國內(nèi)外混凝土的收縮性能試驗研究方法

摘　要：著重對國內(nèi)外獲得普遍認(rèn)同的混凝土各種收縮性變形的機(jī)理及試驗研究方法進(jìn)行了總結(jié)和綜述，對解決混凝土的收縮裂縫具有重要的意義。關(guān)鍵詞：化學(xué)收縮，干燥收縮，自收縮，溫度收縮引言　　近年來混凝土技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，然而混凝土的收縮裂縫仍然是一個普遍性的難題。如何精確測得收縮及如何測得收縮機(jī)理成為解決收縮引起裂縫的關(guān)鍵所在?；炷恋氖湛s是指混凝土中所含水分的變化、化學(xué)反應(yīng)及溫度變化等因素引起的體積縮小，均稱為混凝土的收縮。混凝土的收縮主要包括：化學(xué)收縮、干燥收縮、自收縮、溫度收縮、碳化收縮及塑性收縮等。每種收縮都是由不同原因引起的，也各有不同的特點，每種收縮的試驗研究方法也各有不同。國內(nèi)外的水泥和混凝土學(xué)者都非常重視混凝土收縮性能的研究?，F(xiàn)就各收縮形式的不同試驗研究方法綜述如下。1 　試驗設(shè)計1. 1 　混凝土化學(xué)收縮的研究方法　　化學(xué)收縮即水化收縮。所有的膠凝材料水化以后都存在這種減縮作用，這是由水化反應(yīng)前后的平均密度不同造成的。水泥水化反應(yīng)的主要產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠，其體積小于水泥與水的體積之和，即固相體積增加，但水泥、水體系的絕對體積減小。大部分硅酸鹽水泥漿完全水化后，理論上的體積減縮7 %～9 %。　　重慶建筑大學(xué)的嚴(yán)吳南教授等沿用了英國Gessner 的方法研究了不同品種水泥及不同硅灰取代量的水泥凈漿的化學(xué)減縮。具體方法為：將100 g 水泥和33 g 水混合均勻，裝入長頸瓶中搖勻，趕走全部氣泡后立刻加蓋密封，把此瓶置于恒溫恒濕的觀察室中，記錄長頸瓶中的液面高度作為原始體積，以后按不同水化齡期讀取液面高度。計算各齡期的體積減小值，用來表征該水泥的化學(xué)收縮。1. 2 　干燥收縮的試驗研究方法　　干燥收縮指的是混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔水，凝膠孔水及吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮，隨著相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大，且不同層次的水對干縮的影響大小也不同。根據(jù)計算，完全干燥的純水泥漿體收縮量為1 ×10 - 2 。　　干燥收縮的測試方法主要有手持式應(yīng)變儀法、標(biāo)架千分表法、立式千分表測長儀法和弓形螺旋測微計法等。1. 2. 1 　手持式應(yīng)變儀法　　把試件做成100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱體，成型48 h后拆模，送至干縮試驗室，在試件兩相對位置粘貼標(biāo)點，兩標(biāo)點間距為200 mm ，粘貼好標(biāo)點后就可以用手持式應(yīng)變儀測基準(zhǔn)長度，然后按干縮齡期進(jìn)行測量干縮變形。此套裝置由同濟(jì)大學(xué)研制，其精度為0. 001 mm。1. 2. 2 　標(biāo)架千分表法　　我國鐵道部、建工部門采用標(biāo)架千分表法測混凝土干縮變形，其試件尺寸為100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱體，在試件兩相對側(cè)面預(yù)埋螺母，試件成型后2 d 拆模，立即放入干縮試驗室，安裝千分表架和千分表，標(biāo)距為200 mm。然后測量試件標(biāo)準(zhǔn)值，再按干縮齡期量測干縮變形。一個干縮試件用2 支千分表，試件干縮變形為兩個測值的平均值。這種量測方法的精度為0. 001 mm。但在實際量測中由于人為的誤差，通常達(dá)不到實際的精度。我國標(biāo)準(zhǔn)GBJ 80285 普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法中對混凝土干燥收縮的試驗方法如下：混凝土干燥收縮試件的模具尺寸為100 mm ×100 mm ×515 mm。成型時兩端預(yù)埋測頭，每組成型3 條試件，成型1 d 后拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)2 d 后取了測定基準(zhǔn)長度，并放入溫度為20 ±2 ℃，濕度為60 ±5 %的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，按規(guī)定齡期測混凝土的收縮率。通常用180 d 的收縮率評價混凝土的收縮，但在實際的研究中可根據(jù)具體情況增加或減少這個最終評價收縮的齡期。1. 3 　自收縮的試驗研究方法　　所謂自收縮是指混凝土在沒有向外界脫水的條件下，因內(nèi)部毛細(xì)孔內(nèi)自己水量不足，相對濕度自發(fā)的減少引起干燥而產(chǎn)生的混凝土收縮變形，稱之為自收縮?；炷磷允湛s值一般在 ×10 - 6 mm 范圍以內(nèi)。如果以混凝土線膨脹系數(shù)為10 ×10 - 6 mm/ ℃計，相當(dāng)于溫度降低4 ℃～10 ℃所引起的溫度變形，這充分說明混凝土的自收縮對抗裂問題有著不容忽視的影響。混凝土自收縮的原因主要有兩個，即低水灰比或低水膠比和摻較大量的活性細(xì)礦物摻合料而引起的。1. 3. 1 　圓環(huán)法　　自收縮的研究方法主要為圓環(huán)法。圓環(huán)法最早是由美國麻省理工學(xué)院的Roy Caylsom 于1942 年提出的，當(dāng)?shù)赜脕硌芯克鄡魸{和砂漿的抗裂性，后來Karl wiegrink 和Mcdonald 在研究混凝土的收縮抗裂性時也借用了這套裝置。區(qū)別僅在于裝置尺寸大小的差異。本裝置由一個鋼制圓環(huán)和聚氯乙烯外模組成，兩個環(huán)被固定在木制底板上，混凝土在兩環(huán)中成型為環(huán)狀試件。拆模時間可根據(jù)研究的需要確定，拆除外模后，試件頂部用硅橡膠密封，以防止試件水分散失。因此只允許試件外表面收縮。而且收縮沿厚度是均勻的，當(dāng)試件受內(nèi)鋼環(huán)約束產(chǎn)生壓力時，內(nèi)外表面應(yīng)力差只有10 % ，徑向應(yīng)力為最大環(huán)向應(yīng)力的20 % ，因此可忽略不均勻收縮的影響。試件養(yǎng)護(hù)條件的溫度應(yīng)控制在20 ℃，相對濕度為50 %。裂縫寬度用專門設(shè)計的顯微鏡顯測。所得結(jié)果即為混凝土的總收縮引起的開裂和裂縫寬度。1. 3. 2 　電容式測微儀法　　由哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬新偉、鈕長仁、伊彥科三位學(xué)者研究出了此種方法。這是一種非接觸式的位移測量裝置，用于測量混凝土自收縮的工作原理如圖1 所示。　　在被測對象的一端貼一金屬片，金屬片與測頭形成電容器。其電容與兩極的間距及兩極間的填充物質(zhì)特性有關(guān)，在實驗室條件下，空氣溫度和濕度可以保持不變，電容可以認(rèn)為只與兩極的間距有關(guān)。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。測量傳感器的輸出電壓可以方便地得到測頭與被測物體之間的距離?？梢杂孟鄳?yīng)的計算機(jī)軟件對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。具體的測量模具如圖2 所示?！　≡跍y量混凝土變形時，試模右端固定，左端為自由端。測微儀的測頭置于左端模的外側(cè)，測頭與大左端模形成電容器?；炷猎嚰谧冃沃苯颖憩F(xiàn)為電容器兩極間距的變化，此變化又通過電容器的輸出電壓來反映。由于試驗在試模中進(jìn)行，所以混凝土試件一旦成型結(jié)束，變形的測量即可開始?？朔嗽趥鹘y(tǒng)測量方法中，變形測量只能在混凝土拆模1 d 后才能測量的弊端，從而真實地反映了混凝土的收縮變形。1. 4 　溫度收縮的試驗研究方法　　溫度收縮又稱冷縮，主要是混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時產(chǎn)生的收縮。其大小與混凝土的熱膨脹系數(shù)、混凝土內(nèi)部最高的溫度和降溫速率等因素有關(guān)。當(dāng)溫度下降，混凝土?xí)a(chǎn)生溫度收縮變形，當(dāng)混凝土受凍時，其孔隙水和毛細(xì)管水的結(jié)冰將明顯影響其變形。一般情況下，當(dāng)混凝土溫度降至0 ℃以下時，混凝土不僅不收縮，反而會因結(jié)冰產(chǎn)生的壓力而引起膨脹變形。溫度收縮多采用千分表法進(jìn)行量測。1. 5 　碳化收縮的試驗研究　　由于空氣中含有的CO2 含量約為0. 04 % ，在相對濕度合適的條件下，CO2 能與混凝土中水泥水化生成的水化物如Ca 2和C. S. H 凝膠等起反應(yīng)，稱為碳化。碳化伴隨著體積的收縮，稱為碳化收縮，是不可逆的。影響混凝土碳化收縮的兩個因素為CO2 的濃度和周圍環(huán)境的濕度。CO2 作為一個反應(yīng)物，濃度越高反應(yīng)越迅速，因而碳化收縮也越大。而濕度則不然，當(dāng)相對濕度為55 %時，碳化收縮達(dá)最大值。當(dāng)相對濕度大于55 %時，碳化收縮隨相對濕度的增加而減少；當(dāng)相對濕度小于55 %時，碳化收縮隨相對濕度的減小而下降；當(dāng)相對濕度低于25 %時，碳化收縮幾乎停止。1. 6 　塑性收縮的試驗測量方法　　塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，一般為拌和后約3 h～12 h 以內(nèi)，即在終凝前比較明顯，其成因主要是因為混凝土在新拌狀態(tài)下，拌合物中顆粒間充滿著水，如養(yǎng)護(hù)不足，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時，則會造成毛細(xì)孔中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮?！　』炷恋乃苄允湛s最早的測量方法是機(jī)械儀表法測量。即在圓筒模內(nèi)側(cè)涂上一層薄的潤滑油，再裝入塑料圓筒，將新拌和的混凝土拌合物裝入筒內(nèi)，振搗后安裝千分表測具。根據(jù)千分表讀數(shù)的變化計算沉陷變形。同時還可以在混凝土中插上溫度計或用熱電偶測量混凝土的溫度變化?！　∧壳八苄允湛s的指標(biāo)通常用平板法測量。平板法分別是由美國密西根州立大學(xué)Dr Soroushian 和美國圣約瑟大學(xué)的Kraai 率領(lǐng)的研究小組提出。其基本原理均相同，不同之處在于試模尺寸、提供約束方式、養(yǎng)護(hù)方式及使用范圍略有不同?，F(xiàn)以Dr Soroushian的平板法為例進(jìn)行介紹如下?！　「鶕?jù)測得的裂縫寬度，將裂縫分為大、中、小、細(xì) 四種類型，定交其度量指數(shù)分別為3 ，2 ，1 ，0. 5。每一度量指數(shù)乘以其相應(yīng)的裂縫長度，相加后即為該試件的收縮裂縫指數(shù)。平板法試驗方法操作比較簡單，能迅速有效地研究混凝土的塑性干縮變形，但是它也存在缺陷和不足，即只能部分不均勻地約束混凝土的塑性收縮變形。2 　結(jié)語　　混凝土的收縮存在復(fù)雜的機(jī)理，組成材料性質(zhì)的變化對收縮試驗結(jié)果具有很大的影響。收縮測試方法存在的缺陷及人為操作誤差也會導(dǎo)致錯誤的研究結(jié)論。但相信隨著混凝土科學(xué)研究的不斷深入，評價混凝土收縮性能的各種試驗方法會得到不斷的改進(jìn)和發(fā)展，會越來越接近工程實際狀況。

原作者：譚曉倩　陳　偉　王凌躍