國內(nèi)外混凝土的收縮性能試驗(yàn)研究方法
2006-08-04 00:00
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摘 要：著重對(duì)國內(nèi)外獲得普遍認(rèn)同的混凝土各種收縮性變形的機(jī)理及試驗(yàn)研究方法進(jìn)行了總結(jié)和綜述，對(duì)解決混凝土的收縮裂縫具有重要的意義。
關(guān)鍵詞：化學(xué)收縮，干燥收縮，自收縮，溫度收縮
引言
近年來混凝土技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，然而混凝土的收縮裂縫仍然是一個(gè)普遍性的難題。如何精確測(cè)得收縮及如何測(cè)得收縮機(jī)理成為解決收縮引起裂縫的關(guān)鍵所在?；炷恋氖湛s是指混凝土中所含水分的變化、化學(xué)反應(yīng)及溫度變化等因素引起的體積縮小，均稱為混凝土的收縮。混凝土的收縮主要包括：化學(xué)收縮、干燥收縮、自收縮、溫度收縮、碳化收縮及塑性收縮等。每種收縮都是由不同原因引起的，也各有不同的特點(diǎn)，每種收縮的試驗(yàn)研究方法也各有不同。國內(nèi)外的水泥和混凝土學(xué)者都非常重視混凝土收縮性能的研究?，F(xiàn)就各收縮形式的不同試驗(yàn)研究方法綜述如下。
1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1. 1 混凝土化學(xué)收縮的研究方法
化學(xué)收縮即水化收縮。所有的膠凝材料水化以后都存在這種減縮作用，這是由水化反應(yīng)前后的平均密度不同造成的。水泥水化反應(yīng)的主要產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠，其體積小于水泥與水的體積之和，即固相體積增加，但水泥、水體系的絕對(duì)體積減小。大部分硅酸鹽水泥漿完全水化后，理論上的體積減縮7 %～9 %。
重慶建筑大學(xué)的嚴(yán)吳南教授等沿用了英國Gessner 的方法研究了不同品種水泥及不同硅灰取代量的水泥凈漿的化學(xué)減縮。具體方法為：將100 g 水泥和33 g 水混合均勻，裝入長頸瓶中搖勻，趕走全部氣泡后立刻加蓋密封（目的是防止水分蒸發(fā)） ，把此瓶置于恒溫恒濕的觀察室中，記錄長頸瓶中的液面高度作為原始體積，以后按不同水化齡期讀取液面高度。計(jì)算各齡期的體積減小值，用來表征該水泥的化學(xué)收縮。
1. 2 干燥收縮的試驗(yàn)研究方法
干燥收縮指的是混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔水，凝膠孔水及吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮，隨著相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干縮增大，且不同層次的水對(duì)干縮的影響大小也不同。根據(jù)計(jì)算，完全干燥的純水泥漿體收縮量為1 ×10 - 2 。
干燥收縮的測(cè)試方法主要有手持式應(yīng)變儀法、標(biāo)架千分表法、立式千分表測(cè)長儀法和弓形螺旋測(cè)微計(jì)法等。
1. 2. 1 手持式應(yīng)變儀法
把試件做成100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱體，成型48 h后拆模，送至干縮試驗(yàn)室，在試件兩相對(duì)位置粘貼標(biāo)點(diǎn)，兩標(biāo)點(diǎn)間距為200 mm（粘貼標(biāo)點(diǎn)易脫落，所以最好在成型時(shí)預(yù)埋標(biāo)點(diǎn)） ，粘貼好標(biāo)點(diǎn)后就可以用手持式應(yīng)變儀測(cè)基準(zhǔn)長度，然后按干縮齡期進(jìn)行測(cè)量干縮變形。此套裝置由同濟(jì)大學(xué)研制，其精度為0. 001 mm。
1. 2. 2 標(biāo)架千分表法
我國鐵道部、建工部門采用標(biāo)架千分表法測(cè)混凝土干縮變形，其試件尺寸為100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱體，在試件兩相對(duì)側(cè)面預(yù)埋螺母，試件成型后2 d 拆模，立即放入干縮試驗(yàn)室，安裝千分表架和千分表，標(biāo)距為200 mm。然后測(cè)量試件標(biāo)準(zhǔn)值，再按干縮齡期量測(cè)干縮變形。一個(gè)干縮試件用2 支千分表，試件干縮變形為兩個(gè)測(cè)值的平均值。這種量測(cè)方法的精度為0. 001 mm。但在實(shí)際量測(cè)中由于人為的誤差，通常達(dá)不到實(shí)際的精度。我國標(biāo)準(zhǔn)GBJ 80285 普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法中對(duì)混凝土干燥收縮的試驗(yàn)方法如下：混凝土干燥收縮試件的模具尺寸為100 mm ×100 mm ×515 mm。成型時(shí)兩端預(yù)埋測(cè)頭，每組成型3 條試件，成型1 d 后拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)2 d 后取了測(cè)定基準(zhǔn)長度，并放入溫度為20 ±2 ℃，濕度為60 ±5 %的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，按規(guī)定齡期測(cè)混凝土的收縮率。通常用180 d 的收縮率評(píng)價(jià)混凝土的收縮，但在實(shí)際的研究中可根據(jù)具體情況增加或減少這個(gè)最終評(píng)價(jià)收縮的齡期。
1. 3 自收縮的試驗(yàn)研究方法
所謂自收縮是指混凝土在沒有向外界脫水的條件下，因內(nèi)部毛細(xì)孔內(nèi)自己水量不足，相對(duì)濕度自發(fā)的減少引起干燥而產(chǎn)生的混凝土收縮變形，稱之為自收縮。混凝土自收縮值一般在（40～100） ×10 - 6 mm 范圍以內(nèi)。如果以混凝土線膨脹系數(shù)為10 ×10 - 6 mm/ ℃計(jì)，相當(dāng)于溫度降低4 ℃～10 ℃所引起的溫度變形，這充分說明混凝土的自收縮對(duì)抗裂問題有著不容忽視的影響?；炷磷允湛s的原因主要有兩個(gè)，即低水灰比或低水膠比和摻較大量的活性細(xì)礦物摻合料而引起的。
1. 3. 1 圓環(huán)法
自收縮的研究方法主要為圓環(huán)法。圓環(huán)法最早是由美國麻省理工學(xué)院的Roy Caylsom 于1942 年提出的，當(dāng)?shù)赜脕硌芯克鄡魸{和砂漿的抗裂性，后來Karl wiegrink 和Mcdonald 在研究混凝土的收縮抗裂性時(shí)也借用了這套裝置。區(qū)別僅在于裝置尺寸大小的差異。本裝置由一個(gè)鋼制圓環(huán)和聚氯乙烯外模組成，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)間可根據(jù)研究的需要確定，拆除外模后，試件頂部用硅橡膠密封，以防止試件水分散失。因此只允許試件外表面收縮。而且收縮沿厚度是均勻的，當(dāng)試件受內(nèi)鋼環(huán)約束產(chǎn)生壓力時(shí)，內(nèi)外表面應(yīng)力差只有10 % ，徑向應(yīng)力為最大環(huán)向應(yīng)力的20 % ，因此可忽略不均勻收縮的影響。試件養(yǎng)護(hù)條件的溫度應(yīng)控制在20 ℃，相對(duì)濕度為50 %。裂縫寬度用專門設(shè)計(jì)的顯微鏡顯測(cè)。所得結(jié)果即為混凝土的總收縮引起的開裂和裂縫寬度。
1. 3. 2 電容式測(cè)微儀法
由哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬新偉、鈕長仁、伊彥科三位學(xué)者研究出了此種方法。這是一種非接觸式的位移測(cè)量裝置，用于測(cè)量混凝土自收縮的工作原理如圖1 所示。
在被測(cè)對(duì)象的一端貼一金屬片，金屬片與測(cè)頭形成電容器。其電容與兩極的間距及兩極間的填充物質(zhì)特性有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，空氣溫度和濕度可以保持不變，電容可以認(rèn)為只與兩極的間距有關(guān)。電容傳感器輸出電壓的變化與電容器兩極（測(cè)頭與被測(cè)物體） 位移變化成正比。測(cè)量傳感器的輸出電壓可以方便地得到測(cè)頭與被測(cè)物體之間的距離?？梢杂孟鄳?yīng)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。具體的測(cè)量模具如圖2 所示。
在測(cè)量混凝土變形時(shí)，試模右端固定，左端為自由端。測(cè)微儀的測(cè)頭置于左端模的外側(cè)，測(cè)頭與大左端模形成電容器?；炷猎嚰谧冃沃苯颖憩F(xiàn)為電容器兩極間距的變化，此變化又通過電容器的輸出電壓來反映。由于試驗(yàn)在試模中進(jìn)行，所以混凝土試件一旦成型結(jié)束，變形的測(cè)量即可開始?？朔嗽趥鹘y(tǒng)測(cè)量方法中，變形測(cè)量只能在混凝土拆模1 d 后才能測(cè)量的弊端，從而真實(shí)地反映了混凝土的收縮變形。
1. 4 溫度收縮的試驗(yàn)研究方法
溫度收縮又稱冷縮，主要是混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生的收縮。其大小與混凝土的熱膨脹系數(shù)、混凝土內(nèi)部最高的溫度和降溫速率等因素有關(guān)。當(dāng)溫度下降（0 ℃以上時(shí)） ，混凝土?xí)a(chǎn)生溫度收縮變形，當(dāng)混凝土受凍時(shí)，其孔隙水和毛細(xì)管水的結(jié)冰將明顯影響其變形。一般情況下，當(dāng)混凝土溫度降至0 ℃以下時(shí)，混凝土不僅不收縮，反而會(huì)因結(jié)冰產(chǎn)生的壓力而引起膨脹變形。溫度收縮多采用千分表法進(jìn)行量測(cè)。
1. 5 碳化收縮的試驗(yàn)研究
由于空氣中含有的CO2 含量約為0. 04 % ，在相對(duì)濕度合適的條件下，CO2 能與混凝土中水泥水化生成的水化物如Ca （OH） 2和C. S. H 凝膠等起反應(yīng)，稱為碳化。碳化伴隨著體積的收縮，稱為碳化收縮，是不可逆的。影響混凝土碳化收縮的兩個(gè)因素為CO2 的濃度和周圍環(huán)境的濕度。CO2 作為一個(gè)反應(yīng)物，濃度越高反應(yīng)越迅速，因而碳化收縮也越大。而濕度則不然，當(dāng)相對(duì)濕度為55 %時(shí)，碳化收縮達(dá)最大值。當(dāng)相對(duì)濕度大于55 %時(shí)，碳化收縮隨相對(duì)濕度的增加而減少；當(dāng)相對(duì)濕度小于55 %時(shí)，碳化收縮隨相對(duì)濕度的減小而下降；當(dāng)相對(duì)濕度低于25 %時(shí)，碳化收縮幾乎停止。
1. 6 塑性收縮的試驗(yàn)測(cè)量方法
塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，一般為拌和后約3 h～12 h 以內(nèi)，即在終凝前比較明顯，其成因主要是因?yàn)榛炷猎谛掳锠顟B(tài)下，拌合物中顆粒間充滿著水，如養(yǎng)護(hù)不足，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時(shí)，則會(huì)造成毛細(xì)孔中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。
混凝土的塑性收縮最早的測(cè)量方法是機(jī)械儀表（千分表） 法測(cè)量。即在圓筒模內(nèi)側(cè)涂上一層薄的潤滑油，再裝入塑料圓筒（無底） ，將新拌和的混凝土拌合物裝入筒內(nèi)，振搗后安裝千分表測(cè)具。根據(jù)千分表讀數(shù)的變化計(jì)算沉陷變形。同時(shí)還可以在混凝土中插上溫度計(jì)或用熱電偶測(cè)量混凝土的溫度變化。
目前塑性收縮的指標(biāo)通常用平板法測(cè)量。平板法分別是由美國密西根州立大學(xué)Dr Soroushian 和美國圣約瑟大學(xué)的Kraai 率領(lǐng)的研究小組提出。其基本原理均相同，不同之處在于試模尺寸、提供約束方式、養(yǎng)護(hù)方式及使用范圍略有不同?，F(xiàn)以Dr Soroushian的平板法為例進(jìn)行介紹如下。
根據(jù)測(cè)得的裂縫寬度，將裂縫分為大（大于3 mm） 、中（2 mm～3 mm） 、?。? mm～2 mm） 、細(xì)（小于1 mm） 四種類型，定交其度量指數(shù)分別為3 ，2 ，1 ，0. 5。每一度量指數(shù)乘以其相應(yīng)的裂縫長度，相加后即為該試件的收縮裂縫指數(shù)。平板法試驗(yàn)方法操作比較簡單，能迅速有效地研究混凝土的塑性干縮變形，但是它也存在缺陷和不足，即只能部分不均勻地約束混凝土的塑性收縮變形。
2 結(jié)語
混凝土的收縮存在復(fù)雜的機(jī)理，組成材料性質(zhì)的變化對(duì)收縮試驗(yàn)結(jié)果具有很大的影響。收縮測(cè)試方法存在的缺陷及人為操作誤差也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的研究結(jié)論。但相信隨著混凝土科學(xué)研究的不斷深入，評(píng)價(jià)混凝土收縮性能的各種試驗(yàn)方法會(huì)得到不斷的改進(jìn)和發(fā)展，會(huì)越來越接近工程實(shí)際狀況。 |
| 原作者： 譚曉倩 陳 偉 王凌躍 |
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