1.引言
隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展，高強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，近年來國內(nèi)外許多大型工程正是因為使用了商品高強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，還會對結(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)中的一項亟待解決的課題。
據(jù)統(tǒng)計，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。在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)高強混凝土、自密實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，密封的高強混凝土的抗折強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而降低等。對于普通混凝土來說，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，因而過去人們對早期收縮的研究很少。與普通混凝土不同，高強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礦物摻合料時，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。因此對于具有低水膠比、高膠凝材料量或者磨細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，人們把研究的重點放在了混凝土收縮的作用機理、影響因素和改善收縮的方法上，而高強混凝土早期收縮的測試方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文在對比和分析國內(nèi)外收縮測量方法的基礎(chǔ)上，對早期收縮的試驗方法、試驗裝置、適用性等方面做了較詳細的分析和評價。對促進相關(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)中的微細孔內(nèi)自由水量的不足，使水泥石內(nèi)部供水不足，相對濕度自發(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，而是因為水泥水化時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，混凝土體的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對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干燥收縮減小，而自生收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5 時，其自干燥作用的收縮與干縮相比小得可以忽略不計；但是當(dāng)水灰比小于0.35 時，體內(nèi)相對濕度會很快降低到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。因此自生收縮是遠遠小于化學(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，因為在這以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對濕度降低，水化速度變慢。換句話說，在模板拆除之前，高強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)于混凝土收縮的測量各國還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者根據(jù)實際情況選擇不同的測量方法。其中大多數(shù)研究者是在混凝土終凝時或成型后1d 齡期時開始測量。Tazawa 和Myiazawa 認為，在水膠比特別小時，混凝土的早期收縮可能比隨后測得的收縮更為重要。Serge Lepage 等人的試驗結(jié)果為水灰比0.30，水泥用量450 ㎏/m3 時混凝土在成型后24h 內(nèi)的收縮占28d 齡期時收縮總量的63%左右。如果它按常規(guī)試驗方法，還測不到真實收縮量的1/2。目前已有學(xué)者開始重視高強混凝土早期收縮的研究，從而也發(fā)展出一些測量早期收縮的方法，但這些方法各有利弊，還需要進一步改進。因此，研究新的試驗方法以測量真實的收縮值是十分必要的。測試方法不僅要保證試件處于恒溫絕濕的條件，同時要保證試件的收縮不受外部因素而限制。
3 早期收縮試驗與量測方法評價
混凝土收縮一般采用線形試件測量整個長度內(nèi)的平均變形值，國標(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)埋不銹鋼測頭，試件成型1d 后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護3d 后置于20℃、相對濕度RH60%的干燥環(huán)境中，并以其作為測量的起點，用千分表測量試件兩測頭間長度隨齡期的變化。該方法對普通混凝土是適合的，因為普通混凝土的干縮占總收縮的絕大部分，用干燥收縮代替總收縮不會引起較大的誤差。但對低水膠比的高強混凝土，該方法并不適用。高強混凝土早期水化劇烈，相對于稍后的干燥收縮，超早期的收縮顯得更為重要，國標(biāo)GBJ82-85的方法 顯然忽略了大部分的早期收縮。為解決這個矛盾，必須從更早的齡期，甚至在混凝土終凝后尚未拆模時就開始測量，既要能精確地觀測到早期的收縮，又不能對混凝土產(chǎn)生擾動而限制其收縮，同時要消除混凝土早期沉實、試件和模板間的摩擦等對測量結(jié)果的影響。
目前，高強混凝土早期收縮的測量方法可歸納為：
①傳感器法：線性可變示差傳感器（LVDT）、電感應(yīng)式傳感器、振動電圈儀、埋入式應(yīng)
變片等；
②光學(xué)測量法：激光測量儀、光學(xué)顯微測量儀；
③千分表法：兩端預(yù)埋或側(cè)面粘貼收縮測頭測量：
④體積法：測量體積變化。
其中，傳感器法是在混凝土澆注成型時埋入不同傳感器，混凝土收縮時就會對傳感器產(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)測量傳感器輸出的電信號來換算出混凝土產(chǎn)生的收縮值。傳感器測量精度高，認為誤差小，通常能連續(xù)自動記錄。但這種方法一般不適用于早期處于塑性階段的混凝土，而且價格昂貴。
光學(xué)測量法是利用兩個光點之間距離變化進行測量，是一種非接觸式測量方法。千分表法測量收縮具有操作簡單、投資少等優(yōu)點，但誤差較大。體積法是利用阿基米德定律，測量混凝土（或水泥砂漿）的水中質(zhì)量隨時間的變化，從而得到浮力變化情況，即混凝土自生體積變化情況。用體積法測量時，注意將混凝土的膠套內(nèi)空氣排凈，否則影響測量結(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，混凝土沉實和自重對桿支座產(chǎn)生的壓應(yīng)力，可能引起金屬桿轉(zhuǎn)動而給 測量帶來較大誤差。其次，很難評價所測得的水平位移到底是整個模具長度內(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：為克服上述嵌入測量的缺點，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不可避免的會受到模板上孔的影響，測量結(jié)果可能包含因混凝土沉實造成的膨脹位移，并且混凝土沉實對LVDT 產(chǎn)生的豎向壓力，也會給水平測量帶來誤差。
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，混凝土沉實就不會對測量產(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)生的反射脈沖來測量混凝土收縮，模具需由對金屬放射無影響的類似聚氯乙烯（PVC）塑料的材料組成。從不同的試驗裝置來看，在國外，A .Radocea 通過在混凝土試件兩端分別埋入兩個線性差動位移傳感器監(jiān)測混凝土早期體積的變形（見圖1）這種方法操作簡單，受人為影響小，但在測量時，每個混凝土試件都配備兩個傳感器，而且在測量過程中不能移動，造價高，此外，該測值不包含早期干縮。
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，從而通過一個電磁激振器測量線振儀的共振頻率隨時間的變化就可以測量出混凝土的體積變化。對于線振儀應(yīng)有適當(dāng)?shù)膭偠?，剛度大容易埋置，但對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，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反映出混凝土的變形，還值得探討。
在國內(nèi)，曾有人采用100 ㎜×100 ㎜×324 ㎜的試件，利用兩端固定千分表測量混凝土早期收縮，測量過程中要避免試?；蚯Х直砑苁艿秸駝樱覍γ總€試件配兩個千分表，測量過程中不能替換。如果測量齡期延長，測量試件數(shù)量增加時，需要這種裝置的數(shù)量增加、占用空間多，而且不能實現(xiàn)自動控制和自動數(shù)據(jù)采集處理。測試值不包含早期干縮。試驗裝置如圖3 所示.
我國水工混凝土試驗規(guī)程建議采用埋入差動式電阻應(yīng)變計的方法測量混凝土收縮。雖然該方法精度較高（5.8×10－6），但是當(dāng)早期混凝土尚無足夠強度時，應(yīng)變計無法與混凝土同步變形，而且這種應(yīng)變計價格昂貴、無法重復(fù)利用，故其應(yīng)用也受到限制。該方法的測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量方法。如圖4 所示?；炷猎嚰某叽邕x定為100 ㎜×100 ㎜×400 ㎜?；炷翝沧⒌皆嚹?nèi)立即密封，帶模測量收縮，如果測量數(shù)據(jù)多，測量齡期長，對1d 后的收縮也可在拆模后密封試件進行測量。試驗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)、溫度測定儀以及滑動
軌道等。為減小試模對混凝土收縮的約束作用，密封試模內(nèi)底層襯一層特富綸，同時四周用塑料薄膜密封嚴(yán)實，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頭為ф20的孔。試驗前將微位移傳感器與測頭間距調(diào)整在1 ㎜左右，整個試驗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頭間距離，其精度高達0.1μｍ。測溫設(shè)備采用數(shù)字溫度測定儀，可同時測量20 個點的溫度。通過滑動軌道系統(tǒng)可以實現(xiàn)使用一對傳感器對多個試件進行測量，在軌道上的臺座上放置試模或試塊，根據(jù)需要可在臺座上設(shè)計出多個按放試模的位置，在軌道上設(shè)置與設(shè)計臺座上試模位置相對應(yīng)的卡槽，臺座在軌道上每移到一個卡槽處就對應(yīng)地測量一個試件。該方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，尤其是測量早期收縮。該方法的測試結(jié)果不包含早期干縮。不足之處是不能實現(xiàn)自動控制測量。
4 結(jié)束語
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。高強混凝土由于低水膠比而
在早期就產(chǎn)生很大的收縮，這時混凝土強度還不高，往往導(dǎo)致早期微裂縫的形成。因而對于
高強混凝土，研究其早期收縮意義重大?；炷潦湛s試驗的關(guān)鍵是如何通過合適試驗手段精
確測量早期的收縮，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)試驗方法，以
滿足目前高強高性能混凝土發(fā)展的需要。
參 考 文 獻
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