混凝土變形測量方法及分析

王金盛 汪 新 龍躍凌

（廣東工業大學 土木與交通工程學院）

0 引言

現代建筑多為混凝土結構，混凝土澆筑成型后，由于其水化硬化過程會不斷消耗水分，出現體積收縮的現象，加上環境的變化也會對材料產生影響，這會使混凝土產生裂縫，嚴重的甚至會出現貫穿型的通縫，嚴重影響結構的性能，這是造成工程事故的主要原因[1]。因此，關于混凝土的變形這一問題一直受到人們關注，這使得混凝土變形的測量方法也逐漸得到關注。目前，針對混凝土變形測量的方法豐富多樣，但是測量方法和設備不盡相同，其測量原理及測量精度均有較明顯差異。已有研究證明[2-3]，多數試驗測量方法單一、重復試件少、精度低，對實際工程的指導意義有限。本文根據規范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082—2009）[4], 針對接觸法和非接觸法在混凝土自由變形和約束變形測量中的具體應用進行綜述，供工程實際參考。

1 混凝土變形測量方法

1.1 測量原理

混凝土會隨著水泥水化、水泥石的碳化和水蒸發等原因而產生變形，其中有自由變形和約束變形。自由變形是指混凝土在變形過程中沒有受到約束而產生的變形，約束變形是指混凝土在變形過程中受到鋼筋、鋼管、FRP 等材料的約束而產生的變形。多數學者基于此原理設計了混凝土變形的測量裝置。

1.2 混凝土自由變形測量

我國標準中建議采用非接觸式混凝土收縮變形測定儀來測定混凝土自由變形，這種方法雖然精度較好，但需要專用的模具和測量設備，因此該方法受到了一定的限制。巴恒靜等人[5]針對測量混凝土的早期收縮提出了一種非接觸式感應式早期收縮測量儀，如圖1 所示，試驗裝置主要由密封模具、微位移傳感器、溫度測定儀及滑動軌道組成，模具底部有一層減摩的特富綸。其測量原理是通過傳感器輸出的電壓值來反映傳感器端頭與鋼測頭之間的距離，從而得到出混凝土的變形值。

圖1 非接觸感應式混凝土早期收縮測量儀

韓帥和袁強松[6-7]通過百分表接觸式測量方法測量了蠟封后的棱柱體試塊的變形，如圖2 所示，該裝置主要由表架和百分表組成，底部是20mm 的平整鋼板。

圖2 百分表接觸式測量儀

Zhang 等人[8-9]為了測量混凝土的膨脹，提出了一種測量早期混凝土變形的非接觸式裝置。見圖3。該裝置由一個聚甲基丙烯酸甲酯（PMPA）模具、不銹鋼計量螺柱和線性位移計（LVDT）組成，其中LVDT 用于測量螺柱的位移。模具內裝有四個2mm 厚的可拆卸PMMA 板，底面鋪了一層厚度為1mm 的聚四氟乙烯薄膜，用于減少混凝土與模具之間的摩擦。待混凝土凝固后（大約澆筑后2 小時），移除PMMA 板，使用塑料膜包裹混凝土棱柱，然后將混凝土棱柱放入恒溫濕室中。期間，LVDT 與采集儀連接，可根據需要設置采集頻率。

圖3 LVDT 接觸式混凝土收縮測量儀

1.3 混凝土約束變形的測量

由于膨脹劑、輕骨料等新材料在鋼管混凝土、FRP約束混凝土的廣泛使用，許多學者對約束混凝土構件的變形測量進行了研究。

對于鋼管/FRP 管約束混凝土，文獻[6-7,10-14]中均是在管的外表面1/2～1/4 高度處以環向均勻布置若干個應變片，如圖4 所示。當核心混凝土膨脹時，外管受到混凝土的軸向和徑向應力而產生相應的軸向和環向拉伸應力，同時混凝土處于三向壓縮應力的作用下，外管和混凝土的受力圖如圖5 所示。測量得到的外管軸向應變和環向應變，可根據公式⑴和⑵計算得到外管的軸向應力和環向應力，然后再根據公式⑶和⑷計算得到混凝土的徑向應力和軸向應力。

圖4 鋼管應變片布置圖

圖5 鋼管及混凝土受力圖

式中：

σz、σθ——外管的軸向應力和環向應力；

εθ、εz——外管的環向應變和軸向應變；

Es——外管的彈性模量（MPa）；

μ——外管的泊松比；

σch、σcz——核心混凝土的徑向應力和軸向應力；

t——鋼管壁厚（mm）；

D——鋼管外直徑（mm）。

李長成等[15]采用具有自動對中功能的鋼絲式限制膨脹混凝土測定儀，如圖6 所示。該裝置主要由混凝土模具、縱向限制器、千分表和測量鋼絲組成。該裝置主要通過萬向鉤子將測量鋼絲與電子千分表連接，從而實現自動對中，當混凝土變形時，測量鋼絲會帶動電子千分表，從而得到混凝土的變形值。

圖6 自對中鋼絲式限制膨脹率測定儀

2 測量方法分析

上述測量方法各有其特點和優缺點。

優點：①非接觸感應式混凝土早期收縮測量儀可實現早期混凝土變形的測量，并且可在滑道上增加臺座從而增加測量試件，減少人為測量的影響，而且只需要一臺測量設備，精度可達0.1μm；②百分表接觸式測量方法的裝置簡單，成本較低；③LVDT 接觸式混凝土收縮測量儀方法可減少人為的影響并且可以實現自動測量，大大提高了測量精度；④使用應變片測量鋼管/FRP 管約束混凝土變形的方法優點在于布點靈活，精度較高，且可連續測量；⑤自對中鋼絲式限制膨脹率測定儀相對于傳統的限制測定儀來說，支架上的測量鋼絲可自動完成與電子千分表對中，消除了立式架法中試件對模具的沖擊以及人為對中產生的誤差，增加了測量的精度。

缺點：①非接觸感應式混凝土早期收縮測量儀無法進行自動檢測，需要推動臺座才能測量，當試件多時占地大，較不方便；②百分表接觸式測量方法未使用測量銅釘，混凝土下表面的平整度對試驗結果也有一定的影響，而且試件還需克服重力作用，所以測量精度稍差，僅為0.01mm；③使用應變片測量鋼管/FRP 管約束混凝土變形的方法受試件尺寸和環境溫度的影響較大，隨著試件尺寸增大，混凝土初期的水化熱和后期環境溫度對結果的影響會越發明顯；④自對中鋼絲式限制膨脹率測定儀的試驗設備比較復雜，需要人工讀數。除此之外，測量設備的測頭和被測面的位置、測量開始的時間和環境等因素都會對試驗結果造成不利的影響。

3 結論

現階段對混凝土的變形測量，測量設備的精度已越來越高，逐漸使用全自動采集數據，以減少人為測量的誤差。這樣的測量方法顯著提高了混凝土早期變形測量的精確性和效率，降低了勞動強度和試驗成本。但是，測量過程中還是存在一些誤差，除了應該采用高精度設備以外，還應該選擇合適的測試環境條件，如溫度、濕度和測量時間等，進一步優化混凝土變形測量的方法。

本研究認為，混凝土變形測量將有以下兩個主要發展方向：

⑴采用更高精度的設備裝置測量混凝土的變形，實現早期和脫模后兩階段的精確測量。

⑵降低試件模具、溫度等對早期混凝土變形的影響，提高測量的準確度。