南水北調工程薄壁混凝土干縮試驗研究進展

□劉福友 □梁 峰 □鐘雪瑩（中國水利水電第七工程局有限公司）

在南水北調工程中，混凝土結構大部分均為薄壁結構，溫度變形和干縮是導致其開裂的主要原因，如渡槽、倒虹吸等的“棗核型”裂縫，表層龜裂，渠道的表面干縮裂縫。干縮裂縫導致水泥混凝土耐久性下降,有時甚至導致結構破壞，有必要對裂縫機理進行研究。

關于混凝土溫度變形的研究理論已經相當成熟，但干縮由于其影響因素和作用機理的復雜性，到目前為止還沒有完整的理論體系，甚至關于自收縮、化學減縮、自干燥收縮等基本概念本身就存在著不一致。本文主要從理論研究使用的最基本手段——試驗著手，以下幾方面進行總結，尋找干縮研究的進展：

1.試驗標準和方法

對干縮研究，不管是其特性、影響因素分析等都需要借助于試驗手段進行自由變形測量，故測量手段及其精確性就決定了干縮研究的可靠性。目前，干縮試驗有著不同的標準，見表1。

干縮變形主要包括早期的自干燥收縮和水分散失導致的干縮，其中，自干燥收縮指在密封條件下，混凝土攪拌以后，內部水分參與水化反應，生成物的體積大于原固體體積，形成孔隙結構，孔隙中空氣濕度大，但隨著水化反應的進行，內部相對濕度的下降致使孔隙結構體積收縮。

從表1可以看出，不同標準下，干縮測量初始讀數時間、養護條件等都是有差異的，這也決定了不同標準的適用性。在試驗過程中，由于混凝土的初始結構形成時間目前尚很難進行明確的判斷，故目前規范規定的干縮試驗測試方法均不包括早期的干縮。目前常用的干縮試驗手段主要有以下幾種：

表1 幾個主要標準所規定的干縮測試的初始時間及試驗條件表

1.1 傳感器法

傳感器能將機械位移量轉換成電信號，故在混凝土澆注成型時埋入傳感器，則在混凝土產生收縮變形時混凝土本身就會對傳感器產生擠壓作用，使得通過傳感器輸出的電磁效應發生一定的變化，則可以通過連續測量傳感器輸出變化的電信號換算出混凝土產生的收縮變形的大小。傳感器測量的變形值精度相對較高，誤差小，通常能連續自動記錄，但一般不適用于早期處于塑性階段的混凝土，因為早期混凝土的塑性變形會受傳感器影響，而且該測量方法價格昂貴。

1.2 光學測量法

該方法和傳感器法相比，不需要接觸的傳感器，一般可利用預埋在試件中的金屬反射體產生的反射脈沖，利用兩個光點之間距離變化來進行測量。該方法和傳感器法相比精度也較高，并且早期塑性變形不太會受到影響。

1.3 千分表法

千分表是通過齒輪或杠桿將一般的直線位移轉換成指針的旋轉運動，然后在刻度盤上進行讀數的長度測量儀器。在進行干縮試驗時，將試件放置在光滑的基座上，將試件的一端進行固定，另一端安置千分表，故混凝土試件整體收縮會引起千分表觸頭移動并使得千分表產生讀數，得到干縮變形值。千分表法測量干縮具有操作簡單、投資少等優點，但誤差較大。周圍環境的細微振動會對測試結果產生較大的影響。

1.4 體積法

基于阿基米德定律，測量混凝土在水中質量隨時間的變化，得到浮力變化情況，也就是得到了混凝土體積變化情況。用體積法測量時，混凝土需要用塑膠套包住，并在放入水中之前將混凝土的膠套內空氣去凈，否則影響測量結果。

1.5 對比分析

上述4種方法，其中體積法是對混凝土體積變化的直接測量，其他3種都屬于線性測量方法。由于混凝土自攪拌開始就開始水化，即存在著收縮，因此理想的測量方式應當是自加水拌和成型之后立即進行。針對該觀點，體積法測量方式具有明顯的優勢，因為在初始結構形成以前的混凝土采用線性測長的方式顯然在本質上就有混淆，另將體積變形轉換為長度變形后測試結果要較長度測量結果高出3～5倍之多，這主要取決于水泥類型和試驗具體條件。但由于線性測長方法的點相對固定，因此對于泌水影響要小得多，對于混凝土試驗方法現在較常用的多是長度測試法。

2.國內外常用干縮試驗方法

根據上述不同的試驗方法，國內外常用的試驗方法主要有以下幾種：

2.1 Holt and Leivo1999法

該方式采用傳感器進行測量，試驗裝置見圖1，裝置簡單，鏡面的底座設計可以減少試件和工作平面的摩擦，操作簡單，受人為影響很小。可是該方案在測量時，每個混凝土試件都配備了兩個傳感器，在測量過程中不能移動，造價相對比較高。

2.2 環境;水質要求及保護對策Morioka法

這個試驗裝置試件以產生內部應力的點作為零點進行校正，至少可以保證測試可以承受外部應力的固體體系的變形，見圖2。由于早期的混凝土結構非常脆弱，難以克服試摩表面的摩擦而容易受約束的影響，這種影響可以通過提高模具表面的約束而盡量減小，該裝置受外部環境影響較小，但對剛度太小的混凝土，該裝置會對早期的收縮不敏感。

圖1 Holt and Leivo試驗裝置圖

圖2 Morioka干縮試驗裝置圖

2.3 Jenson and Hansen法

Jesen&Hensen專門針對水泥漿的自收縮測量發明了一種CT1 Digital Dilatometer(如圖3所示)，它采用了低密度的聚乙烯塑料波紋管作為模具，起著密封和降低約束的作用。該模具在凝結以前可以將體積變形轉換為線性變形，而在凝結以后則為正常的線性測長的方式，理論上可以在成型后即開始測量。但是,由于采用了接觸式傳感器，因此也必須在初凝的時候才能開始測量。該試驗設置測量精度高，特別是我國巴恒靜對此進行改進之后，改進的新型非接觸感應式早期收縮測量法，克服了以往測量手段的不足，適合于精確測量各種體積變形。

圖3 Jenson and Hansen試驗裝置圖

3.結論

對于南水北調大部分的薄壁混凝土結構，其干縮研究中的干縮數學模型如干縮系數，濕度交換系數等、干縮影響因素都是建立在試驗的基礎上，而試驗方法的不統一，直接導致模型的實際應用及設計的參考價值。本文針對現有試驗標準和試驗方法進行了總結，體積法和線性測量法各有不足，故針對現有儀器設備及測量方法的不足，需要進一步改進測量設備及手段。