混凝土自收縮測試方法研究進展①

□□ 張 新，郭保林，姚 望，郭永智，王曉然，曹煜婷，王寶民

(1.山東高速股份有限公司，山東 濟南 250014； 2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250100； 3.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116024)

引言

混凝土早期自收縮會使混凝土彈性模量迅速增長，從而使構件由于較大的拉應力產生裂縫，嚴重影響了混凝土的強度和耐久性。因而混凝土自收縮問題受到了許多關注，而如何科學準確地測試混凝土自收縮也成為眾多學者專家的研究內容。研究表明，自收縮占總收縮的比例隨著水灰比的下降而增長[1]，而近年來高性能混凝土發展迅速，需求倍增，其最重要的特征之一便是水膠比更低，因此，統一、科學、準確的自收縮測試方法和技術顯得尤為重要。

“自收縮”的概念是由牛津大學專家Lynam最早提出的，他認為自收縮是由于水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣凝膠的形成使得混凝土體積變小，該收縮與外界溫濕度的變化無關。而后日本混凝土協會也對混凝土自收縮的概念進行了闡述。田倩等[2]對以上進行了總結，明確了自收縮、化學減縮和自干燥收縮的區別與聯系，認為自收縮為不包括因自身物質增減、溫度變化、外部加載或約束而引起的體積(長度)的變化，化學減縮在混凝土結構形成前與自收縮基本等同，而自干燥收縮就是在混凝土結構形成以后的自收縮。王景賢等[3]則認為化學收縮和干燥收縮都是自收縮的一部分。雖然當前國內外學者對自收縮的定義沒有達成統一認知，但從混凝土的收縮機理可以得知，自收縮應是在恒溫恒濕的條件下，混凝土在水化時毛細孔中的水分變為不飽和而產生毛細孔負壓從而引起的收縮和內部自身相對濕度下降的共同結果[4]。

1 自收縮測試原則

1.1 起始時間

起始時間的選定很大程度上影響著自收縮測試的準確性[5]。自收縮的起始時間點就意味著混凝土漿體內已經形成穩定骨架網絡，足以承受應力傳遞。Sant G等[6]發現自收縮的起始時間與終凝時間大概一致，但不完全相同；Jensen O M等[7]表示自收縮的起始時間應該是收縮曲線在極早期的拐點，因為在終凝時混凝土漿體收縮速率還很顯著，很難說此時已產生了自收縮。國內有研究者[8]認為混凝土自收縮起始時間以初凝后10 min為宜，若從養護1 d后開始測量自收縮會忽略漿體在早期產生的一大部分自收縮，冷發光等[9]則認為將混凝土漿體內部相對濕度開始下降的時刻作為自收縮測試的起始時間更加合理。總體來看，雖然相關標準有所規定，但研究者們仍未對自收縮起始時間的選定達成共識。

1.2 測試條件

GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定，自收縮測試試驗應在(20±2)℃的恒溫、(60±5)%的恒濕條件下進行。事實上，不論用什么方法測試自收縮，都必須保持恒定溫度和濕度。

在測量還未固化成型的混凝土自收縮時，不能拆除試模，否則會對早期混凝土造成損傷，由此成型后試件的密閉性也成為研究者們的關注點之一，同時必須考慮試模對混凝土表面的摩擦約束力。早先國內有人提出將聚四氟乙烯材料作為試模的內襯板，因為其作為固體材料具有最小的摩擦系數，同時用柔性的聚氯乙烯塑料薄膜做成最里面的一層密封，這樣可以降低混凝土對襯板的吸附，有效降低試模對早期混凝土的約束力[10]。近年來，由于波紋管管壁較薄，靈敏度較高而成為自收縮測試的主要模具。

1.3 干擾因素

Loukili A等[11]發現自收縮幅度受試件溫度的強烈影響。因此，在測試中為了更好地估計混凝土的收縮幅度，必須考慮溫度因素。溫度變化量和線膨脹系數對溫度升降影響很大，所以在測試自收縮時應同時測定試件內部在同一條件下的溫度變化。郁群等[4]提出可以一邊測試混凝土自收縮，一邊測量溫度，隨后假定一個溫度線膨脹系數，再根據平均溫度變化來計算溫度變形，以此來排除溫度變形的干擾。但由于未成型時混凝土的溫度線膨脹系數無從假定，因此這樣的方法也不能完全排除溫度變形帶來的誤差。

泌水也會對混凝土自收縮測試帶來干擾。黃利頻等[12]認為，不同的混凝土水膠比不同，水分滲入混凝土結構內的速度不同，對自收縮的影響也不相同。在密封條件下，泌水可能會被水泥石吸收并參與水化反應引起化學收縮，也有可能水分進入水泥石后，填充了開口孔隙或保持表面毛細孔的相對濕度，從而起到了抑制了混凝土早期自收縮的效果。

2 自收縮測試方法

混凝土自收縮方法根據其測量維度可分為體積測量法、長度測量法和波紋管法。不同的測量方法都有其優勢也有其應用限制。

2.1 體積法

體積測量法是通過直接測量試件整體體積的變化來反映混凝土自收縮的方法[13]。該方法的做法是首先將新拌的水泥漿或砂漿注入密封性很好的橡膠皮套內，再將其全部浸入液體，通過將測量出的浮力變化量換算成體積變化量來表征試件的自收縮。這種測試方法不僅簡單可行，而且不需要等到漿體凝結，加水拌合澆筑后就能開始測量，因而可以用來測量混凝土最早期的自收縮。但是它明顯缺點是：混凝土中大量的粗骨料可能會破壞相對柔軟的橡膠容器；成型后的泌水會帶來一定的浮力干擾[14]；橡膠氣球和水泥漿體之間缺乏穩定的接觸，攪拌時可能會吸入空氣，這些氣泡難以排出而且可能被重新吸入水泥漿內部繼續參與反應，因此，測試結果可能還會包括部分由于化學減縮而形成的空隙，從而給測量造成誤差。此外，橡膠袋并非完全不透水，也可能由其滲透性引起測量誤差[15]。

2.2 長度法

2.2.1 接觸式

早在上世紀90年代，日本學者Tazawa E等[16]就針對混凝土自收縮做了大量研究，他率先采用千分表法進行自收縮的測定并提出一種可用于測量混凝土拆模前自收縮的測試方法。該試驗在混凝土終凝拆模后立即密封并測定基準長度，后轉入塑料袋中養護至特定齡期后取出，置于混凝土收縮測定儀中測量。Tazawa E等的方法較好地測定了混凝土早期無強度的自收縮，但是很難測出混凝土在后期變化極慢的自收縮，且存在混凝土中埋入的測頭和測定儀的測頭很難完全同步，導致測試不準確。

安明哲等[17]改進了Tazawa E等千分表測試自收縮方法，他用千分表架、混凝土密封試模、溫度測定儀組成了測試裝置，將混凝土直接澆筑到試模內并立即密封，這樣就實現了帶模進行自收縮的測定。而且混凝土測頭采用了可拆卸式的，解決了混凝土中埋入的測頭與收縮測定儀的測頭很難統一的問題，使測定更加準確。但是該測試方法未實現測定數據的自動采集，數據沒有連續性，且需要測試人員全程測定，如果測量齡期變長、測量試件數量增加，試驗過程會變得更加繁瑣。

GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定了普通混凝土接觸式測量方法。該方法采用固定尺寸的棱柱體試件，分為臥式和立式混凝土收縮儀兩種，適用于測定在規定溫濕度條件下無約束的硬化混凝土試件的自收縮。

為了減小人為誤差，提高測量精度，實現數據的連續性，后來有研究者選擇在混凝土試件兩端埋入線性差動位移傳感器[18]、線振儀[19]、差動式電阻應變計等方法來監測混凝土早期收縮變形。線性差動位移傳感器測定法操作簡單，但是需要在每個試件兩端都配備傳感器，而且中途不能有任何移動，也不能多個試件共用傳感器，故該方法測試自收縮花費較高，也因此限制了其應用。埋入線振儀的構思巧妙新穎，但線振儀的剛度很難準確選用：剛度太大埋置容易但對早期砂漿或水泥漿的收縮不敏感，剛度太小靈敏度高但準確埋置困難[20]；同時，早期混凝土是否能與傳感器有效粘結需進一步探討。我國水工混凝土試驗規程建議的埋入差動式電阻應變計的方法雖然精度較高，但是受限于該應變計昂貴價格和一次性使用，而且應變計無法與早期沒有強度的混凝土同步變形,因此無法測得早期自收縮。

2.2.2 非接觸式

非接觸式自收縮測試方法是使用顯微鏡觀測裂縫或在試件表面安裝測量標靶進行測量。馬新偉等[21]研究出的電容傳感器測量法利用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的原理得到測頭與被測對象之間的距離。該方法以其高精度受到研究者們青睞，而且該方法測量全程都在試模中進行，因此，可以從很早期開始測量，得到混凝土收縮變形的全過程數據。巴恒靜等[22]提出的渦流傳感器測量法通過計算兩頭與傳感器之間的距離之和隨時間的變化，從而換算出混凝土的收縮值，再從中減去溫度變化引起的溫度變形值，即可得到混凝土的自收縮值。該方法可以從6 h齡期開始，而且可以通過滑動軌道實現一對傳感器對多個試件進行測量。也有人采用電位器式位移傳感器LVDT輔助測量。GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定了普通混凝土約束狀態下早齡期混凝土與外界隔絕濕交換的條件下自收縮變形的測定。該方法采用特定棱長的棱柱體試件，將不銹鋼測頭預埋于端部，試件成型l d后拆模，標準養護3 d后置于恒定溫度、隔絕濕交換的環境中，采用反射靶與混凝土試件協同變形的方式表征混凝土試件的收縮。該方法只能測試自成型后的收縮變形，忽略了未成型前的早期自收縮。

非接觸式混凝土自收縮測量法避免了混凝土早期強度不足與傳感器發生相對滑移而產生的誤差，也解決了大部分方法中需要拆模才能進行自收縮測試的問題，同時，自動連續的測量更便于試驗人員收集數據，在試驗時間空間上也更加自由。但是非接觸法測混凝土自收縮也不能避免模具約束對混凝土收縮變形的影響，因此，非接觸傳感器是否能夠真實準確地反映混凝土的自收縮還需再論證。

2.3 波紋管法

波紋管法即采用波紋管作為自收縮測試模具進行自收縮測試，該測試方法在漿體成型后即可測試，克服了脫模測試的弊端，且大大減少了早期強度不足時試件與剛性管的摩擦問題，將體積法與長度法所長集于一身，達到自最早期起的全過程測試目的，滿足自動連續化測試的要求，實現了較高精確度的測試。

國外學者Jensen等最早提出將波紋管作為模具來測試混凝土的自收縮，他認為混凝土漿體所產生的自收縮變形可用波紋管的縱向伸縮間接表征，他的方法可以自澆筑1 h即開始測量自收縮，而且能連續監測并有效地避免由于重力、溫差和模具摩擦約束產生的誤差[23-24]。這種測試方法也得到了Bouasker M等[25]眾多研究者的驗證與認可，基于此，美國于2009年發布ASTM C1698[26]規范文件，為混凝土自收縮測試提供了標準的波紋管法。

國內有研究者[27]提出將電渦流非接觸式位移傳感器作為千分表的升級裝置來實現自動采集數據。朱建強等[28]利用波紋管法測量自收縮發現，與其他方法相比,波紋管法能直接準確地測量早期自收縮；田倩等[8]對波紋管法測自收縮技術作了一些討論，解釋了波紋管法的原理,研究了波紋管的材質等對測試結果的影響，并認為在混凝土終凝后這些因素的影響甚微，可以忽略。施惠生等[29]對比分析了波紋管法和行業標準JC/T 313—1980《膨脹水泥膨脹率試驗方法》，測試發現波紋管法能更準確地測量水泥漿體的早期自收縮。還有人[30-32]通過改進波紋管試驗測量,得到各組成部分對混凝土自收縮的影響。冷發光等[9]指出波紋管法測試技術需要解決的主要問題為波紋管與支撐面之間的摩擦、波紋管端塞的密封性和測試期內混凝土的溫度控制。這都說明了國內研究者對波紋管法測試技術的認可和關注，然而國內目前尚無相應的規范。

3 結語

本文從測試原則和測試方法兩個方面闡述了混凝土自收縮測試技術的研究發展：

(1)混凝土自收縮測試的試驗中，起始時間的確定很大程度上影響了測試的準確性；測試環境必須保持恒溫恒濕，還必須考慮模具的材料性能；在測試過程中要設法排除溫度和泌水對測試結果的影響。

(2)混凝土自收縮測試方法主要有體積法、長度法和波紋管法。體積法雖然可以實現測試最早期混凝土的自收縮，但是由于其測試模具本身的性能會影響測試結果的準確性，而且無法實現測量自動化和數據的連續性；長度法與體積法相比，測試更加偏向自動化和數字化，但是大多無法測量早期強度不足的混凝土自收縮；波紋管法取體積法與長度法所長，實現了混凝土自收縮全過程、自動化的精準測試，但是其模具的密封性和測試的準確性也需要進一步探討。混凝土自收縮各個測試方法的優缺點及適用范圍見表1。

表1 混凝土自收縮測試方法

(3)國內外雖然對自收縮測試方法有規定，但是研究者們更愿意使用各自研發的自收縮測試裝置，測試影響因素不一致，這導致業內交流不暢。

(4)隨著自收縮測試方法的不斷完善，自收縮測試準確性的評價體制顯得更加迫切，比如制定出業內能夠普遍認同的自收縮起始時間等。