1.引言
隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)混凝土目前在工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是值得注意的是，高強(qiáng)混凝土在工程中的廣泛應(yīng)用還存在著不足之處，那就是裂縫問題。據(jù)調(diào)查，近年來國(guó)內(nèi)外許多大型工程正是因?yàn)槭褂昧松唐犯邚?qiáng)混凝土而普遍存在著嚴(yán)重的裂縫問題。這些裂縫的存在，不但影響建筑物的外觀、使用功能，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性構(gòu)成威脅。因此，如何減少混凝土裂縫，提高高強(qiáng)混凝土的抗裂性和耐久性便成了混凝土工程技術(shù)中的一項(xiàng)亟待解決的課題。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土結(jié)構(gòu)開裂有80%是因變形引起的，而混凝土的體積變形主要表現(xiàn)為收縮?；炷恋氖湛s現(xiàn)象早在60 多年前就由Davis 和Lyman 提出，同時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土自生能夠收縮，質(zhì)量和溫度沒有任何變化。從20 世紀(jì)90 年代開始，隨著高強(qiáng)高性能混凝土的廣泛應(yīng)用，混凝土的收縮現(xiàn)象越來越引起人們的關(guān)注。在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝土和大體積混凝土的收縮現(xiàn)象是非常顯著的，比如混凝土在恒溫水養(yǎng)的條件下仍然開裂，密封的高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低等。對(duì)于普通混凝土來說，收縮通常發(fā)生在脫模前、而大部分發(fā)生在脫模后的混凝土內(nèi)部，因而過去人們對(duì)早期收縮的研究很少。與普通混凝土不同，高強(qiáng)混凝土的收縮大部分發(fā)生在早期，使混凝土在一開始便出現(xiàn)大量微裂紋；研究表明，當(dāng)普通混凝土中摻入超細(xì)礦物摻合料時(shí)，較高溫度下的早期收縮應(yīng)變發(fā)展很快，而后期的收縮應(yīng)變要低于低溫下的收縮值。因此對(duì)于具有低水膠比、高膠凝材料量或者磨細(xì)礦渣置換率較高的混凝土，考慮它們的早期收縮是非常重要的。所以，近來以低水膠比為特征的高強(qiáng)混凝土的收縮現(xiàn)象受到人們的廣泛研究。
從目前混凝土收縮的研究現(xiàn)狀來看，人們把研究的重點(diǎn)放在了混凝土收縮的作用機(jī)理、影響因素和改善收縮的方法上，而高強(qiáng)混凝土早期收縮的測(cè)試方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文在對(duì)比和分析國(guó)內(nèi)外收縮測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，對(duì)早期收縮的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)裝置、適用性等方面做了較詳細(xì)的分析和評(píng)價(jià)。對(duì)促進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及為結(jié)構(gòu)早期裂縫控制和耐久性研究提供參考。
2 早期收縮測(cè)試的重要性
混凝土的早期收縮包括塑性收縮、早期干縮、早期化學(xué)減縮、早期自生收縮。所謂自生收縮，就是混凝土并非由于外部環(huán)境相對(duì)濕度的影響引起材料的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的微細(xì)孔內(nèi)自由水量的不足，使水泥石內(nèi)部供水不足，相對(duì)濕度自發(fā)的減少而引起的自干燥，并導(dǎo)致了混凝土的收縮變形。因此，此類收縮在作用機(jī)理方面不同于干燥收縮和化學(xué)減縮。自生收縮與干燥一樣，都是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對(duì)濕度降低，體積減小。水灰比的變化對(duì)干燥收縮和自生收縮的影響正相反，即當(dāng)混凝土的水灰比降低時(shí)干燥收縮減小，而自生收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5 時(shí)，其自干燥作用的收縮與干縮相比小得可以忽略不計(jì)；但是當(dāng)水灰比小于0.35 時(shí)，體內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)很快降低到80%以下，自生收縮與干縮則接近各占一半?；瘜W(xué)減縮是造成收縮的主要原因，但與自生收縮之間沒有直接關(guān)系?；瘜W(xué)減縮是在有足夠水供應(yīng)的情況下觀察到的，而自生收縮是在沒有足夠水供應(yīng)的情況下宏觀體積的變化。因此自生收縮是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)減縮的。自生收縮在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的收縮集中發(fā)生于混凝土拌合后的早齡期，因?yàn)樵谶@以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對(duì)濕度降低，水化速度變慢。換句話說，在模板拆除之前，高強(qiáng)混凝土的收縮大部分已經(jīng)產(chǎn)生，甚至已經(jīng)完成，而不像普通混凝土，許多構(gòu)件的收縮都發(fā)生在拆模以后。
目前，關(guān)于混凝土收縮的測(cè)量各國(guó)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的測(cè)量方法。其中大多數(shù)研究者是在混凝土終凝時(shí)或成型后1d 齡期時(shí)開始測(cè)量。Tazawa 和Myiazawa 認(rèn)為，在水膠比特別小時(shí)，混凝土的早期收縮可能比隨后測(cè)得的收縮更為重要。Serge Lepage 等人的試驗(yàn)結(jié)果為水灰比0.30，水泥用量450 ㎏/m3 時(shí)混凝土在成型后24h 內(nèi)的收縮占28d 齡期時(shí)收縮總量的63%左右。如果它按常規(guī)試驗(yàn)方法，還測(cè)不到真實(shí)收縮量的1/2。目前已有學(xué)者開始重視高強(qiáng)混凝土早期收縮的研究，從而也發(fā)展出一些測(cè)量早期收縮的方法，但這些方法各有利弊，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。因此，研究新的試驗(yàn)方法以測(cè)量真實(shí)的收縮值是十分必要的。測(cè)試方法不僅要保證試件處于恒溫絕濕的條件，同時(shí)要保證試件的收縮不受外部因素而限制。
3 早期收縮試驗(yàn)與量測(cè)方法評(píng)價(jià)
混凝土收縮一般采用線形試件測(cè)量整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)的平均變形值，國(guó)標(biāo)GBJ82-85 規(guī)定了普通混凝土干燥收縮的標(biāo)準(zhǔn)方法：100 ㎜×100 ㎜×515 ㎜的棱柱體試件，端部預(yù)埋不銹鋼測(cè)頭，試件成型1d 后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d 后置于20℃、相對(duì)濕度RH60%的干燥環(huán)境中，并以其作為測(cè)量的起點(diǎn)，用千分表測(cè)量試件兩測(cè)頭間長(zhǎng)度隨齡期的變化。該方法對(duì)普通混凝土是適合的，因?yàn)槠胀ɑ炷恋母煽s占總收縮的絕大部分，用干燥收縮代替總收縮不會(huì)引起較大的誤差。但對(duì)低水膠比的高強(qiáng)混凝土，該方法并不適用。高強(qiáng)混凝土早期水化劇烈，相對(duì)于稍后的干燥收縮，超早期的收縮顯得更為重要，國(guó)標(biāo)GBJ82-85的方法 顯然忽略了大部分的早期收縮。為解決這個(gè)矛盾，必須從更早的齡期，甚至在混凝土終凝后尚未拆模時(shí)就開始測(cè)量，既要能精確地觀測(cè)到早期的收縮，又不能對(duì)混凝土產(chǎn)生擾動(dòng)而限制其收縮，同時(shí)要消除混凝土早期沉實(shí)、試件和模板間的摩擦等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
目前，高強(qiáng)混凝土早期收縮的測(cè)量方法可歸納為：
①傳感器法：線性可變示差傳感器（LVDT）、電感應(yīng)式傳感器、振動(dòng)電圈儀、埋入式應(yīng)
變片等；
②光學(xué)測(cè)量法：激光測(cè)量?jī)x、光學(xué)顯微測(cè)量?jī)x；
③千分表法：兩端預(yù)埋或側(cè)面粘貼收縮測(cè)頭測(cè)量：
④體積法：測(cè)量體積變化。
其中，傳感器法是在混凝土澆注成型時(shí)埋入不同傳感器，混凝土收縮時(shí)就會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生擠壓作用，使通過傳感器輸出的電磁效應(yīng)產(chǎn)生變化，從而通過連續(xù)測(cè)量傳感器輸出的電信號(hào)來?yè)Q算出混凝土產(chǎn)生的收縮值。傳感器測(cè)量精度高，認(rèn)為誤差小，通常能連續(xù)自動(dòng)記錄。但這種方法一般不適用于早期處于塑性階段的混凝土，而且價(jià)格昂貴。
光學(xué)測(cè)量法是利用兩個(gè)光點(diǎn)之間距離變化進(jìn)行測(cè)量，是一種非接觸式測(cè)量方法。千分表法測(cè)量收縮具有操作簡(jiǎn)單、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但誤差較大。體積法是利用阿基米德定律，測(cè)量混凝土（或水泥砂漿）的水中質(zhì)量隨時(shí)間的變化，從而得到浮力變化情況，即混凝土自生體積變化情況。用體積法測(cè)量時(shí)，注意將混凝土的膠套內(nèi)空氣排凈，否則影響測(cè)量結(jié)果。
從LVDT 傳感器的設(shè)置方式來看，有嵌入式、懸掛式、內(nèi)置式、表面?zhèn)鞲衅?、非接觸式。
①嵌入式：在棱柱體模具中放置兩根豎向金屬桿，金屬桿與LVDT 相連，以桿頂端的水平位移反映混凝土收縮的大小。該方法有如下問題：首先，混凝土沉實(shí)和自重對(duì)桿支座產(chǎn)生的壓應(yīng)力，可能引起金屬桿轉(zhuǎn)動(dòng)而給 測(cè)量帶來較大誤差。其次，很難評(píng)價(jià)所測(cè)得的水平位移到底是整個(gè)模具長(zhǎng)度內(nèi)試件的軸向收縮還是僅為靠近上表面處的收縮。
②懸掛式：為克服上述嵌入測(cè)量的缺點(diǎn)，有研究者提出將金屬桿通過支座和橫軸掛在混凝土試件的上方。這樣由于金屬桿未通過整個(gè)試件厚度，能夠消除支座產(chǎn)生附加傾角的影響，但這并不能完全解決混凝土沉實(shí)的影響。
③內(nèi)置式：挪威和瑞典的研究者利用置于試件中部的LADT 來量測(cè)收縮。這解決了混凝土表面約束的影響，但在安置LVDT 之處，與模板交界的混凝土?xí)胁淮_定的影響，澆搗混凝土?xí)r不可避免的會(huì)受到模板上孔的影響，測(cè)量結(jié)果可能包含因混凝土沉實(shí)造成的膨脹位移，并且混凝土沉實(shí)對(duì)LVDT 產(chǎn)生的豎向壓力，也會(huì)給水平測(cè)量帶來誤差。
④表面?zhèn)鞲衅鳎航鼇碛醒芯空邔⑤p質(zhì)傳感器置于混凝土材料表面量測(cè)收縮。采用這種方法，只要傳感器在混凝土表面保持水平，混凝土沉實(shí)就不會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。
⑤非接觸式：采用不需要接觸的傳感器，比如利用預(yù)埋在試件中的金屬反射體產(chǎn)生的反射脈沖來測(cè)量混凝土收縮，模具需由對(duì)金屬放射無(wú)影響的類似聚氯乙烯（PVC）塑料的材料組成。從不同的試驗(yàn)裝置來看，在國(guó)外，A .Radocea 通過在混凝土試件兩端分別埋入兩個(gè)線性差動(dòng)位移傳感器監(jiān)測(cè)混凝土早期體積的變形（見圖1）這種方法操作簡(jiǎn)單，受人為影響小，但在測(cè)量時(shí)，每個(gè)混凝土試件都配備兩個(gè)傳感器，而且在測(cè)量過程中不能移動(dòng)，造價(jià)高，此外，該測(cè)值不包含早期干縮。
Serge Lepage 等人在混凝土中埋入線振儀（如圖2 所示），這種線振儀里面包含一個(gè)金屬弦，而金屬弦的共振頻率與它所受壓力有一定函數(shù)關(guān)系，從而通過一個(gè)電磁激振器測(cè)量線振儀的共振頻率隨時(shí)間的變化就可以測(cè)量出混凝土的體積變化。對(duì)于線振儀應(yīng)有適當(dāng)?shù)膭偠?，剛度大容易埋置，但?duì)混凝土的早期收縮不敏感；剛度太小，雖然靈敏度高但卻不容易埋置和操作。同時(shí)，早期混凝土能否與這種傳感器粘結(jié)良好，傳感器的變形是否真實(shí)反映出混凝土的變形，還值得探討。
在國(guó)內(nèi)，曾有人采用100 ㎜×100 ㎜×324 ㎜的試件，利用兩端固定千分表測(cè)量混凝土早期收縮，測(cè)量過程中要避免試?；蚯Х直砑苁艿秸駝?dòng)，而且對(duì)每個(gè)試件配兩個(gè)千分表，測(cè)量過程中不能替換。如果測(cè)量齡期延長(zhǎng)，測(cè)量試件數(shù)量增加時(shí)，需要這種裝置的數(shù)量增加、占用空間多，而且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理。測(cè)試值不包含早期干縮。試驗(yàn)裝置如圖3 所示.
我國(guó)水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程建議采用埋入差動(dòng)式電阻應(yīng)變計(jì)的方法測(cè)量混凝土收縮。雖然該方法精度較高（5.8×10－6），但是當(dāng)早期混凝土尚無(wú)足夠強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)變計(jì)無(wú)法與混凝土同步變形，而且這種應(yīng)變計(jì)價(jià)格昂貴、無(wú)法重復(fù)利用，故其應(yīng)用也受到限制。該方法的測(cè)試值也不包含早期干縮。
巴恒靜提出一種新型非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測(cè)量方法。如圖4 所示?；炷猎嚰某叽邕x定為100 ㎜×100 ㎜×400 ㎜。混凝土澆注到試模內(nèi)立即密封，帶模測(cè)量收縮，如果測(cè)量數(shù)據(jù)多，測(cè)量齡期長(zhǎng)，對(duì)1d 后的收縮也可在拆模后密封試件進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)裝置主要由以下幾部分組成：密封試模、微位移傳感器系統(tǒng)、溫度測(cè)定儀以及滑動(dòng)
軌道等。為減小試模對(duì)混凝土收縮的約束作用，密封試模內(nèi)底層襯一層特富綸，同時(shí)四周用塑料薄膜密封嚴(yán)實(shí)，根據(jù)需要也可給試模加上密封蓋。試模的短向板留有安裝測(cè)頭為ф20的孔。試驗(yàn)前將微位移傳感器與測(cè)頭間距調(diào)整在1 ㎜左右，整個(gè)試驗(yàn)過程中不允許再做調(diào)整，傳感器的輸出為電壓值，它的大小能直接反映出傳感器端頭與測(cè)頭間距離，其精度高達(dá)0.1μｍ。測(cè)溫設(shè)備采用數(shù)字溫度測(cè)定儀，可同時(shí)測(cè)量20 個(gè)點(diǎn)的溫度。通過滑動(dòng)軌道系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)使用一對(duì)傳感器對(duì)多個(gè)試件進(jìn)行測(cè)量，在軌道上的臺(tái)座上放置試?；蛟噳K，根據(jù)需要可在臺(tái)座上設(shè)計(jì)出多個(gè)按放試模的位置，在軌道上設(shè)置與設(shè)計(jì)臺(tái)座上試模位置相對(duì)應(yīng)的卡槽，臺(tái)座在軌道上每移到一個(gè)卡槽處就對(duì)應(yīng)地測(cè)量一個(gè)試件。該方法克服了以往測(cè)量手段的不足，適合于精確測(cè)量各種體積變形，尤其是測(cè)量早期收縮。該方法的測(cè)試結(jié)果不包含早期干縮。不足之處是不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制測(cè)量。
4 結(jié)束語(yǔ)
混凝土的自生收縮與化學(xué)減縮既有一定聯(lián)系又不完全相同。高強(qiáng)混凝土由于低水膠比而
在早期就產(chǎn)生很大的收縮，這時(shí)混凝土強(qiáng)度還不高，往往導(dǎo)致早期微裂縫的形成。因而對(duì)于
高強(qiáng)混凝土，研究其早期收縮意義重大?；炷潦湛s試驗(yàn)的關(guān)鍵是如何通過合適試驗(yàn)手段精
確測(cè)量早期的收縮，而不是稍后的收縮。建議盡快建立混凝土早期收縮的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，以
滿足目前高強(qiáng)高性能混凝土發(fā)展的需要。
參 考 文 獻(xiàn)
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