早龄期混凝土收缩变形测量系统的研制

诸华丰，冷发光，田冠飞，周岳年，王波

(1.舟山市博远科技开发有限公司,浙江 316000;2.中国建筑科学研究院,北京 100013；3.舟山弘业预拌混凝土有限公司,浙江 316012）

1 引言

现代混凝土在建筑工程施工中发生了较为普遍的混凝土早期裂缝现象，大量工程实践表明：混凝土的早期收缩裂缝几乎都发生在终凝甚至是初凝前。混凝土的体积稳定性，特别是早龄期收缩变形性能和混凝土施工质量控制中的抗裂措施已经成为混凝土工程界重点关注和研究的课题，测定早龄期混凝土的收缩变形特性对研究影响早龄期混凝土收缩变形的诸多因素、抗裂性能及抗裂措施具有非常重要的意义。

《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》GBJ82-85[1]规定的混凝土收缩性能试验方法，在试件标养3d 后从标准养护室移入恒温恒湿室开始测量试件的长度变化，无法反映出3d 之内早龄期的变形长度变化情况。研发一种能准确测量混凝土成型后全过程收缩变形特性的测试方法和专用测量仪器，成为混凝土工程技术界研究混凝土早期收缩性能及相关课题之迫切需求。

本文介绍了一种非接触式混凝土收缩变形测量方法的实现和测量装置的研制、所解决的技术关键和采取的技术创新。在此基础上研制的全自动非接触式混凝土收缩变形测定仪实现了准确测量混凝土成型后全过程收缩变形特性的设计要求，具有功能完善、实用可靠，操作简单、性价比高的特点。

2 非接触式试验方法

3d 内早龄期的混凝土正处于从流塑状态到凝结再到硬化的变化过程中，这一阶段混凝土尚没有足够强度。由于3d 内早龄期混凝土的收缩率通常在10-3以内，对位移测量的精度要求极高，如采用机械接触方式进行测量，测长仪器对被测目标形成的机械触力极易造成被测物产生微小的变形甚至发生位移而导致产生测量误差。因此，测长仪器与被测目标无机械接触的非接触式测量方式成为首选方法。

2.1 相关研究

国内外对非接触式混凝土收缩试验方法已进行了不少相关研究。如美国Kim.B 和Weiss W.J 采用被动式声能传感器来测量试件的长度变化，通过建立声能变化与试件长度变化的对应关系研究混凝土的变形[2]；瑞典Roger Zurbriggen 博士及其所在研究所采用激光测距方式开发了测试薄层砂浆自由收缩的试验装置[3]（图1）；我国哈尔滨工业大学巴恒静教授提出了位移传感器法[4]，采用测长仪器固定，将数个等距排列的试件通过控制平移分别进行测长（图2）；王培铭、刘岩、郭延辉等提出的电涡流法[5]（图3）等。

图1 瑞典Roger Zurbriggen 采用的激光非接触式测量方法示意图

图2 巴恒静教授采用的非接触式测量方法示意图

2.2 存在问题

从测量原理上，现有非接触式混凝土收缩试验方法基本可分为：间接测量、表面（或近表面）靶测量和埋入式靶测量等三种方式。

间接测量方式由于最终将追溯到混凝土收缩位移的直接测量，对于受水泥种类、材料及配合比、外加剂以及养护条件等诸多复杂因素影响的混凝土早龄期收缩特性而言，很难实现普遍性应用。

表面（或近表面）靶测量方式存在难以反映混凝土内部收缩变化的局限性。

埋入式靶测量方式可反映混凝土试件内部或整体收缩变形特性，但存在以下问题：1）埋入式靶能否随着混凝土（收缩）变形而同步移动，2）测量靶埋入后是否对混凝土的收缩构成约束条件，3）以及被测位置的位移是否代表靶的真实位移等担忧。如王培铭等提出的电涡流法所采用的埋入式标靶构造（图3 所示）及埋入方式对被测试件的收缩构成了部分约束条件。

图3 王培铭等提出的电涡流法示意图

2.3 实现困难

表面靶和埋入式靶测量方式的实现还需要克服下述技术难题：

测量精度：由于3 天内早龄期混凝土的收缩率通常在10-3以内，对位移测量的精度要求在10μm 以内甚至更高，测量精度不仅受测长器自身不确定度的制约，而且还受“测长器—被测靶”构成的测量系统的不确定度的制约；而对于被测对象为混凝土试件这样较大重量和体积的非接触式测量系统要达到10μm 以内的不确定度是十分困难的。

测量稳定性：“测长器—被测靶”测量系统的测量精度还受振动、温湿度等测量环境因素的影响和测量系统的时间稳定性等制约。如采用CCD 激光位移传感器易受振动影响，电容位移传感器则对测量环境的空气湿度极其敏感；测长器固定机构的过渡环节过多、固定臂过长则易使测量系统受到外部振动、受机械徐变和温度变化等因素导致与被测靶之间产生相对位移等。

操作因素：测量方法和装置的操作使用应简单方便、可靠耐用。

综合成本：对于为实现广泛应用的测量方法或以产品为目的的测量装置，实现及使用成本是不可忽略的重要因素。

3 非接触式测量装置研制

3.1 试件选择

选择与标准GBJ82-85 收缩试验方法[1]规定的尺寸为100mm×100mm×515mm 的棱柱体试件为标准试件，可使测量结果与传统方法具有可比性，同时还可把非接触式收缩变形测量装置用于测量混凝土试件的后期收缩。

3.2 试验方法选择

选择埋入式靶测量方式的是测量方法更能反映混凝土试件内部或整体收缩变形特性，符合测定早龄期混凝土的收缩变形特性的目的。

3.3 位移传感器选型

图4 电涡流位移传感器原理示意图

图5 某型号电涡流位移传感器输出特性

现有非接触式微位移传感器产品中综合考虑测量精度、量程等主要技术指标，大致有电涡流位移传感器（属电磁感应式）、CCD 激光位移传感器、双极型电容位移传感器等三种产品最适合非接触式收缩试验方法的使用要求。比较电涡流位移传感器、CCD 激光位移传感器和双极型电容位移传感器的量程、精度、稳定性等技术性能，综合考虑其安装方式、对测量标靶的要求、环境适应性、操作简易性和成本等因素，选用电涡流传感器作为专用测试装置的微位移传感器来实现非接触式收缩试验方法。

电涡流位移传感器由探头、延伸电缆、前置器以及被测体（导体材料，通常是金属导体）构成基本测量系统，如图4 所示。电涡流传感器的探头头部有一组线圈，前置器生成的高频振荡电流通过延伸电缆激励探头线圈并在探头产生交变磁场。当被测金属体靠近这一交变磁场时，金属体的表面会产生感应电流，即电涡流。感应电流产生与探头线圈的磁场反相的交变磁场反作用于探头线圈使其特征阻抗发生改变。这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状和尺寸、通过线圈电流的强度与频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

在实际应用中，可假定被测金属导体材质均匀且性能是线性和各向同性，并通常能做到控制相关参数在一定条件下基本保持不变。这样，线圈的特征阻抗就简化为仅与距离相关，经适当的电路补偿后，输出与被测金属材料距离呈线性相关的电压或电流信号。从而使得电涡流传感器能以非接触方式准确测量被测金属导体与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。图5 为某型号电涡流位移传感器产品的输出特性。

电涡流位移传感器对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5 倍以上。

电涡流位移传感器产品在工业领域中有广泛的应用，具有性能稳定、坚固、可靠、耐用、抗腐蚀强，对环境和操作要求低的特点，并具有价格优势。目前高端产品的非线性度指标可做到小于±0.2% FSO，即量程2mm 时的测量精度为±4μm 以内，能满足较宽的测量量程和实现较高的测量精度。

3.4 技术关键

选定非接触式位移传感器类型后，测量标靶及位移传感器探头安装方式的技术和实用性能成为实现非接触式收缩试验方法的技术关键。

3.4.1 测量标靶

测量标靶是实现非接触法的关键。理想的测量标靶是埋入混凝土在试件成型之后，能跟随混凝土的收缩变形同步移动，并且其所测的变形位移值能准确反映被测混凝土试件的收缩性能。测量标靶的设计必须充分考虑以下要素：

1）标靶的形状、构造和埋设方式应使被测混凝土试件的两个标靶的测量参考平面之间的部分无任何可能影响混凝土收缩变形的约束条件；

2）标靶与试模之间摩擦力尽可能小，以保证标靶能灵敏地随着混凝土（收缩）变形而同步移动；

3）标靶应有可靠的方式在其预埋位置与试模间保持固定，使其在试件成型浇筑振动过程中及试验成型后撤去固定的操作时不发生移位和偏斜；

4）因标靶需埋入混凝土试件通常为一次性使用，根据电涡流位移传感器的测量原理，标靶被测部位的电导率和磁导率参数的差异将导致产生测量误差。因此，标靶被测部位的电导率和磁导率参数一致性应满足位移传感器的匹配要求，使其测试精度要求满足非接触式收缩试验方法的基本要求。

3.4.2 位移传感器探头的安装方式

标准要求非接触位移传感器测头应可靠固定，并在整个测量过程中与试模相对位置保持固定不变。位移传感器探头安装方式和固定装置的设计，应重点考虑下述问题：

1）位移传感器探头固定机构应尽可能直接固定在试模上，其目的是为了避免因震动、温湿度变化或其他不确定环境因素引起位移传感器探头与试模相对位置发生微位移而产生的测量误差；

2）由于非接触式混凝土收缩试验方法所用位移传感器的量程很小（通常为1mm），传感器探头固定机构应设有一个调节机构可在试验开始时把传感器探头与被测标靶之间的距离调到位移传感器的有效量程内最合适的初始位置，使得被测标靶在试验过程中的位移最大限度地落在位移传感器的有效量程内。

3）位移传感器探头固定机构不应妨碍试件的浇筑成型操作。

3.5 测量装置及操作步骤设计

非接触法收缩变形测量装置的构造原理如图6 所示。其测量原理是：在被测混凝土试件的两端各埋入一只测量标靶，通过测量这组标靶（露出试件部分）之间距离的变化值获得混凝土试件（在该方向）的（收缩）变形量，从而评价被测混凝土的收缩性能。

图6 非接触法混凝土收缩变形测定仪的测量装置设计原理图（mm）

3.5.1 设计要求

对测量装置的基本要求如下：

1）非接触式混凝土收缩变形测定仪应设计成整机一体化装置，并可设定所需的采样时间间隔实时全自动采集标靶的相对位移值并保存到文件中供后续数据处理、分析；

2）反射靶的构造形式及埋设方式应使试件成型后在被测位移所对应的两个反射靶之间无任何约束条件，与试模之间摩擦力尽可能小，以保证反射靶能够随着混凝土（收缩）变形而同步移动。两测量标靶的埋设位置应尽量大以获得较大的收缩位移量；

3）位移传感器测头的固定方式应保证在整个测量过程中与试模相对位置保持不变；

4）测试量程不小于2mm，测量精度不低于±0.25% FSO （即量程为2mm 时精度 5μm）；

5）测量装置具有较强的抗震性能，能适用于普通实际应用性试验环境；

6）操作简便，综合成本低。

3.5.2 试验操作步骤

试验操作步骤如下：

1）试件成型前先在试模内涂刷润滑油，然后在试模内铺设两层塑料薄膜，每层薄膜上均匀涂抹一层润滑油；

2）将埋入式测量靶固定在试模两端预定的位置后把混凝土拌合物浇筑入试模中振动成型。对需要测定混凝土自收缩的试件，浇筑振捣后应立即采用塑料薄膜作密封处理；

3）将成型后的试模移至所需的试验场所，撤除标靶的固定后即可开始进行试验；

4）测试过程结束后测量两个标靶测量面之间的距离，根据所测得的实时位移值推算到所需基准时刻（如初凝时间）两标靶间距作为测量标距并把所测得的收缩位移量换算成收缩率值。

3.6 关键技术问题的解决途径和技术创新

图7 带支垫的U 型标靶和埋入试件的位置示意图

3.6.1 埋入式标靶

埋入式标靶设计成钢材薄片经冲压成型，由一个测量平面和两个向后的延伸平面组成，延伸平面的作用是使标靶的测量平面保持与试模垂直，并使标靶保证有足够的刚度。测量平面上部露出混凝土试件的部分与电涡流位移传感器探头构成位移测量系统。由于其埋入混凝土试件部分的俯视形状呈略向外开口的“︺”形（图7），因此被简称为U 型标靶，具有以下技术特点：

1）约束机理简明，保证了被测混凝土试件在测量标距范围内的收缩变形无任何约束，符合测定混凝土试件自由收缩变形的必要前提；

2）足够大的有效截面更能准确反映混凝土试件的收缩，避免因试件收缩不均匀性所导致的测量误差；

3）标靶底部成三点接触，使标靶底部不会嵌入砂石，保证了试件成型时标靶的测量平面与试件底面保持垂直；三点接触同时保证了标靶在试件成型后不会因自身重力的作用发生沉降而导致出现偏移的情况；

4）标靶测量平面埋入混凝土部分的透孔设计使得标靶测量面的前后侧的混凝土结合成一体，在试件收缩变形时能紧密带动标靶, 被测混凝土与标靶协同良好；较大孔径的透孔可在试件振捣成型时使混凝土砂浆和骨料自由通过，避免了混凝土试件在初凝前因成型时标靶测量面两侧的压强不一致所导致的标靶偏移而可能产生的测量误差；

5）标靶埋入并不影响传统的接触式法收缩变形性能测定的收缩测头的埋设，不影响试件在完成早龄期收缩变形测定试验后参照接触式收缩变形性能测定试验方法对被测试件继续进行后期收缩变形性能的试验。

3.6.2 标靶支垫

图8 标靶支垫

为防止U 型标靶支脚的金属毛刺或利边在使用时划破试模内铺设的塑料薄膜，专门设计了塑料材料一次成型的标靶支垫（图8），支垫的低部呈半球面，同时可使标靶底部的三个接触点与混凝土试模内壁保持尽可能小的摩擦力，以保证标靶随混凝土收缩变形同步位移。使用时只需把U 型标靶的三个底脚插入标靶支垫对应的插槽即可（见图7），操作极其简单。

3.6.3 标靶固定夹

标靶在试件成型时的固定方式对于非接触法的实现也是非常重要的。固定方式不仅应保证浇筑振动过程中在其预埋位置保持与试模间的固定，而且还需防止在试件成型后因撤去固定力或撤除操作的原因造成标靶发生移位的情况。并且，这一固定方式还应保证标靶在撤去固定后处于无外力约束状态的同时保证被测试件不会因此额外增加可能影响混凝土收缩的外力约束。因此，通过试模外部穿入混凝土内部标靶固定方案是不可取的，很难同时满足上述要求。

图9 专用固定夹及标靶固定方式

专门设计的标靶固定夹是一个弹性簧片制成的与U 型标靶及混凝土试模外形相匹配的专用夹具，其安装方式如图9 所示。固定夹还设有安全索，操作时把安全索末端的挂钩钩住试模端部的孔环，防止固定夹在试件振动成型时意外弹出伤及操作者。该标靶固定夹具有以下特点：

1）保证标靶在试件振动成型时被良好固定不发生移动，撤去固定夹后标靶无任何外力约束；

2）固定方式使标靶测量面方向与位移传感器探头自然保持垂直；

3）标靶固定力的方向与重力方向一致，保证了标靶在撤去固定夹后因受力状况发生变化而在自身重力的作用下发生沉降而导致出现偏移的情况；

4）操作方便、安全，不影响混凝土试件浇筑。

3.6.4 吸附式标准标靶

由于埋入式标靶是消耗品，更换标靶后将因不同生产批次材料的电导率、磁导率特性所存在的差异、标靶表面粗糙度不一致或存在刻痕等缺陷或标靶镀层的材质、厚薄存在差异等因素造成测量误差。事实上，即便不计成本地采用最好的材料、最精的加工工艺和最苛刻的检验得以解决前二个问题，也极难控制生产电镀加工过程中涂层材料、涂层厚度、电镀工艺的一致性。

实际测量表明，在现有加工技术下，相同材料和工艺条件下生产的埋入式标靶对同一电涡流位移传感器的灵敏度造成的差异最大达±1%～±2%。也就是说，当位移量为1mm 时最大测量误差可达±10 ～±20μm。因此，直接使用埋入式标靶的测量误差将远远高于测量精度不低于±0.25% FSO 的设计指标。为解决这一技术难题，我们提出了吸附式标准标靶技术，具有以下特点：

1)采用高品质材料和精密加工工艺制造、通过严格的测试校准并筛选出灵敏度高度一致的标准标靶，避免了普通埋入式标靶由于标靶材质、涂层厚薄、表面粗糙度不一致性或生产批次不同所导致的位移传感器灵敏度差异造成的测量误差，从而确保了仪器的测量精度；这一技术是采用电涡流位移传感器方法实现高精度测定非接触式混凝土收缩变形的关键技术创新。

2)在试验时通过磁钢方式吸附在埋入式标靶的测量位置（图10），装卸极其方便，可长期反复使用，实现了保证仪器最高测量精度的前提下既操作简单又成本低廉的使用要求。此外，利用电涡流位移传感器的特性，采用不同电导率、磁导率特性的材料制作不同的吸附式标准标靶可以改变位移传感器的测试灵敏度。若选用基材为紫铜的吸附式标准标靶替换基材为45 号钢的吸附式标准标靶，可把同一电涡流位移传感器的灵敏度提高约一倍。也即，这一技术可实现在减短一半量程的条件下把仪器的测量精度提高一倍。

3.6.5 位移传感器探头固定、调节架

图11 为根据非接触法技术要求配合上述标靶技术专门设计的位移传感器探头固定、调节架，具有如下特点：

1）把位移传感器探头的固定装置设计成直接架在试模之上与试模在结构上成一体化，避免了传感器探头与被测靶之间连接结构过渡环节太多、关联臂过长所导致抗震（振）性能下降的弊端，有效减低因环境震动引起的测量误差；这一设计也使得在温度变化较大的试验环境下把热胀冷缩效应对测量值的影响减到最小，同时使其他不确定环境因素所引起位移传感器探头与试模相对位置位移的发生概率降到最低，大大提高了测量装置的环境适应性；

2）同时具有位移传感器探头调节功能可方便平稳地调节位移传感器探头与标靶间的距离，使得位移传感器探头能在试验开始时调节到最合适的初始位置，以便获得最大的（一次性）测量量程；

3）在试件浇筑成型后再安装固定，不影响试件的浇筑成型操作；

4）安装简单、操作方便，可适合各种型号的混凝土收缩试件的成型试模。

3.7 非接触式混凝土收缩变形测定仪

采用上述技术研制的CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪的技术性能及指标达到了设计要求，具有如下主要技术特点及功能：

1）位移测量量程3.0mm（单传感器通道1.5mm），精度±5.0μm；

2）检测时间间隔：1～120 分钟可设定；

3）断电自动恢复功能：仪器在无人值守的情况下自动恢复断电前的运行状态；

4）对测试环境要求低，适合各类实际应用场合；

5）配有一体化温湿度传感器同步实时监测实验场所的环境温、湿度；

6）采用多项专利技术，功能完善实用，仪器可靠耐用，操作简单快捷；

7）设有 USB 接口、以太网接口实现试验数据文件传送和软件升级等功能；

8）很高的产品性价比。

4 试验结果

4.1 测试精度校准结果

经中国计量科学研究院校准[5]，CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪的实测最大误差为2μm（单个位移传感器，校准量程1.5mm；标准器不确定度：±0.3μm），仪器的测量精度达0.13% FSO。

4.2 实验结果

为检验CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪的整体技术性能，验证其用于非接触混凝土收缩试验方法的实际效果，进行了大量的实际试验。试验数据表明：

1）采用本文技术设计的埋入式标准靶能灵敏地跟随被测混凝土的早龄期（收缩）变形而同步移动，在砂浆贯入阻力到达0.3MPa 之前已表现出很好的协同性；

2）混凝土早龄期收缩变形在初凝前已经发生，多数情况下初凝前的收缩变形量为终凝前累计收缩变形量的1/2 以上；

3）早龄期混凝土的收缩变形大致可以终凝点为界分为两个阶段，终凝之后收缩速率显著小于终凝之前。

图12 收缩试验数据曲线（纵坐标：收缩率10-6，横坐标：经时h）

图12 为两次早龄期混凝土收缩试验数据的平均收缩率曲线图（截去试验开始25h 后数据）。试件成型后即开始试验，采样时间间隔为15min，同时在同一试验环境测量混凝土初终凝时间。由于试验目的是为了验证非接触法专用测试装置的特性和试验方法的实际可行性，试验场所采取了用电扇增加空气流动性，以加速被测混凝土的收缩速率（下同）。

图13 为另一次试验的混凝土试件平均收缩率变化图（截至实测砂浆贯入阻力1.1MPa）。试验表明，被测混凝土试件在成型后约3h 前所测得的变形值处于不确定变化状态，在成型后约4h 后开始展开有规律的收缩过程。

图13 实测初凝前收缩率变化图

图14 为试件成型起90 小时3 组试件的收缩率变化曲线。

5 结论

采用电涡流位移传感器非接触式试验方法结合本文所述的技术手段，可很好地实现准确测量混凝土成型后全过程收缩变形特性；

本文所述“测量标靶——位移传感器探头固定调节装置”的一系列技术创新是实现这一测试方法技术关键；

图14 成型起90 小时收缩率数据曲线

为测定初凝或接近初凝后早龄期混凝土的自由收缩变形和自收缩变形，标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009 新增加了非接触式收缩试验方法[7]并对测试设备、试验步骤及要求作了详细规定。CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪良好的实际使用效果充分验证了其技术合理性和实际可行性。初步试验数据显示，GB/T 50082 提出的在混凝土初凝时开始测定试验的规定略偏保守。

随着GB/T 50082-2009 的正式颁布实施，标准引入的非接触式收缩试验方法将为精确地测定并真实反映混凝土早期收缩性能提供客观有效试验方法和科学合理评价手段，为推动混凝土早期特性与抗裂技术的研究、配合比设计和质量控制起到非常积极的推动作用。同时，CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪将为该试验方法的应用提供性能优良、经济实用的专用测试仪器。

[1]普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[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, 快凝地面自流平砂浆的早期收缩与膨胀机理，2004:5-6.

[4]巴恒静,高小建,杨英姿.高性能混凝土早期自收缩测试方法研究[J],工业建筑,2003（8）：1-4.

[5]王培铭,刘岩,郭延辉,赵霄龙等.混凝土早龄期收缩测试电涡流法的研究[J], 建筑材料学报, 2006.9(6)：711-715.

[6]中国计量科学研究院.校准证书,CDyd2009-0186.

[7]普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].GB/T 50082-2009.