高性能混凝土收縮開(kāi)裂性能及抑制措施研究

      引言

      高性能混凝土是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)于1990 年在美國(guó)馬里蘭州召開(kāi)的討論會(huì)上提出的：高性能混凝土是具有所要求性能和勻質(zhì)性的混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，優(yōu)質(zhì)材料配制的，便于施工，不離析，力學(xué)性能穩(wěn)定，早期強(qiáng)度高，具有較好韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。高性能混凝土改變了人們一直將注意力集中在不斷提高混凝土強(qiáng)度上面的觀念，強(qiáng)調(diào)了混凝土建筑應(yīng)具備優(yōu)越耐久性，以滿足建筑物長(zhǎng)期使用的需求。近年來(lái)，高性能能混凝土以其較高的耐久性，良好的工作性和適宜的強(qiáng)度，在我國(guó)得到了較為快速的普及和發(fā)展。但隨著建筑工程量及混凝土用量的不斷增加，涉及混凝土收縮開(kāi)裂引起裂縫問(wèn)題的工程事故不斷增多，并且大多數(shù)發(fā)生在混凝土應(yīng)用面較大的大中城市及大中型工程中。嚴(yán)重影響混凝土建筑的安全性和使用壽命。高性能混凝土具有的良好的混凝土體積穩(wěn)定性是其高耐久性的主要因素之一?；炷恋目故湛s開(kāi)裂性能則是混凝土體積穩(wěn)定性的重要方面?？梢?jiàn)，高性能混凝土收縮開(kāi)裂性能的研究對(duì)于解決混凝土開(kāi)裂等問(wèn)題，是較為關(guān)鍵且迫切的。

 

      近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)混凝土抗裂性問(wèn)題十分關(guān)注，并在這方面進(jìn)行了研究和探索，取得了不少有意義的成果?？v觀國(guó)內(nèi)外有關(guān)混凝土抗裂性的研究，眾多的研究成果對(duì)于揭示混凝土開(kāi)裂原因、尋求解決措施發(fā)揮了重要作用。

 

      2 目前研究存在的局限性問(wèn)題

      盡管已經(jīng)做了許多混凝土抗裂性研究方面的工作，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題的高度關(guān)注只是近若干年才開(kāi)始，所以對(duì)該問(wèn)題的研究與工程實(shí)踐還不夠全面、深入，要比較徹底解決混凝土工程裂縫問(wèn)題，尚有許多問(wèn)題需要研究：

 

      2.1 混凝土收縮性能和抗裂性能測(cè)試技術(shù)研究

      我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)，混凝土質(zhì)量基本上是以強(qiáng)度值的高低來(lái)衡量，而忽視其變形性能等方面的問(wèn)題，導(dǎo)致混凝土的體積穩(wěn)定性缺乏有效的測(cè)試方法和控制指標(biāo)，混凝土生產(chǎn)廠家在此方面基本上處于無(wú)約束狀態(tài)，也很少做這方面的檢驗(yàn)測(cè)試工作，指導(dǎo)施工的工法與措施大多數(shù)是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。所以，在混凝土收縮性能和抗裂性能測(cè)試技術(shù)方面，尚有許多工作需要進(jìn)行：

 

      2.1.1 混凝土收縮性能測(cè)試技術(shù)

 

      目前有關(guān)混凝土自由收縮測(cè)試儀無(wú)法測(cè)量早齡期收縮值（例如我國(guó)GBJ82-85 中規(guī)定的混凝土收縮試驗(yàn)方法[13]）。國(guó)標(biāo)中混凝土收縮的測(cè)量方法存在一定的局限性：

 

      2.1.1.1 按GBJ82-85 規(guī)定，只能測(cè)量標(biāo)養(yǎng)3 天后的混凝土試件的長(zhǎng)度變化，無(wú)法反映出早齡期3 天內(nèi)試件的長(zhǎng)度變化情況。而這一階段混凝土、特別是大流動(dòng)性混凝土的變形性能變化最為頻繁與復(fù)雜，包括塑性沉降收縮、自生收縮、水泥水化的化學(xué)收縮以及混凝土表面失水產(chǎn)生的干燥收縮均發(fā)生在此階段。因此了解混凝土早期收縮對(duì)于研究早期開(kāi)裂，以及通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法以減少早期開(kāi)裂都具有重要的意義。我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土早期收縮的研究還存在一定的局限性，主要是測(cè)量手段比較落后、測(cè)量方法不統(tǒng)一、沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范、相互之間數(shù)據(jù)的可比性差，所以應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)該類問(wèn)題的研究，以期能盡快找出相對(duì)統(tǒng)一的辦法，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

 

      2.1.1.2 我國(guó)現(xiàn)行GBJ82-85 中混凝土收縮試驗(yàn)方法，一臺(tái)測(cè)試儀多個(gè)試件移動(dòng)測(cè)試，造成

測(cè)試系統(tǒng)誤差大，所得數(shù)據(jù)難以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

 

      2.2.1 混凝土抗裂性能測(cè)試技術(shù)測(cè)試評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性能，不僅要測(cè)試混凝土在自由狀態(tài)下的變形性能，還應(yīng)測(cè)試混凝土在約束狀態(tài)下的變形性能，后者更接近混凝土在實(shí)際工程中的使用狀況。目前，國(guó)內(nèi)外檢驗(yàn)評(píng)價(jià)混凝土在約束狀態(tài)下的抗裂性能的方法主要是圓環(huán)法、平板法和棱柱體法。這些方法也都存在著各自有優(yōu)缺點(diǎn)。

 

      圓環(huán)限制收縮開(kāi)裂試驗(yàn)方法（圓環(huán)法）最早由MIT（美國(guó)麻省理工學(xué)院）的Roy Carlson于1942 年提出[14]。近幾年國(guó)內(nèi)有學(xué)者也采用此類方法對(duì)混凝土的抗裂性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。圓環(huán)試驗(yàn)方法主要問(wèn)題是，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，敏感性差。采用圓環(huán)法測(cè)試時(shí)，試件通常要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)初始裂縫，有時(shí)甚至因敏感性差而不會(huì)出現(xiàn)。

 

      平板法最早由Kraai 于1985 年發(fā)明[4]，存在的主要問(wèn)題是試模制作要求高，可重復(fù)性差，結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理復(fù)雜。因裂縫產(chǎn)生的無(wú)規(guī)律性使得無(wú)法精確對(duì)混凝土開(kāi)裂進(jìn)行評(píng)價(jià)，使其在裂縫的量化與后期處理方面存在不足，而且平板試驗(yàn)方法只能提供部分的不均勻的約束。棱柱體法是20 世紀(jì)60 年代，德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)建筑材料和構(gòu)件檢測(cè)研究所的Springenschmid 根據(jù)道路和水工工程建設(shè)的需要，研制的一套開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)框架來(lái)研究混凝土的開(kāi)裂趨勢(shì)[3]。存在的主要問(wèn)題是，不便于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，且儀器靈敏度要求高，造價(jià)較高。

 

        總之，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)研究混凝土的強(qiáng)度及密實(shí)性的工作進(jìn)行的較多，而對(duì)體積穩(wěn)定性的研究工作則相對(duì)較少；并且，由于試驗(yàn)條件及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的限制，在混凝土開(kāi)裂趨勢(shì)增加的情況下，大部分混凝土攪拌站等混凝土生產(chǎn)單位在混凝土變形方面的試驗(yàn)工作仍基本不做，從而導(dǎo)致了混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)了因其體積穩(wěn)定性差而引起的混凝土裂縫等問(wèn)題，影響了混凝土工程質(zhì)量。因此，進(jìn)一步深入研究混凝土的變形性與抗裂性測(cè)試方法，并在大量研究的基礎(chǔ)上，相對(duì)統(tǒng)一測(cè)試評(píng)價(jià)方法，是很有必要的。

 

      2.2 有關(guān)混凝土抗裂性影響因素及影響機(jī)理、抗裂性變化規(guī)律等方面的研究成果不深入系統(tǒng)，大多是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，制約了混凝土抗裂性的控制措施研究。

      國(guó)際上對(duì)混凝土的延伸性的研究還很不深入，直接開(kāi)展開(kāi)裂試驗(yàn)研究的較少。我國(guó)這方面的工作也才剛剛展開(kāi)，混凝土原材料性能及配合比對(duì)其開(kāi)裂性能的影響不夠明確，需要作進(jìn)一步的研究。目前對(duì)高性能混凝土收縮開(kāi)裂的研究，只是沿用普通混凝土的方法做了一些工作，但對(duì)其收縮特點(diǎn)特別是早期收縮特點(diǎn)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。且混凝土原材料性能及配合比與混凝土收縮開(kāi)裂之間的關(guān)系還不很明確，使人們無(wú)法在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，把收縮開(kāi)裂較明確的考慮進(jìn)去。因此結(jié)合商品混凝土系統(tǒng)抗裂性能進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)是非常必要的。

 

      2.3 高性能混凝土抗裂性的綜合控制技術(shù)研究方面

高性能混凝土與傳統(tǒng)混凝土在原材料、配合比參數(shù)、拌合物性能等諸多方面存在著差別，有關(guān)傳統(tǒng)混凝土抗裂性的研究結(jié)果并不能完全移植。截至目前，國(guó)內(nèi)專門關(guān)于商品混凝土抗裂性的研究相對(duì)還是較少，研究的深度有限，這與我國(guó)商品混凝土年用量迅猛發(fā)展、抗裂性題日益突出的現(xiàn)狀不相適應(yīng)。其次，專門有關(guān)高性能混凝土抗裂性變化規(guī)律及變化機(jī)理的研究也不完善，從而導(dǎo)致控制其抗裂性的技術(shù)措施研究長(zhǎng)期停留于難治標(biāo)、更不治本，控制技術(shù)缺乏可靠性、系統(tǒng)性、綜合性和全面性[15-16]。

 

      3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

3.1 國(guó)內(nèi)外混凝土收縮性能測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1.1 固定接觸式混凝土收縮性能測(cè)試方法研究現(xiàn)狀

3.1.1.1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中固定接觸式混凝土收縮測(cè)量方法主要區(qū)別與比較

 

      固定接觸式測(cè)量混凝土收縮的方法，是通過(guò)預(yù)埋測(cè)頭或者后粘測(cè)頭，用與測(cè)頭接觸的測(cè)長(zhǎng)儀器來(lái)測(cè)量試件的尺寸變化，是使用最為普遍的方法。目前有關(guān)固定接觸式混凝土收縮的試驗(yàn)方法，各國(guó)研究較早，都已經(jīng)形成相對(duì)比較成熟的方法，并且寫(xiě)入各國(guó)有關(guān)混凝土收縮性能測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)內(nèi)主要在國(guó)標(biāo)GBJ 82-85[13]、中國(guó)交通JTJ270-98、中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5150-2001；國(guó)外主要的混凝土收縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，主要有美國(guó)ASTM C157 /C157M-2003，歐洲EN 標(biāo)準(zhǔn)草案 EN480-3，英國(guó)BS 標(biāo)準(zhǔn) BS1881：Part5，日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)JISA 1129：2001[21-27]等。

 

      各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)混凝土試驗(yàn)方法中都有測(cè)量混凝土長(zhǎng)度變形的內(nèi)容，都是側(cè)重對(duì)混凝土自由收縮進(jìn)行測(cè)量的試驗(yàn)方法。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中所用儀器也存在著一些差異，美國(guó)ASTM C157 采用比長(zhǎng)儀進(jìn)行測(cè)量；英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)受美國(guó)的影響較大；日本JIS A 1129 提供三套測(cè)量方法來(lái)測(cè)量混凝土試件的變形。歐洲采用接觸式傳感器來(lái)測(cè)量。我國(guó)國(guó)標(biāo)采用臥式收縮儀來(lái)測(cè)量混凝土的收縮。

 

(1) 初始長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)間與恒溫恒濕條件

      在試件初始長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)間方面各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)差異很大：我國(guó)國(guó)標(biāo)取在3 天齡期（從加水?dāng)嚢栝_(kāi)始）；美國(guó)ASTM 選用23±0.5h 拆模，然后浸入23±0.5℃飽和石灰水中，30min 后取出初測(cè)；歐洲EN480-3 采用水養(yǎng)護(hù)三天拆模，立即測(cè)量；日本JIS A 1129，24h 拆模后初測(cè)，水養(yǎng)7 天再測(cè)，以7 天測(cè)值為基準(zhǔn)值.目前各國(guó)混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的恒溫恒濕條件，溫度方面差異不大；濕度方面，國(guó)外取值一般在50±5%，我國(guó)國(guó)標(biāo)和交通、水電標(biāo)準(zhǔn)的濕度取值60±5%，取值相對(duì)比高。

 

(2) 測(cè)長(zhǎng)變化儀器原理

1）百分/千分表

      我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中收縮儀的測(cè)長(zhǎng)原理基本上是使用百分表或千分表來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度變化，收縮儀基本是臥式結(jié)構(gòu)。美國(guó)ASTMC157，英國(guó)BS1881 試驗(yàn)方法使用的比長(zhǎng)儀也是使用千分表來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度變化，都屬于立式結(jié)構(gòu)。千分表測(cè)量長(zhǎng)度變化，優(yōu)點(diǎn)在于人工測(cè)量，易于操作，設(shè)備經(jīng)濟(jì)，直觀；不足在于需要被測(cè)體有一定強(qiáng)度，試驗(yàn)測(cè)量受條件影響較大。

2）應(yīng)變計(jì)（我國(guó)電力行標(biāo)DL/T5150-2001 測(cè)自縮，日本JIS A 1129）

      優(yōu)點(diǎn)在于精度較高，而且數(shù)字顯示，不受人為因素影響；不足在于無(wú)足夠強(qiáng)度，彈性模量低，應(yīng)變計(jì)與混凝土無(wú)法同步變形，無(wú)法保證測(cè)量初期應(yīng)變計(jì)與混凝土成為一個(gè)整體，造價(jià)較高，無(wú)法重復(fù)利用；

(3）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ82-85 收縮試驗(yàn)方法在以下幾個(gè)方面存在問(wèn)題

1） 收縮的初測(cè)時(shí)間

應(yīng)用GBJ82-85 規(guī)定，在試件標(biāo)養(yǎng)3 天并且拆模后測(cè)量體積變形的方法，只能測(cè)量從標(biāo)室移入恒溫恒濕室開(kāi)始，試件的長(zhǎng)度變化，無(wú)法反映出早齡期3 天內(nèi)階段的長(zhǎng)度變化情況。對(duì)于某些水灰比較低的高性能混凝土，早期自收縮在1 天齡期（齡期從攪拌混凝土加水時(shí)算起）已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生，并且很大部分都是在這期間產(chǎn)生的。目前收縮的測(cè)量方法也無(wú)法反映出類似混凝土的真實(shí)體積變形。因此GBJ82-85 常規(guī)收縮試驗(yàn)的測(cè)定值，并不包括初始的早齡期收縮值，因此對(duì)設(shè)計(jì)和研究造成一些不利的影響。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)收縮試驗(yàn)方法中，同樣存在類似的問(wèn)題。

 

2）混凝土收縮測(cè)量?jī)x器

      國(guó)標(biāo)采用混凝土收縮儀(帶有百分表或測(cè)微器)測(cè)定收縮，但是這種方法不僅精度低，而且無(wú)法測(cè)量混凝土早期的收縮。

 

3）操作混凝土收縮儀測(cè)定收縮率時(shí)，系統(tǒng)誤差較大

      GBJ82-85 收縮試驗(yàn)方法中，測(cè)長(zhǎng)儀器采用混凝土收縮儀，該儀器并非固定，在操作中，同一臺(tái)收縮測(cè)試儀，多個(gè)試件測(cè)試時(shí)，受到多次搬動(dòng)操作以及環(huán)境的影響，造成測(cè)試的系統(tǒng)誤差較大。

3.1.1.2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究中的固定接觸式混凝土收縮測(cè)量方法研究現(xiàn)狀

      國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究中，美國(guó)Purdue大學(xué)土木系的Jason W、eiss和西北大學(xué)的Surendra Shah采用了混凝土收縮接觸式測(cè)試方法[29] (如下圖)，試件長(zhǎng)度為400mm，試模內(nèi)埋有測(cè)頭。測(cè)長(zhǎng)儀器采用千分表，千分表與測(cè)頭相接觸。缺點(diǎn)是無(wú)法保證測(cè)頭與早期混凝土的同步變形。

美國(guó)的J.G.Cabrera， F.H.Wittmann 采用了如下測(cè)量方法，用位移傳感器測(cè)量?jī)蓚€(gè)插入混凝土試件中探針的相對(duì)距離變化[30-31]（見(jiàn)下圖），模具尺寸為150mm×150mm×710mm，

     

      用聚四氟乙烯表里，涂上凡士林，再在其上鋪一層防水油紙以最大限度地減少摩擦限制。探

針插入混凝土中 2cm 深處，傳感器與PC 系統(tǒng)相連，可以不斷地輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但缺點(diǎn)是只能反映混凝土表面2cm 高度位置的收縮情況，無(wú)法反映其內(nèi)部收縮變化程度且與混凝土試件同步變化性能差。

      芬蘭建筑交通技術(shù)研究中心的Erika Holt和Olivia Schodet采用以下方法測(cè)量收縮[32]，將混凝土做成板狀，體積約為7.3升，最大骨料粒徑為20mm，用兩個(gè)鋼架托著四個(gè)側(cè)板，每個(gè)側(cè)板上放置一個(gè)位移傳感器，使用這四個(gè)位移傳感器對(duì)混凝土板狀試件進(jìn)行水平位移測(cè)量，但同樣也無(wú)法保證埋入混凝土中的側(cè)板與試件同步移動(dòng)且始終保持統(tǒng)一方向，而且在沉降過(guò)程中，混凝土與側(cè)板間的摩擦力也使位移傳感器產(chǎn)生位移變化。

      另外我國(guó)水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程中采用埋入差動(dòng)式應(yīng)變計(jì)的方法測(cè)定收縮[22]，雖然埋入應(yīng)變計(jì)的方法精度較高，但是早期混凝土尚無(wú)足夠強(qiáng)度(彈性模量低時(shí)，應(yīng)變計(jì)無(wú)法與混凝土同步變形。另外，這種應(yīng)變計(jì)不僅價(jià)格高，而且無(wú)法重復(fù)利用，因此試驗(yàn)代價(jià)高。近年來(lái)部分學(xué)者在借鑒國(guó)外試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上嘗試了新的試驗(yàn)方法，但也無(wú)法解決早期混凝土尚無(wú)足夠強(qiáng)度時(shí)的收縮測(cè)定問(wèn)題，其測(cè)長(zhǎng)儀器與測(cè)頭接觸也會(huì)對(duì)測(cè)頭同步位移產(chǎn)生影響。

 

3.1.2 國(guó)內(nèi)外非接觸式混凝土收縮性能測(cè)試方法進(jìn)展研究

      非接觸式測(cè)量混凝土收縮的方法，是指測(cè)長(zhǎng)儀器不與測(cè)頭接觸來(lái)測(cè)量試件的尺寸變化。非接觸式測(cè)定混凝土收縮應(yīng)滿足混凝土在早期尚無(wú)強(qiáng)度的時(shí)候能夠測(cè)定其收縮，并且測(cè)定精度要求高。

 

      挪威Oyvind Bjantegaard與Erik J. Sellevold在1999年引入浮力測(cè)量砂漿的體積變化[36]，也是一種非接觸式的測(cè)量方法。將混凝土或砂漿裝入膜中，放入水里，通過(guò)測(cè)量混凝土或砂漿的體積變化產(chǎn)生的浮力變化，測(cè)量其體積變化，但應(yīng)用在混凝土測(cè)量時(shí)，膜容易被骨料磨破，且膜若做得很厚，無(wú)法靈敏反應(yīng)混凝土的體積變化。

      美國(guó)Kim.B和Weiss， W. J，采用被動(dòng)式聲能傳感器來(lái)測(cè)量試件的長(zhǎng)度變化[37]，采用聲發(fā)生裝置以及連接電腦的聲波采集分析系統(tǒng)，對(duì)混凝土長(zhǎng)度變化，引起的聲波的大小波動(dòng)進(jìn)行分析，從而建立聲能變化試件的長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究混凝土的變形。

      瑞典Roger Zurbriggen 博士及其所在研究所開(kāi)發(fā)了為測(cè)試薄層砂漿自由收縮的試驗(yàn)裝

置（如下圖）[38]，將兩束激光水平照射到放置在新鮮砂漿表面的一對(duì)輕質(zhì)反射物上。兩個(gè)

相互不接觸的激光裝置可以在反射物放置在新澆注的砂漿上后立即開(kāi)始測(cè)試。由于激光器可

以移動(dòng)，因此對(duì)試樣的尺寸沒(méi)有限制。不過(guò)我們通常攪拌600g 干砂漿，加入適量的水，將

其澆注到10x78cm 大的區(qū)域，這樣獲得的砂漿層厚度約為4-5mm。由于在干燥過(guò)程中砂漿層

的邊緣會(huì)翹起來(lái)，輕質(zhì)反射物放置在試樣內(nèi)部三分之一處，間距大約為25cm。該方法目前

只適用于薄層砂漿，對(duì)混凝土采用方法還存在一些問(wèn)題，如只能反映混凝土表面收縮，無(wú)法

反映其內(nèi)部收縮變化，輕質(zhì)反射裝置容易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，混凝土硬化過(guò)程產(chǎn)生的大量泌水影響輕

質(zhì)反射裝置的正確位置，激光測(cè)長(zhǎng)儀器造價(jià)頗高。

 

國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)的巴恒靜教授的位移傳感器法[8]，采用測(cè)長(zhǎng)儀器固定，將數(shù)個(gè)等

距試件依次通過(guò)絲杠控制傳動(dòng)，分別測(cè)長(zhǎng)，但絲杠控制試件移動(dòng)，無(wú)法使試件中測(cè)頭與測(cè)長(zhǎng)

儀器精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生測(cè)量誤差，且此方法造價(jià)很高。

 

      關(guān)于混凝土在約束狀態(tài)下抗裂性能的評(píng)價(jià)方法，國(guó)內(nèi)外的研究人員都作了一些研究工

作，形成了一系列的方法，綜合起來(lái)可以分為三大類：它們?yōu)槠桨宸?、圓環(huán)法及棱柱體法。

 

3.2.1 平板式限制收縮開(kāi)裂試驗(yàn)方法〔平板法〕

      平板式限制收縮開(kāi)裂試驗(yàn)方法中試件為平板狀，試件的變形受到底部或者兩端鋼模板或

鋼架的約束，平板法的主要特點(diǎn)是比較易于操作，能迅速有效的研究混凝土和砂漿的塑性干

縮性能。但這種方法只能對(duì)混凝土收縮提供部分的不均勻的收縮變形。國(guó)內(nèi)外主要的實(shí)驗(yàn)方

法有：

 

（1）Kraai 法（美國(guó)）

      此種研究混凝土抗裂性的平板試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法由圣約瑟(San Jose)州立大學(xué)的由

Kraai 提出[4]，由放置在周邊的L 形鋼筋網(wǎng)提供約束，試模內(nèi)部底面鋪一層塑料薄膜以減少

對(duì)混凝土的約束，試件澆筑后，用太陽(yáng)燈和電風(fēng)扇模擬工作環(huán)境，收縮24 小時(shí)后，測(cè)定裂

縫長(zhǎng)度和寬度，試模尺寸厚度為19mm，比較薄，只適合用于研究砂漿和篩出石子后的混凝

土的收縮開(kāi)裂，后經(jīng)過(guò)其改進(jìn)，可以用來(lái)測(cè)試混凝土的抗裂性能。

 

      此方法在美國(guó)ACI 協(xié)會(huì)報(bào)告中（ACI 544.2R-89 Measurement of Properties of Fiber

Reinforced Concrete）中推薦為測(cè)試合成纖維混凝土抗裂性能的一種方法[39]。

(2) ICBO 標(biāo)準(zhǔn)法

      在對(duì)混凝土抗塑性收縮和干燥收縮開(kāi)裂的研究中，Parviz Soroushian 的研究小組(美

國(guó)密西根州立大學(xué))采用了一種彎起鋼板約束的平板式試驗(yàn)裝置[40] (裝置見(jiàn)下圖)；這種方

法，采用單槽誘導(dǎo)裂縫出現(xiàn)，使試驗(yàn)效果更加突出，更加迅速的評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性能，結(jié)

合一些必要的圖像分析和處理方法，能提供一套粗略定量評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能的體系方法。

此方法也被ICBO(International Conference Of Building Officials)的合成纖維混凝土

標(biāo)準(zhǔn)（Acceptance Criteria For Concrete With Synthetic Fibers）推薦為檢測(cè)混凝土抗

裂性能的方法[41]。

 

      試模尺寸560 mm×365 mm×114mm，用彎起的波浪形的薄鋼板提供約束，混凝土填充在

模具中，上表面外露，風(fēng)速為9.5m/s，相對(duì)濕度40%，持續(xù)3 小時(shí)，試模尺寸厚度為114mm，

可用于研究混凝土和砂漿塑性收縮和干燥收縮引起的開(kāi)裂。美國(guó)的Purdue 大學(xué)在這方面的

工作開(kāi)展得很多。但此種方法，僅設(shè)一道單槽刀口誘導(dǎo)裂縫，僅僅表征刀口處的混凝土的抗

裂性能，另外考慮到骨料在混凝中的不均勻分布，因此，單槽刀口誘導(dǎo)產(chǎn)生的裂縫，影響因

素較多，代表性偏小。

 

      以上這兩種試驗(yàn)方法采用相同的開(kāi)裂評(píng)價(jià)指標(biāo)，即收縮裂縫指數(shù)。根據(jù)裂縫的寬度，將

裂縫分為大(大于3mm)、中(2-3mm)，小(1-2mm)，細(xì)(小于1mm)四種類型，定義其度量指數(shù)

分別為3，2，1，0.5，每一度量指數(shù)乘以其相應(yīng)的裂縫長(zhǎng)度，相加后即為該試件的收縮裂

縫指數(shù)。用裂縫控制率來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)混凝土和砂漿抗裂性的改善程度[41]。

裂縫控制率：

K=(1-m/m0)×100%

其中： K — 裂縫控制率；

m — 為改性后的砂漿的裂縫指數(shù)；

m0 — 為基準(zhǔn)砂漿的裂縫指數(shù)。

 

      平板試驗(yàn)方法具有簡(jiǎn)單易操作的特點(diǎn)，能迅速有效的研究混凝土和砂漿的塑性干縮性

能。但其在裂縫的量化與后期處理方面存在不足，因裂縫產(chǎn)生的無(wú)規(guī)律性使得無(wú)法精確對(duì)混

凝土開(kāi)裂進(jìn)行評(píng)價(jià)，而且平板試驗(yàn)方法只能提供部分的不均勻的約束。

     

       除了以上描述的平板試驗(yàn)方法外，目前圓環(huán)試驗(yàn)方法也是各國(guó)研究者普遍采用的一種

方法。圓環(huán)試驗(yàn)方法最早由MIT(麻省理工學(xué)院)的Roy Carlson 于1942 年提出[14]，當(dāng)時(shí)用

來(lái)研究水泥凈漿和砂漿的抗裂性。后來(lái)，Karlwieghnk[42]和McDonald[43]在研究混凝土的抗裂

性時(shí)也采用了這套裝置，但是由于使用了不同粒徑的粗集料，試模尺寸有了較大的改動(dòng)。水

泥凈漿、砂漿和混凝土的圓環(huán)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)類似，只是尺寸有所不同。裝置由一個(gè)鋼制圓環(huán)

和聚氯乙烯外環(huán)模組成，兩個(gè)環(huán)被固定在木制底板上，混凝土在兩環(huán)中成型為環(huán)狀試件。拆

模時(shí)間可依據(jù)研究的需要確定，拆除外模后，試件頂部用硅橡膠密封，因此只允許試件外表

面收縮。試件養(yǎng)護(hù)于20℃和相對(duì)濕度50%的條件下，裂縫寬度用專門設(shè)計(jì)的顯微鏡測(cè)量。測(cè)

試指標(biāo)是混凝土總收縮引起開(kāi)裂的裂縫寬度。

 

      1999 年美國(guó)道路工程師協(xié)會(huì)(AASHTO)推薦了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[44]?；炷镰h(huán)尺寸：外直徑為

457mm，內(nèi)直徑為305mm，高度為152mm，鋼環(huán)厚度12.7mm±0.4mm。澆注后，試件的開(kāi)裂時(shí)間通過(guò)貼在鋼環(huán)上的4 個(gè)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)鋼環(huán)的應(yīng)變發(fā)展，每30min 記錄1 次應(yīng)變，并觀測(cè)裂縫

是否產(chǎn)生。應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變值出現(xiàn)下降的時(shí)間為混凝土開(kāi)裂的時(shí)間，記錄開(kāi)裂后裂縫的寬度及

開(kāi)裂模式。試件開(kāi)裂后再觀測(cè)15d，記錄應(yīng)變的發(fā)展過(guò)程和裂縫的寬度。然后用100 倍顯微

鏡沿環(huán)高度方向觀測(cè)裂縫寬度，將環(huán)的高度等分為三份，即沿環(huán)高度方向平均取三點(diǎn)（33mm，

76mm，114mm）三個(gè)寬度讀數(shù)的平均值為此裂縫的寬度。測(cè)定裂縫的長(zhǎng)度和寬度，用裂縫的

開(kāi)裂面積(或?qū)挾?表述混凝土的抗裂性能。

 

      大量的研究實(shí)踐表明，圓環(huán)試驗(yàn)在研究水泥漿和砂漿的抗裂性時(shí)，由于水泥漿和砂漿環(huán)

的收縮能沿環(huán)比較均勻的分布，所以試驗(yàn)效果明顯；而混凝土中由于粗集料的存在，使混凝

土環(huán)表面水份蒸發(fā)受到一定的阻礙，從而使混凝土的外表面不能沿環(huán)均勻的收縮，再加上粗

集料對(duì)裂縫的限制分散作用，使混凝土表面容易形成不可見(jiàn)的微裂紋，釋放一部分收縮應(yīng)力，

從而，使可見(jiàn)裂紋的最大寬度對(duì)混凝土的抗裂性評(píng)價(jià)受到影響。圓環(huán)試驗(yàn)方法存在以下缺點(diǎn)：

測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，敏感性差。采用圓環(huán)法測(cè)試時(shí)，試件通常要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)初始裂縫，

有時(shí)甚至因敏感性差而不會(huì)出現(xiàn)。

 

3.2.3 棱柱體式限制收縮開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)方法

 

      棱柱體法也是一種普遍采用的研究收縮開(kāi)裂的試驗(yàn)方法，20 世紀(jì)60 年代，德國(guó)慕尼黑

技術(shù)大學(xué)建筑材料和構(gòu)件檢測(cè)研究所的Springenschmid 根據(jù)道路和水工工程建設(shè)的需要，

研制了一套開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)框架來(lái)研究混凝土的開(kāi)裂趨勢(shì)[3]（裝置見(jiàn)下圖）。并且由RILEM-TC119

制定了開(kāi)裂試驗(yàn)架的推薦性標(biāo)準(zhǔn)[45]。

 

      開(kāi)裂試驗(yàn)框架由通過(guò)兩根縱向鋼筋相連的兩塊鋼橫頭組成，縱向鋼筋由熱膨脹系數(shù)很低

的鋼材制成。這樣在混凝土試件硬化過(guò)程中，兩塊橫頭之間的間距保持一致，混凝土梁既不

會(huì)膨脹也不會(huì)收縮?？裳芯?00%約束條件下的約束應(yīng)力。

 

      可調(diào)的橫梁通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí)混凝土的早期彈性模量也能夠通過(guò)這類裝置進(jìn)

行測(cè)定。在試驗(yàn)架中，水平澆筑1.5m 長(zhǎng)，橫截面積為150×150mm2.的試件。梁的兩端固定

在十字頭中，一個(gè)十字頭可調(diào)。兩根鋼棒混凝土澆筑橫向連在試件主軸上，鋼棒間距500mm。

在試樣兩側(cè)用碳纖維棒上的傳感器測(cè)量鋼棒的距離。傳感器的靈敏度為0.0001mm。當(dāng)混凝

土變形超過(guò)0.001mm，可調(diào)十字頭就開(kāi)始移動(dòng)，保持總變形為0，模擬完全約束狀態(tài)。橫頭

之間的縱向框架有絕熱層和冷卻系統(tǒng)，其上還放置了應(yīng)變儀以測(cè)定混凝土的縱向應(yīng)力。試驗(yàn)

時(shí)，在開(kāi)裂試驗(yàn)框架內(nèi)澆注和振搗混凝土拌合物，硬化過(guò)程中防止水分蒸發(fā)。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)；

混凝土溫度在半絕熱條件下升高，四天之后開(kāi)始人工降溫，直到縱向應(yīng)力下跌，表明混凝土

己經(jīng)開(kāi)裂。以色列的Bloom 和Bentur[46]在研究中改進(jìn)了試驗(yàn)裝置，用電腦控制拉應(yīng)力的測(cè)

量，從而可以明確知道混凝土的開(kāi)裂時(shí)間。

單軸約束試驗(yàn)方法通常用于評(píng)估因?yàn)闇囟茸饔枚鸬拈_(kāi)裂，單軸約束試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)?/DIV>