混凝土變形測量方法及分析

王金盛 汪 新 龍躍凌

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

0 引言

現(xiàn)代建筑多為混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑成型后，由于其水化硬化過程會不斷消耗水分，出現(xiàn)體積收縮的現(xiàn)象，加上環(huán)境的變化也會對材料產(chǎn)生影響，這會使混凝土產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)貫穿型的通縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的性能，這是造成工程事故的主要原因[1]。因此，關(guān)于混凝土的變形這一問題一直受到人們關(guān)注，這使得混凝土變形的測量方法也逐漸得到關(guān)注。目前，針對混凝土變形測量的方法豐富多樣，但是測量方法和設(shè)備不盡相同，其測量原理及測量精度均有較明顯差異。已有研究證明[2-3]，多數(shù)試驗測量方法單一、重復(fù)試件少、精度低，對實(shí)際工程的指導(dǎo)意義有限。本文根據(jù)規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082—2009）[4], 針對接觸法和非接觸法在混凝土自由變形和約束變形測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行綜述，供工程實(shí)際參考。

1 混凝土變形測量方法

1.1 測量原理

混凝土?xí)S著水泥水化、水泥石的碳化和水蒸發(fā)等原因而產(chǎn)生變形，其中有自由變形和約束變形。自由變形是指混凝土在變形過程中沒有受到約束而產(chǎn)生的變形，約束變形是指混凝土在變形過程中受到鋼筋、鋼管、FRP 等材料的約束而產(chǎn)生的變形。多數(shù)學(xué)者基于此原理設(shè)計了混凝土變形的測量裝置。

1.2 混凝土自由變形測量

我國標(biāo)準(zhǔn)中建議采用非接觸式混凝土收縮變形測定儀來測定混凝土自由變形，這種方法雖然精度較好，但需要專用的模具和測量設(shè)備，因此該方法受到了一定的限制。巴恒靜等人[5]針對測量混凝土的早期收縮提出了一種非接觸式感應(yīng)式早期收縮測量儀，如圖1 所示，試驗裝置主要由密封模具、微位移傳感器、溫度測定儀及滑動軌道組成，模具底部有一層減摩的特富綸。其測量原理是通過傳感器輸出的電壓值來反映傳感器端頭與鋼測頭之間的距離，從而得到出混凝土的變形值。

圖1 非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測量儀

韓帥和袁強(qiáng)松[6-7]通過百分表接觸式測量方法測量了蠟封后的棱柱體試塊的變形，如圖2 所示，該裝置主要由表架和百分表組成，底部是20mm 的平整鋼板。

圖2 百分表接觸式測量儀

Zhang 等人[8-9]為了測量混凝土的膨脹，提出了一種測量早期混凝土變形的非接觸式裝置。見圖3。該裝置由一個聚甲基丙烯酸甲酯（PMPA）模具、不銹鋼計量螺柱和線性位移計（LVDT）組成，其中LVDT 用于測量螺柱的位移。模具內(nèi)裝有四個2mm 厚的可拆卸PMMA 板，底面鋪了一層厚度為1mm 的聚四氟乙烯薄膜，用于減少混凝土與模具之間的摩擦。待混凝土凝固后（大約澆筑后2 小時），移除PMMA 板，使用塑料膜包裹混凝土棱柱，然后將混凝土棱柱放入恒溫濕室中。期間，LVDT 與采集儀連接，可根據(jù)需要設(shè)置采集頻率。

圖3 LVDT 接觸式混凝土收縮測量儀

1.3 混凝土約束變形的測量

由于膨脹劑、輕骨料等新材料在鋼管混凝土、FRP約束混凝土的廣泛使用，許多學(xué)者對約束混凝土構(gòu)件的變形測量進(jìn)行了研究。

對于鋼管/FRP 管約束混凝土，文獻(xiàn)[6-7,10-14]中均是在管的外表面1/2～1/4 高度處以環(huán)向均勻布置若干個應(yīng)變片，如圖4 所示。當(dāng)核心混凝土膨脹時，外管受到混凝土的軸向和徑向應(yīng)力而產(chǎn)生相應(yīng)的軸向和環(huán)向拉伸應(yīng)力，同時混凝土處于三向壓縮應(yīng)力的作用下，外管和混凝土的受力圖如圖5 所示。測量得到的外管軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，可根據(jù)公式⑴和⑵計算得到外管的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，然后再根據(jù)公式⑶和⑷計算得到混凝土的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

圖4 鋼管應(yīng)變片布置圖

圖5 鋼管及混凝土受力圖

式中：

σz、σθ——外管的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力；

εθ、εz——外管的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變；

Es——外管的彈性模量（MPa）；

μ——外管的泊松比；

σch、σcz——核心混凝土的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力；

t——鋼管壁厚（mm）；

D——鋼管外直徑（mm）。

李長成等[15]采用具有自動對中功能的鋼絲式限制膨脹混凝土測定儀，如圖6 所示。該裝置主要由混凝土模具、縱向限制器、千分表和測量鋼絲組成。該裝置主要通過萬向鉤子將測量鋼絲與電子千分表連接，從而實(shí)現(xiàn)自動對中，當(dāng)混凝土變形時，測量鋼絲會帶動電子千分表，從而得到混凝土的變形值。

圖6 自對中鋼絲式限制膨脹率測定儀

2 測量方法分析

上述測量方法各有其特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：①非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測量儀可實(shí)現(xiàn)早期混凝土變形的測量，并且可在滑道上增加臺座從而增加測量試件，減少人為測量的影響，而且只需要一臺測量設(shè)備，精度可達(dá)0.1μm；②百分表接觸式測量方法的裝置簡單，成本較低；③LVDT 接觸式混凝土收縮測量儀方法可減少人為的影響并且可以實(shí)現(xiàn)自動測量，大大提高了測量精度；④使用應(yīng)變片測量鋼管/FRP 管約束混凝土變形的方法優(yōu)點(diǎn)在于布點(diǎn)靈活，精度較高，且可連續(xù)測量；⑤自對中鋼絲式限制膨脹率測定儀相對于傳統(tǒng)的限制測定儀來說，支架上的測量鋼絲可自動完成與電子千分表對中，消除了立式架法中試件對模具的沖擊以及人為對中產(chǎn)生的誤差，增加了測量的精度。

缺點(diǎn)：①非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測量儀無法進(jìn)行自動檢測，需要推動臺座才能測量，當(dāng)試件多時占地大，較不方便；②百分表接觸式測量方法未使用測量銅釘，混凝土下表面的平整度對試驗結(jié)果也有一定的影響，而且試件還需克服重力作用，所以測量精度稍差，僅為0.01mm；③使用應(yīng)變片測量鋼管/FRP 管約束混凝土變形的方法受試件尺寸和環(huán)境溫度的影響較大，隨著試件尺寸增大，混凝土初期的水化熱和后期環(huán)境溫度對結(jié)果的影響會越發(fā)明顯；④自對中鋼絲式限制膨脹率測定儀的試驗設(shè)備比較復(fù)雜，需要人工讀數(shù)。除此之外，測量設(shè)備的測頭和被測面的位置、測量開始的時間和環(huán)境等因素都會對試驗結(jié)果造成不利的影響。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段對混凝土的變形測量，測量設(shè)備的精度已越來越高，逐漸使用全自動采集數(shù)據(jù)，以減少人為測量的誤差。這樣的測量方法顯著提高了混凝土早期變形測量的精確性和效率，降低了勞動強(qiáng)度和試驗成本。但是，測量過程中還是存在一些誤差，除了應(yīng)該采用高精度設(shè)備以外，還應(yīng)該選擇合適的測試環(huán)境條件，如溫度、濕度和測量時間等，進(jìn)一步優(yōu)化混凝土變形測量的方法。

本研究認(rèn)為，混凝土變形測量將有以下兩個主要發(fā)展方向：

⑴采用更高精度的設(shè)備裝置測量混凝土的變形，實(shí)現(xiàn)早期和脫模后兩階段的精確測量。

⑵降低試件模具、溫度等對早期混凝土變形的影響，提高測量的準(zhǔn)確度。