陳　瑜，錢益想，鄧怡帆

(長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙　410114)

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水泥基材料化學(xué)收縮與自收縮試驗方法研究

陳瑜，錢益想，鄧怡帆

(長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙410114)

水泥基材料化學(xué)收縮與自收縮的準(zhǔn)確測量是其早期體積穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，近年來相關(guān)試驗方法不斷進步。本文評述化學(xué)收縮試驗水中稱重法、絕對體積法和密度法的優(yōu)缺點，提出使用超薄彈性橡膠膜的改良體積法。試驗表明，改良法有效解決ASTM體積法無法完成全周期試驗的缺陷，操作簡便、數(shù)據(jù)精度高，與水中稱重法具有很好的一致性。分析國內(nèi)外水泥基材料自收縮試驗方法的進展和ASTM波紋管法存在的缺陷，介紹提高波紋管法精度、實現(xiàn)連續(xù)性自動化數(shù)據(jù)采集的措施。

化學(xué)收縮；自收縮；試驗方法；開裂

1　引　言

水泥基材料的化學(xué)收縮與自收縮并非近年來出現(xiàn)的新問題。1900年Chatelier首先發(fā)現(xiàn)化學(xué)收縮，1935年P(guān)owers試驗觀測水泥化學(xué)收縮僅為6～7 mL/100 g，硅灰的摻入使其收縮值上升[1]。70多年前，Davis發(fā)現(xiàn)自收縮現(xiàn)象并進行長期研究和測定，但由于當(dāng)時混凝土水灰比較大且沒有加入活性礦物摻合材，所測定的自收縮值較干燥收縮小得多，沒有得到重視[2]。

現(xiàn)代混凝土向高強、高性能混凝土方向發(fā)展，自收縮成為導(dǎo)致混凝土過早開裂并影響其耐久性的主要原因，成為國內(nèi)外研究熱點[3-5]，如早期收縮機理[6，7]、影響因素[8，9]、預(yù)測模型[10，11]等，取得一系列研究成果。對水泥基材料化學(xué)收縮與自收縮的準(zhǔn)確測量是相關(guān)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，近年來試驗方法取得較大進展。

2　化學(xué)收縮試驗方法

化學(xué)收縮是指水泥基材料在水泥水化過程中，水化產(chǎn)物的絕對體積比水化前水泥與水的絕對體積之和減少的現(xiàn)象，這是由水化反應(yīng)前后的平均密度不同造成的。目前，水泥基材料化學(xué)收縮試驗分三類：水中稱重法(Gravimetry)、絕對體積法(Dilatometry)和密度法(Pycnometry)，均采用凈漿試樣，目的是直接或間接量化其水化反應(yīng)過程中的體積變化，因此任何試驗方法的試樣必須保持水飽和狀態(tài)。

圖1　Ray水中稱重法化學(xué)收縮試驗示意圖[12]Fig.1　Schematic diagram of Ray test device used for chemical shrinkage[12]

水中稱重法最先由Buli根據(jù)阿基米德定律提出，通過測量水泥凈漿浮力計算其體積的變化。Ray根據(jù)這一方法改進與設(shè)計的水中稱重法試驗裝置如圖1所示[12]，彈性薄壁小容器內(nèi)裝一定質(zhì)量水泥凈漿試樣，注水灌滿該容器，橡膠塞密實封閉，用尼龍線系牢，連接置于木質(zhì)龍門架上的精密天平(精度：0.0001 g)，使裝入試樣的容器懸浮于恒溫水槽內(nèi)。該試驗系統(tǒng)置于抗振試驗臺上，以提高測量精度，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)入計算機，實現(xiàn)連續(xù)的試驗數(shù)據(jù)觀測。

絕對體積法測量水泥漿化學(xué)收縮大多參照美國ASTM C1608[13]進行，該方法最早是Geiker于1983年提出的[14]。水泥樣品浸泡在密閉小玻璃瓶的水中，在恒溫水浴環(huán)境下通過連通刻度管顯示水泥漿體絕對體積的變化，如圖2示意。該方法雖簡單易行，精度較高，但存在兩個缺點：一是只能人工觀測和記錄間斷的試驗數(shù)據(jù)，不能對數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動化的、連續(xù)的采集；二是易出現(xiàn)玻璃試樣瓶開裂現(xiàn)象，究其原因，可能是水泥漿灌入玻璃瓶后對玻璃瓶壁有一定粘附作用，水泥凈漿收縮隨著齡期增長而增長，玻璃瓶作為一種剛性材料不能隨漿體收縮而變形，在瓶內(nèi)壁與水泥漿之間形成真空，拉裂玻璃瓶；或因玻璃瓶中上表面水泥漿一直與水充分接觸，該部分水泥漿隨著水化產(chǎn)物的不斷產(chǎn)生可能產(chǎn)生濕脹，而玻璃瓶內(nèi)部水泥漿產(chǎn)生收縮，在這兩種相反的應(yīng)力作用下，玻璃瓶開裂，試驗中斷。

圖2　ASTM C1608絕對體積法化學(xué)收縮試驗示意圖[13] Fig.2　Illustration of experimental setup for ASTM C1608[13]

圖3　ASTM改良法化學(xué)收縮試驗示意圖Fig.3　Illustration of experimental setup for modified ASTM method

高英力等[15]對這種方法進行了改進，在玻璃瓶內(nèi)套開口軟膠瓶放置水泥漿，水泥漿體不受瓶壁的約束，從而確保試驗的連續(xù)性。然而為方便內(nèi)置軟膠瓶，玻璃瓶容積應(yīng)較大且瓶口較大，對試驗操作和瓶口密實封閉提出了更高要求，較難滿足測量精度，且試樣大小顯著影響試驗結(jié)果[16]。事實上，絕對體積法準(zhǔn)確測量化學(xué)收縮的關(guān)鍵在于：既要避免水泥凈漿與玻璃瓶內(nèi)壁的直接接觸，又要將水泥凈漿體積變形完全體現(xiàn)為玻璃瓶內(nèi)水位的變化上。如圖3示意為ASTM改良法，將水泥漿體置于開口的超薄彈性橡膠膜內(nèi)，玻璃瓶和橡膠膜內(nèi)均注滿水，漿體不與玻璃瓶內(nèi)壁接觸，但其體積變形可通過彈性橡膠膜傳遞給瓶內(nèi)水中，體現(xiàn)在所插入的玻璃刻度管內(nèi)液面的變化上。進行不同摻量硅灰、粉煤灰和礦渣的水泥基復(fù)合凈漿化學(xué)收縮，試驗周期28 d，試驗組數(shù)100組，每組3個試樣。結(jié)果表明，采用ASTM C1608體積法，共有113個玻璃瓶在不同齡期出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，占37.7%，致使數(shù)據(jù)采集中斷，相應(yīng)試樣組試驗失效；采用上述ASTM改良法，無失效試樣，且同組試驗數(shù)據(jù)離散性小，測量精度高。

圖4　密度法化學(xué)收縮試驗示意圖[13]Fig.4　Illustration of experimental setup for pycnometry method[13]

密度法依據(jù)水泥水化過程的質(zhì)量守恒原理，為較少數(shù)研究者采用，并成為ASTM C1608中的第二種方法，其試驗示意圖見圖4。具體操作為：密度瓶稱重；凈漿裝瓶，使瓶底凈漿層高度達5～10 mm為宜，排除氣泡，稱重；不擾動凈漿層，加水至瓶滿，玻璃塞蓋上密度瓶，排除塞下水面氣泡；通過塞上穿孔位置，加水入試瓶和塞上小孔至略滿出；用吸水試紙迅速將溢出多余水吸走，試紙不應(yīng)停留過長時間，以免吸收孔內(nèi)水分；試瓶立刻移入水浴箱，使試瓶頂部恰好略高于水位線至指定齡期；取出試瓶，輕輕擦干，從塞上小孔處加水溢出后，用吸水試紙迅速吸去多余水后，稱重至0.0001 g。按式(1)計算各齡期水泥凈漿化學(xué)收縮值：

(1)

其中，CS(t)指水泥漿在齡期t時的化學(xué)收縮mL/g；M(t)齡期t時裝有水泥漿的試樣瓶質(zhì)量；ρw是水的密度mL/g(23℃時為0.99754)。與絕對體積法相比，密度法同樣不能實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的連續(xù)和自動化采集，且試驗操作較復(fù)雜。

圖5　不同試驗方法水泥漿化學(xué)收縮試驗結(jié)果Fig.5　Results for chemical shrinkage of cement paste by different test methods

以I級粉煤灰等質(zhì)量取代P·O 42.5水泥，摻量為20%，水膠比0.34，聚羧酸基高效減水劑摻量0.4%，制備純水泥漿和復(fù)合水泥凈漿，按上述水中稱重法、ASTM絕對體積法及其改良法、密度法，分別測量凈漿化學(xué)收縮值隨齡期變化的規(guī)律，如圖5。

可見采用ASTM絕對體積法，純水泥凈漿玻璃試樣瓶在17 d開裂，摻粉煤灰復(fù)合水泥凈漿4 d開裂，均未能完成全周期測量；使用超薄彈性橡膠膜的改良體積法所測凈漿各齡期化學(xué)收縮值較未改良法的略大，原因是漿體收縮變形未受剛性玻璃內(nèi)壁約束，而橡膠膜充分傳遞了其體積變化。同時，水中稱重法和改良絕對體積法試驗數(shù)據(jù)線幾乎重合，說明兩種方法具有很好的相關(guān)性，這一結(jié)論與Justnes等[17]的一致。此外相比較而言，無論對純水泥凈漿還是摻加了粉煤灰的復(fù)合水泥漿，密度法所測化學(xué)收縮值離散性偏大，這與該方法試驗操作需特別熟練，試驗人員偶然誤差較大有關(guān)。

3　自收縮試驗方法

水泥基材料的自收縮是在恒溫和無物質(zhì)交換的條件下，伴隨著化學(xué)收縮和材料內(nèi)部相對濕度的減少，因自干燥而產(chǎn)生宏觀體積縮小的現(xiàn)象。自收縮引起的早期開裂問題一直沒有得到有效的解決，且自收縮的定義尚未統(tǒng)一，關(guān)于自收縮的測試方法仍存在著許多困惑與爭議。各國學(xué)者根據(jù)各自的研究與實際情況提出了不同的測試方法。

體積法試驗如圖6所示[18]，其原理和化學(xué)收縮試驗的水中稱重法一樣，但自收縮僅為水泥漿終凝后的體積縮減。傳統(tǒng)的長度法類似干燥收縮的測量方法，在試件拆模時立即用隔離膜封閉試件，并置于恒溫恒濕環(huán)境室，在指定齡期測量試樣長度的宏觀變化情況。Tazawa等[19]采用千分表法，試驗操作與傳統(tǒng)的比長儀法類似，但將混凝土自收縮測量分成兩個部分，拆模前與拆模后都進行自收縮的測定。Jensen等[20]認為所采用的試驗方法不一致，導(dǎo)致對水泥基材料自收縮的測試結(jié)果差異較大，如：傳統(tǒng)試驗方法忽略內(nèi)部水化溫升和泌水的影響，帶來較大誤差[21]。

安明喆等[22]以電渦流位移傳感器代替千分表，片狀鋁合金測頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓柱狀測頭；Radocea[23]在混凝土試件兩端埋入線性差動位移傳感器；Lepage等[24]在混凝土中埋入線振儀，通過電磁激振器測量線振儀的共振頻率隨時間的變化來進行混凝土體積變化的測定。這些改進措施實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化，提高測試系統(tǒng)精度，但仍存在問題，如：早期混凝土與傳感器的黏結(jié)性不容易控制、容易受線振儀的剛度影響等。芬蘭TRC采用LVDT位移傳感器同時測量混凝土垂直向與水平向收縮，試件成型1 d后即開始測量自收縮[25]。

Radocea[23]通過在混凝土試件兩端埋入線性差動位移傳感器來監(jiān)測混凝土早期體積的變形。該方法操作簡單且受人為因素影響小，但是在測量時每個混凝土試件都得配備兩個傳感器，而且在測量過程中不能移動或共用傳感器，所以造價較高限制了應(yīng)用的推廣。Lepage等[24]在混凝土中埋入線振儀，通過電磁激振器測量線振儀的共振頻率隨時間的變化來進行混凝土體積變化的測定。該方法比較新穎，但容易受線振儀的剛度影響，剛度大容易埋置但對早期收縮不敏感，剛度小靈敏度高但卻不易埋置。同時，早期混凝土與傳感器的黏結(jié)性不容易控制，所測變形值的可靠性需進一步探討。芬蘭技術(shù)研究中心(Technical Research Centre of Finland)在混凝土的早期收縮的研究中，采用LVDT位移傳感器同時測量混凝土垂直向的收縮(沉降)與水平向的收縮，試件成型1 d后即開始測量自收縮[25]。

隨著自收縮測量方法的發(fā)展，ASTM C1698[26]波紋管法結(jié)合長度法和體積法優(yōu)勢，逐漸為國內(nèi)外接受。采用螺紋波紋管，該方法將材料體積形變轉(zhuǎn)化為線性形變，試驗裝置如圖7所示。與其它方法相比，波紋管法直接準(zhǔn)確測量早期自收縮，試驗結(jié)果具有很好的重現(xiàn)性，測試結(jié)果也與定義相一致。文獻分析發(fā)現(xiàn)，ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定試件初長測量時間為終凝，而國內(nèi)有的采用初凝后10 min[27]、有的采用接近混凝土初凝時間(6 h)[28]、有的養(yǎng)護1 d[29]測量初長。初測時機直接影響自收縮值，國內(nèi)水泥基材料自收縮試驗方法還有待進一步完善和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖6　體積法水泥漿自收縮試驗[18]Fig.6　Test for autogenous shrinkage of cement paste by volume method[18]

圖7　ASTM C1698法水泥凈漿或砂漿自收縮試驗裝置[26]Fig.7　ASTM C1698 test setup for autogenous shrinkage of cement paste or mortar[26]

然而，上述ASTM方法也存在缺陷，一是試驗過程中波紋管試件受環(huán)境溫度波動影響，帶來較大誤差；二是無法實現(xiàn)連續(xù)的、自動化的數(shù)據(jù)采集，頻繁取放試樣，造成較大的試驗操作偶然誤差。有學(xué)者針對第一個問題，改進波紋管法試驗，如圖8所示[30]，將波紋管試件固定在專用試驗槽內(nèi)，通過熱電偶和水循環(huán)系統(tǒng)保障其恒溫狀態(tài)，試件全試驗周期內(nèi)不移動，極大提高了試驗數(shù)據(jù)精度。圖9試驗裝置為湖南大學(xué)研制的混凝土自收縮改進實驗裝置，主要由橫向測試部分和豎向測試部分組成。橫向測試部分包括橫向測試支架、波紋管模具、波紋管密封端頭、波紋管定位端頭、拆模工具組成，波紋管為一次性使用；豎向測試部分包括豎向測試支架、豎向鋼筒模具、鋼筒密封端頭構(gòu)成，分別通過高精度的激光位移傳感器和電渦流位移傳感器將試件體積變形自動地、連續(xù)地經(jīng)數(shù)據(jù)集成采集系統(tǒng)，輸入計算機。圖8和圖9水泥基材料自收縮試驗，較好地解決了上述兩個ASTM法存在的主要問題。

圖8　改進ASTM法水泥凈漿或砂漿自收縮試驗[30]Fig.8　Modified ASTM test setup for autogenous shrinkage of cement paste or mortar[30]

圖9　自動化測量水泥基材料自收縮試驗裝置Fig.9　Automatic measurement for autogenous shrinkage of cement-based materials

4　結(jié)　論

對水泥基材料化學(xué)收縮與自收縮的準(zhǔn)確測量是其早期體積穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，相關(guān)試驗方法不斷進步。

(1)ASTM絕對體積法玻璃試樣瓶開裂，無法完成全周期測量；使用超薄彈性橡膠膜的改良體積法有效解決這一問題;

(2)水中稱重法和改良絕對體積法試驗數(shù)據(jù)具有很好的一致性，而密度法所測化學(xué)收縮值離散性偏大。水中稱重法能實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)不間斷的、自動化的采集，但絕對體積法因試驗操作簡便、數(shù)據(jù)精度高而在世界范圍內(nèi)廣泛采用;

(3)ASTM波紋管法結(jié)合傳統(tǒng)長度法和體積法的優(yōu)勢，逐漸為國內(nèi)外采用，試驗結(jié)果與定義相一致，且具有很好的重現(xiàn)性。針對該方法存在的缺陷，通過對試驗設(shè)置的不斷改進，現(xiàn)階段其測量精度已有明顯提高，并實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集。

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Analysis of Experiment Methods for Chemical and Autogenous Shrinkages of Cement-based Materials

CHEN Yu,QIAN Yi-xiang,DENG Yi-fan

(School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)

Accurate measurement of both chemical and autogenous shrinkages was the fundamental and key aspect for the study of early-stage volume stability of cement-based materials,and the related experiment methods developed in recent years. The merits and drawbacks of gravimetry,dilatometry and pcnometry for chemical shrinkage measurement were commented,and a modified ASTM method using ultra-thin elastic cap was proposed in the presented study. Test results showed that the proposed method,easy and simple to handle with high precision,effectively solved the defect of ASTM method,which could not complete the whole cycle of measuring. Its test data were in excellent accordance with those obtained from gravimetry test as well. The progress of autogenous shrinkage experiment at home and abroad,along with the imperfection of ASTM corrugated tube method,were also analyzed. To improve test accuracy and to realize continuous,automated data collection,some measures were introduced.

chemical shrinkage;autogenous shrinkage;experiment method;cracking

國家自然科學(xué)基金青年項目(51302020);交通部科技計劃項目(2015319825180)

陳瑜(1975-)，女，博士，教授.主要從事先進混凝土技術(shù),硅酸鹽工業(yè)固體廢渣再生循環(huán)利用方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)02-0443-06