混凝土自收缩测试方法研究进展①

2021-08-18郭保林郭永智王晓然曹煜婷王宝民

建材技术与应用 2021年4期

□□ 张新，郭保林，姚望，郭永智，王晓然，曹煜婷，王宝民

(1.山东高速股份有限公司，山东济南 250014； 2.山东省交通科学研究院，山东济南 250100； 3.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116024)

引言

混凝土早期自收缩会使混凝土弹性模量迅速增长，从而使构件由于较大的拉应力产生裂缝，严重影响了混凝土的强度和耐久性。因而混凝土自收缩问题受到了许多关注，而如何科学准确地测试混凝土自收缩也成为众多学者专家的研究内容。研究表明，自收缩占总收缩的比例随着水灰比的下降而增长[1]，而近年来高性能混凝土发展迅速，需求倍增，其最重要的特征之一便是水胶比更低，因此，统一、科学、准确的自收缩测试方法和技术显得尤为重要。

“自收缩”的概念是由牛津大学专家Lynam最早提出的，他认为自收缩是由于水化硅酸钙与水化铝酸钙凝胶的形成使得混凝土体积变小，该收缩与外界温湿度的变化无关。而后日本混凝土协会也对混凝土自收缩的概念进行了阐述。田倩等[2]对以上进行了总结，明确了自收缩、化学减缩和自干燥收缩的区别与联系，认为自收缩为不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积(长度)的变化，化学减缩在混凝土结构形成前与自收缩基本等同，而自干燥收缩就是在混凝土结构形成以后的自收缩。王景贤等[3]则认为化学收缩和干燥收缩都是自收缩的一部分。虽然当前国内外学者对自收缩的定义没有达成统一认知，但从混凝土的收缩机理可以得知，自收缩应是在恒温恒湿的条件下，混凝土在水化时毛细孔中的水分变为不饱和而产生毛细孔负压从而引起的收缩和内部自身相对湿度下降的共同结果[4]。

1 自收缩测试原则

1.1 起始时间

起始时间的选定很大程度上影响着自收缩测试的准确性[5]。自收缩的起始时间点就意味着混凝土浆体内已经形成稳定骨架网络，足以承受应力传递。Sant G等[6]发现自收缩的起始时间与终凝时间大概一致，但不完全相同；Jensen O M等[7]表示自收缩的起始时间应该是收缩曲线在极早期的拐点，因为在终凝时混凝土浆体收缩速率还很显著，很难说此时已产生了自收缩。国内有研究者[8]认为混凝土自收缩起始时间以初凝后10 min为宜，若从养护1 d后开始测量自收缩会忽略浆体在早期产生的一大部分自收缩，冷发光等[9]则认为将混凝土浆体内部相对湿度开始下降的时刻作为自收缩测试的起始时间更加合理。总体来看，虽然相关标准有所规定，但研究者们仍未对自收缩起始时间的选定达成共识。

1.2 测试条件

GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定，自收缩测试试验应在(20±2)℃的恒温、(60±5)%的恒湿条件下进行。事实上，不论用什么方法测试自收缩，都必须保持恒定温度和湿度。

在测量还未固化成型的混凝土自收缩时，不能拆除试模，否则会对早期混凝土造成损伤，由此成型后试件的密闭性也成为研究者们的关注点之一，同时必须考虑试模对混凝土表面的摩擦约束力。早先国内有人提出将聚四氟乙烯材料作为试模的内衬板，因为其作为固体材料具有最小的摩擦系数，同时用柔性的聚氯乙烯塑料薄膜做成最里面的一层密封，这样可以降低混凝土对衬板的吸附，有效降低试模对早期混凝土的约束力[10]。近年来，由于波纹管管壁较薄，灵敏度较高而成为自收缩测试的主要模具。

1.3 干扰因素

Loukili A等[11]发现自收缩幅度受试件温度的强烈影响。因此，在测试中为了更好地估计混凝土的收缩幅度，必须考虑温度因素。温度变化量和线膨胀系数对温度升降影响很大，所以在测试自收缩时应同时测定试件内部在同一条件下的温度变化。郁群等[4]提出可以一边测试混凝土自收缩，一边测量温度，随后假定一个温度线膨胀系数，再根据平均温度变化来计算温度变形，以此来排除温度变形的干扰。但由于未成型时混凝土的温度线膨胀系数无从假定，因此这样的方法也不能完全排除温度变形带来的误差。

泌水也会对混凝土自收缩测试带来干扰。黄利频等[12]认为，不同的混凝土水胶比不同，水分渗入混凝土结构内的速度不同，对自收缩的影响也不相同。在密封条件下，泌水可能会被水泥石吸收并参与水化反应引起化学收缩，也有可能水分进入水泥石后，填充了开口孔隙或保持表面毛细孔的相对湿度，从而起到了抑制了混凝土早期自收缩的效果。

2 自收缩测试方法

混凝土自收缩方法根据其测量维度可分为体积测量法、长度测量法和波纹管法。不同的测量方法都有其优势也有其应用限制。

2.1 体积法

体积测量法是通过直接测量试件整体体积的变化来反映混凝土自收缩的方法[13]。该方法的做法是首先将新拌的水泥浆或砂浆注入密封性很好的橡胶皮套内，再将其全部浸入液体，通过将测量出的浮力变化量换算成体积变化量来表征试件的自收缩。这种测试方法不仅简单可行，而且不需要等到浆体凝结，加水拌合浇筑后就能开始测量，因而可以用来测量混凝土最早期的自收缩。但是它明显缺点是：混凝土中大量的粗骨料可能会破坏相对柔软的橡胶容器；成型后的泌水会带来一定的浮力干扰[14]；橡胶气球和水泥浆体之间缺乏稳定的接触，搅拌时可能会吸入空气，这些气泡难以排出而且可能被重新吸入水泥浆内部继续参与反应，因此，测试结果可能还会包括部分由于化学减缩而形成的空隙，从而给测量造成误差。此外，橡胶袋并非完全不透水，也可能由其渗透性引起测量误差[15]。

2.2 长度法

2.2.1 接触式

早在上世纪90年代，日本学者Tazawa E等[16]就针对混凝土自收缩做了大量研究，他率先采用千分表法进行自收缩的测定并提出一种可用于测量混凝土拆模前自收缩的测试方法。该试验在混凝土终凝拆模后立即密封并测定基准长度，后转入塑料袋中养护至特定龄期后取出，置于混凝土收缩测定仪中测量。Tazawa E等的方法较好地测定了混凝土早期无强度的自收缩，但是很难测出混凝土在后期变化极慢的自收缩，且存在混凝土中埋入的测头和测定仪的测头很难完全同步，导致测试不准确。

安明哲等[17]改进了Tazawa E等千分表测试自收缩方法，他用千分表架、混凝土密封试模、温度测定仪组成了测试装置，将混凝土直接浇筑到试模内并立即密封，这样就实现了带模进行自收缩的测定。而且混凝土测头采用了可拆卸式的，解决了混凝土中埋入的测头与收缩测定仪的测头很难统一的问题，使测定更加准确。但是该测试方法未实现测定数据的自动采集，数据没有连续性，且需要测试人员全程测定，如果测量龄期变长、测量试件数量增加，试验过程会变得更加繁琐。

GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定了普通混凝土接触式测量方法。该方法采用固定尺寸的棱柱体试件，分为卧式和立式混凝土收缩仪两种，适用于测定在规定温湿度条件下无约束的硬化混凝土试件的自收缩。

为了减小人为误差，提高测量精度，实现数据的连续性，后来有研究者选择在混凝土试件两端埋入线性差动位移传感器[18]、线振仪[19]、差动式电阻应变计等方法来监测混凝土早期收缩变形。线性差动位移传感器测定法操作简单，但是需要在每个试件两端都配备传感器，而且中途不能有任何移动，也不能多个试件共用传感器，故该方法测试自收缩花费较高，也因此限制了其应用。埋入线振仪的构思巧妙新颖，但线振仪的刚度很难准确选用：刚度太大埋置容易但对早期砂浆或水泥浆的收缩不敏感，刚度太小灵敏度高但准确埋置困难[20]；同时，早期混凝土是否能与传感器有效粘结需进一步探讨。我国水工混凝土试验规程建议的埋入差动式电阻应变计的方法虽然精度较高，但是受限于该应变计昂贵价格和一次性使用，而且应变计无法与早期没有强度的混凝土同步变形,因此无法测得早期自收缩。

2.2.2 非接触式

非接触式自收缩测试方法是使用显微镜观测裂缝或在试件表面安装测量标靶进行测量。马新伟等[21]研究出的电容传感器测量法利用电容传感器输出电压的变化与电容器两极位移变化成正比的原理得到测头与被测对象之间的距离。该方法以其高精度受到研究者们青睐，而且该方法测量全程都在试模中进行，因此，可以从很早期开始测量，得到混凝土收缩变形的全过程数据。巴恒静等[22]提出的涡流传感器测量法通过计算两头与传感器之间的距离之和随时间的变化，从而换算出混凝土的收缩值，再从中减去温度变化引起的温度变形值，即可得到混凝土的自收缩值。该方法可以从6 h龄期开始，而且可以通过滑动轨道实现一对传感器对多个试件进行测量。也有人采用电位器式位移传感器LVDT辅助测量。GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定了普通混凝土约束状态下早龄期混凝土与外界隔绝湿交换的条件下自收缩变形的测定。该方法采用特定棱长的棱柱体试件，将不锈钢测头预埋于端部，试件成型l d后拆模，标准养护3 d后置于恒定温度、隔绝湿交换的环境中，采用反射靶与混凝土试件协同变形的方式表征混凝土试件的收缩。该方法只能测试自成型后的收缩变形，忽略了未成型前的早期自收缩。

非接触式混凝土自收缩测量法避免了混凝土早期强度不足与传感器发生相对滑移而产生的误差，也解决了大部分方法中需要拆模才能进行自收缩测试的问题，同时，自动连续的测量更便于试验人员收集数据，在试验时间空间上也更加自由。但是非接触法测混凝土自收缩也不能避免模具约束对混凝土收缩变形的影响，因此，非接触传感器是否能够真实准确地反映混凝土的自收缩还需再论证。

2.3 波纹管法

波纹管法即采用波纹管作为自收缩测试模具进行自收缩测试，该测试方法在浆体成型后即可测试，克服了脱模测试的弊端，且大大减少了早期强度不足时试件与刚性管的摩擦问题，将体积法与长度法所长集于一身，达到自最早期起的全过程测试目的，满足自动连续化测试的要求，实现了较高精确度的测试。

国外学者Jensen等最早提出将波纹管作为模具来测试混凝土的自收缩，他认为混凝土浆体所产生的自收缩变形可用波纹管的纵向伸缩间接表征，他的方法可以自浇筑1 h即开始测量自收缩，而且能连续监测并有效地避免由于重力、温差和模具摩擦约束产生的误差[23-24]。这种测试方法也得到了Bouasker M等[25]众多研究者的验证与认可，基于此，美国于2009年发布ASTM C1698[26]规范文件，为混凝土自收缩测试提供了标准的波纹管法。

国内有研究者[27]提出将电涡流非接触式位移传感器作为千分表的升级装置来实现自动采集数据。朱建强等[28]利用波纹管法测量自收缩发现，与其他方法相比,波纹管法能直接准确地测量早期自收缩；田倩等[8]对波纹管法测自收缩技术作了一些讨论，解释了波纹管法的原理,研究了波纹管的材质等对测试结果的影响，并认为在混凝土终凝后这些因素的影响甚微，可以忽略。施惠生等[29]对比分析了波纹管法和行业标准JC/T 313—1980《膨胀水泥膨胀率试验方法》，测试发现波纹管法能更准确地测量水泥浆体的早期自收缩。还有人[30-32]通过改进波纹管试验测量,得到各组成部分对混凝土自收缩的影响。冷发光等[9]指出波纹管法测试技术需要解决的主要问题为波纹管与支撑面之间的摩擦、波纹管端塞的密封性和测试期内混凝土的温度控制。这都说明了国内研究者对波纹管法测试技术的认可和关注，然而国内目前尚无相应的规范。

3 结语

本文从测试原则和测试方法两个方面阐述了混凝土自收缩测试技术的研究发展：

(1)混凝土自收缩测试的试验中，起始时间的确定很大程度上影响了测试的准确性；测试环境必须保持恒温恒湿，还必须考虑模具的材料性能；在测试过程中要设法排除温度和泌水对测试结果的影响。

(2)混凝土自收缩测试方法主要有体积法、长度法和波纹管法。体积法虽然可以实现测试最早期混凝土的自收缩，但是由于其测试模具本身的性能会影响测试结果的准确性，而且无法实现测量自动化和数据的连续性；长度法与体积法相比，测试更加偏向自动化和数字化，但是大多无法测量早期强度不足的混凝土自收缩；波纹管法取体积法与长度法所长，实现了混凝土自收缩全过程、自动化的精准测试，但是其模具的密封性和测试的准确性也需要进一步探讨。混凝土自收缩各个测试方法的优缺点及适用范围见表1。