闹袦p去溫度變化引起的溫度變形值，即可得到混凝土的自收縮值。該方法可以從6 h齡期開(kāi)始，而且可以通過(guò)滑動(dòng)軌道實(shí)現(xiàn)一對(duì)傳感器對(duì)多個(gè)試件進(jìn)行測(cè)量。也有人采用電位器式位移傳感器LVDT輔助測(cè)量。GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了普通混凝土約束狀態(tài)下早齡期混凝土與外界隔絕濕交換的條件下自收縮變形的測(cè)定。該方法采用特定棱長(zhǎng)的棱柱體試件，將不銹鋼測(cè)頭預(yù)埋于端部，試件成型l d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后置于恒定溫度、隔絕濕交換的環(huán)境中，采用反射靶與混凝土試件協(xié)同變形的方式表征混凝土試件的收縮。該方法只能測(cè)試自成型后的收縮變形，忽略了未成型前的早期自收縮。

非接觸式混凝土自收縮測(cè)量法避免了混凝土早期強(qiáng)度不足與傳感器發(fā)生相對(duì)滑移而產(chǎn)生的誤差，也解決了大部分方法中需要拆模才能進(jìn)行自收縮測(cè)試的問(wèn)題，同時(shí)，自動(dòng)連續(xù)的測(cè)量更便于試驗(yàn)人員收集數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)時(shí)間空間上也更加自由。但是非接觸法測(cè)混凝土自收縮也不能避免模具約束對(duì)混凝土收縮變形的影響，因此，非接觸傳感器是否能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映混凝土的自收縮還需再論證。

2.3 波紋管法

波紋管法即采用波紋管作為自收縮測(cè)試模具進(jìn)行自收縮測(cè)試，該測(cè)試方法在漿體成型后即可測(cè)試，克服了脫模測(cè)試的弊端，且大大減少了早期強(qiáng)度不足時(shí)試件與剛性管的摩擦問(wèn)題，將體積法與長(zhǎng)度法所長(zhǎng)集于一身，達(dá)到自最早期起的全過(guò)程測(cè)試目的，滿足自動(dòng)連續(xù)化測(cè)試的要求，實(shí)現(xiàn)了較高精確度的測(cè)試。

國(guó)外學(xué)者Jensen等最早提出將波紋管作為模具來(lái)測(cè)試混凝土的自收縮，他認(rèn)為混凝土漿體所產(chǎn)生的自收縮變形可用波紋管的縱向伸縮間接表征，他的方法可以自澆筑1 h即開(kāi)始測(cè)量自收縮，而且能連續(xù)監(jiān)測(cè)并有效地避免由于重力、溫差和模具摩擦約束產(chǎn)生的誤差[23-24]。這種測(cè)試方法也得到了Bouasker M等[25]眾多研究者的驗(yàn)證與認(rèn)可，基于此，美國(guó)于2009年發(fā)布ASTM C1698[26]規(guī)范文件，為混凝土自收縮測(cè)試提供了標(biāo)準(zhǔn)的波紋管法。

國(guó)內(nèi)有研究者[27]提出將電渦流非接觸式位移傳感器作為千分表的升級(jí)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。朱建強(qiáng)等[28]利用波紋管法測(cè)量自收縮發(fā)現(xiàn)，與其他方法相比,波紋管法能直接準(zhǔn)確地測(cè)量早期自收縮；田倩等[8]對(duì)波紋管法測(cè)自收縮技術(shù)作了一些討論，解釋了波紋管法的原理,研究了波紋管的材質(zhì)等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并認(rèn)為在混凝土終凝后這些因素的影響甚微，可以忽略。施惠生等[29]對(duì)比分析了波紋管法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 313—1980《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》，測(cè)試發(fā)現(xiàn)波紋管法能更準(zhǔn)確地測(cè)量水泥漿體的早期自收縮。還有人[30-32]通過(guò)改進(jìn)波紋管試驗(yàn)測(cè)量,得到各組成部分對(duì)混凝土自收縮的影響。冷發(fā)光等[9]指出波紋管法測(cè)試技術(shù)需要解決的主要問(wèn)題為波紋管與支撐面之間的摩擦、波紋管端塞的密封性和測(cè)試期內(nèi)混凝土的溫度控制。這都說(shuō)明了國(guó)內(nèi)研究者對(duì)波紋管法測(cè)試技術(shù)的認(rèn)可和關(guān)注，然而國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)范。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從測(cè)試原則和測(cè)試方法兩個(gè)方面闡述了混凝土自收縮測(cè)試技術(shù)的研究發(fā)展：

(1)混凝土自收縮測(cè)試的試驗(yàn)中，起始時(shí)間的確定很大程度上影響了測(cè)試的準(zhǔn)確性；測(cè)試環(huán)境必須保持恒溫恒濕，還必須考慮模具的材料性能；在測(cè)試過(guò)程中要設(shè)法排除溫度和泌水對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

(2)混凝土自收縮測(cè)試方法主要有體積法、長(zhǎng)度法和波紋管法。體積法雖然可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試最早期混凝土的自收縮，但是由于其測(cè)試模具本身的性能會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化和數(shù)據(jù)的連續(xù)性；長(zhǎng)度法與體積法相比，測(cè)試更加偏向自動(dòng)化和數(shù)字化，但是大多無(wú)法測(cè)量早期強(qiáng)度不足的混凝土自收縮；波紋管法取體積法與長(zhǎng)度法所長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了混凝土自收縮全過(guò)程、自動(dòng)化的精準(zhǔn)測(cè)試，但是其模具的密封性和測(cè)試的準(zhǔn)確性也需要進(jìn)一步探討?；炷磷允湛s各個(gè)測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍見(jiàn)表1。

表1 混凝土自收縮測(cè)試方法

(3)國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)自收縮測(cè)試方法有規(guī)定，但是研究者們更愿意使用各自研發(fā)的自收縮測(cè)試裝置，測(cè)試影響因素不一致，這導(dǎo)致業(yè)內(nèi)交流不暢。

(4)隨著自收縮測(cè)試方法的不斷完善，自收縮測(cè)試準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià)體制顯得更加迫切，比如制定出業(yè)內(nèi)能夠普遍認(rèn)同的自收縮起始時(shí)間等。