江晨暉 陳偉東 沈萬岳（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

高性能混凝土早齡期體積變化測量方法評述

江晨暉 陳偉東 沈萬岳（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

借助實驗手段對包括自收縮在內(nèi)的高性能混凝土（HPC）早齡期體積變化加以精確評價是分析和控制HPC早期開裂的重要前提。本文就既有早齡期體積變化測量方法進行對比分析，旨在評述各種方法的優(yōu)勢、不足及可能的改良途徑，從而為實驗方法的選用和完善提供參考。

高性能混凝土（HPC）；早齡期；體積變化；測量方法；傳感器

1 前 言

高性能混凝土（High performance concrete，簡稱為HPC）以其高工作性、高耐久性和較好的力學(xué)性能而被越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。然而，這類混凝土由于易出現(xiàn)非荷載所致的早期開裂而影響其服役性能的發(fā)揮。究其原因，主要與HPC較普通混凝土更大且更復(fù)雜的非荷載導(dǎo)致的早齡期體積變化有關(guān)。HPC早齡期體積變化主要由凝結(jié)硬化初期因水化熱釋放導(dǎo)致溫度變化而產(chǎn)生的熱變形、因化學(xué)收縮和自干燥而導(dǎo)致的自收縮和因水分逸散而導(dǎo)致的干燥收縮耦合而成。

借助實驗手段對包括自收縮在內(nèi)的HPC早齡期體積變化加以精確評價是理解和掌握其特性的重要前提。由于不同國家和地區(qū)、不同學(xué)術(shù)團體、甚至不同研究者對早齡期體積變化的定義、內(nèi)涵和范疇的規(guī)定或理解不一，導(dǎo)致測量早齡期體積變化的各種方法或多或少地存在著差異。不同方法并存的局面一方面有利于促進學(xué)術(shù)爭鳴和創(chuàng)新，另一方面則導(dǎo)致沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法可供采納，從而難以對不同研究者所做的工作進行全盤分析討論。本文旨在回顧和評述前人設(shè)計和采用的HPC早齡期體積變化測量方法，為實驗方法的選用和改進提供參考。

2 早齡期體積變化的外部測量法

所謂外部測量法是指變形感受元件部分置于待測體（混凝土、砂漿或凈漿等）外部或表面的一類試驗方法，也是目前最常用的方法。通常來說，這類方法所采用的變形傳感器件可多次重復(fù)使用但受周邊環(huán)境影響較大，較為適用于短期和經(jīng)常性測量。根據(jù)變形（或位移）傳感元件是否與待測部分發(fā)生直接接觸，外部測量法可細分為基于接觸式傳感器測量法和基于非接觸式傳感器的測量法兩種。

根據(jù)Jensen和Hansen[1]的觀點，包括自收縮在內(nèi)的早期體積變化測試方法大體上可劃分為體積（三維）測量法和長度（一維或線性）測量法。這兩類方法各有千秋，二者并存于學(xué)術(shù)界長達半個世紀(jì)之久。

體積測量法主要適用于水泥漿，其優(yōu)點在于能使測量起始時刻盡量提前，但橡膠氣囊與水泥漿是否存在穩(wěn)定接觸是決定測量誤差大小的關(guān)鍵所在[1,2]。另一方面，由體積測量法得到的體積變化中不可避免地包含了內(nèi)部體積減小的成分，這部分體積變化主要是化學(xué)收縮。此外，處于繃緊狀態(tài)的橡膠氣囊有可能破壞凝結(jié)期間漿體內(nèi)逐漸形成的微弱結(jié)構(gòu)[1,2]。這些因素導(dǎo)致體積測量法的結(jié)果往往呈現(xiàn)出較大的離散性和非一致性。此外，這種方法對于包含骨料的混凝土或砂漿來說是難以適用的。

圖1 早期體積變化的長度變化（線性）測量試驗裝置

鑒于體積測量法的上述缺陷，同時考慮到長度測量法直接得到的線應(yīng)變具有更明確的工程實用意義，很多研究者傾向于采用長度測量法（詳見圖1）。試件端部測頭與被測對象（混凝土、砂漿或凈漿）的錨固粘結(jié)性能是長度測量法能否成功的關(guān)鍵。這意味著該方法僅適用于被測對象凝結(jié)之后。因此，JCI[3]曾明確規(guī)定這種方法的測量起點為混凝土的初凝時刻?？紤]到凝結(jié)初期，被測體尚處于塑性狀態(tài)，設(shè)法減小試件表面與模器內(nèi)壁的摩擦阻力是合理實現(xiàn)這種方法又一關(guān)鍵。在模器內(nèi)涂刷潤滑劑或墊鋪低摩擦系數(shù)的片材是常用措施。選擇合適的試件長度與斷面邊長之比亦可減小錨固區(qū)域的影響并提高測量準(zhǔn)確性。

根據(jù)被測對象的強度發(fā)展情況，適時拆除試件成型的模板，并持續(xù)進行后期或長期的沿試件長軸方向的變形測量。根據(jù)需要可密封或裸露試件，得到不同濕度條件下的（體積變化）一維應(yīng)變。該方法可用于連續(xù)監(jiān)測被測對象的自收縮、溫度變形和干燥收縮。

Jensen和Hansen二人[4]共同開發(fā)的早期體積變化測量方法創(chuàng)造性地融合了長度變化測量法和體積變化測量法的上述優(yōu)點，同時巧妙地規(guī)避了兩者存在的以上缺陷。如圖2所示，這種方法將新拌水泥漿封裝于一段軸向剛度小、環(huán)向剛度大的塑料波紋管（Corrugated tube）內(nèi)，由于水泥漿產(chǎn)生的體積變化軸向一維變形同步、等值地傳遞給波紋管，借助置于波紋管端部的位移傳感器測量其軸向變形，即為密封狀態(tài)下水泥漿的體積變化變形。若將該裝置置于恒溫水槽中，則測得的變形可視為相應(yīng)溫度下的自生體積變形。這種方法使從完全塑性狀態(tài)（或拌制完畢）即開始測量一維體積變化變形成為現(xiàn)實。

圖2 測量早期體積變化的“波紋管法”

“波紋管”法一經(jīng)面世，便被眾多學(xué)者爭相采用，主要用于研究HPC的漿體部分的早期自收縮（或自生體積變化）。通過增大波紋管的直徑（如圖2(b)），這種方法同樣可用于測量砂漿或混凝土的早齡期體積變化。最近，Gao和Yu等人[5]對“波紋管”法進行了升級更新：以新型非接觸式線性位移傳感器替代傳統(tǒng)接觸式位移傳感器。由此提高了測量的精度和可重復(fù)性，體積變形與軸向長度變化的轉(zhuǎn)換率從原來的0.87提高到0.97。

早齡期體積變化的量值很大程度上取決于測量起點的選擇。圖3(a)為分別按照“波紋管”法和ASTM C157規(guī)定的方法（即比長法）對同一對象——水灰比為0.30的水泥凈漿實施變形測量的結(jié)果對比[4]。由于后一方法的測試起點為24 h齡期，遠遠滯后于前一方法的30 min齡期，導(dǎo)致所測得的收縮應(yīng)變差距甚大。圖3(b)直觀地示意了測量起點對結(jié)果的影響。1 d齡期后所測得的體積變化僅為實際值的20%～40%。由此可見，早齡期體積變化的精確實驗把握對于評價混凝土早期開裂是極其重要的。

圖3 起始時刻對早期體積變化測量結(jié)果的影響

雖然渦電流位移傳感器、激光位移計、電容位移計等新型（非接觸式）測量儀器的出現(xiàn)提高了體積變化變形的測量精度和自動化程度，但由于這些精密電子儀器往往具有使用成本高、對測量環(huán)境要求較為嚴(yán)格等不足之處而難以大規(guī)模應(yīng)用。其次，這類微變形測量儀器均安裝于被測體外部，其經(jīng)歷的溫度條件不同于被測對象的溫度履歷，所獲得的變形測量結(jié)果需加以修正。然而，這類修正往往較為復(fù)雜，精度也不易滿足。

3 早齡期體積變化的內(nèi)部測量法

圖4 可埋入型位移（或變形）傳感器產(chǎn)品外觀

與上述外部測量法對應(yīng)的是內(nèi)部測量法，即變形傳感元件在待測體成型前即預(yù)埋于其內(nèi)部的方法的統(tǒng)稱。這類方法中的變形傳感器件僅能使用一次，一旦埋入待測體內(nèi)部就難以取出，即便能取出也難以重復(fù)使用。相較而言，此類方法受外部環(huán)境的影響較小，適合于體積變化的長期、持續(xù)性觀測。內(nèi)部測量法主要適用于體積變化一維應(yīng)變的捕捉[6]。

圖4呈現(xiàn)了幾種市面上現(xiàn)有的可埋入式位移（或變形）傳感器。表1則簡要地列舉了這些產(chǎn)品的基本信息及性能參數(shù)。所列出的“Model”、“EM”系列產(chǎn)品同屬弦振動應(yīng)變計，埋入被測對象后，變形通過應(yīng)變計兩端的法蘭傳遞至安裝于其間張緊的鋼絲振弦，導(dǎo)致振弦張力發(fā)生變化，進而使其振動頻率亦隨之變化。通過內(nèi)置的電磁線圈測量振弦的振動頻率，該信號經(jīng)由電纜傳輸至讀數(shù)裝置，最后轉(zhuǎn)換成被測對象的變形。日本東京測器研究所（TML）研發(fā)的“KM”型埋入式傳感器系將電阻應(yīng)變片粘貼于彈性模量較低的變形易感元件表面，被測體的變形通過傳感器活動端傳至與之連接的變形易感元件，由應(yīng)變片讀數(shù)變化即可間接測出被測體的應(yīng)變。日本共和電業(yè)株式會社（Kyowa）研發(fā)的代號同為“KM/KMC”的系列產(chǎn)品則更為大膽直接地將電阻應(yīng)變片包覆于硅橡膠之中，待硅橡膠固化后即可埋入被測體測量其內(nèi)部變形。由于硅橡膠質(zhì)地柔軟，可以將被測體的變形傳遞給包覆于其內(nèi)部的應(yīng)變片，從而達到測量微變形的目的。“EFO”產(chǎn)品為光纖傳感器，“DI”系列產(chǎn)品為差阻式傳感器。

表1 可埋入型位移（或變形）傳感器的基本信息

對于早齡期體積變化測量而言，埋入式傳感器的彈性模量和適用溫度范圍是兩個最重要的指標(biāo)。其一，由于凝結(jié)硬化初期混凝土的彈性模量極低（約數(shù)十兆帕至幾百、上千兆帕），埋入式傳感器必須具有與之相當(dāng)甚至更低的彈性模量才可能敏感地同步感受混凝土的變形[6]。其二，早期水化溫升較快且大，混凝土內(nèi)部的溫度可能在相對較短的時間內(nèi)上升至數(shù)十?dāng)z氏度。這對埋入式傳感器的耐高溫性提出了新的要求[7]。

對于早齡期體積變化測量而言，埋入式傳感器的彈性模量和適用溫度范圍是另外，為了適應(yīng)工程結(jié)構(gòu)的全壽命健康監(jiān)測，對埋入式傳感器的耐候性、耐久性和長期性能提出了極大的挑戰(zhàn)。就滿足這三個方面的要求而言，“KM”系列產(chǎn)品較其他幾類產(chǎn)品更具優(yōu)勢。弦振動應(yīng)變計因剛度過大（即彈性模量太大）而不適用于早齡期體積變化的測量。從經(jīng)濟實用的角度來說，這幾種可埋入式傳感器（或應(yīng)變計）的售價還是太高，用于長期測量或可接受；倘若用于短期試驗研究，則未免有炫技和浪費之嫌[8]。綜上所述，為了實現(xiàn)HPC早齡期體積變化的內(nèi)部測量技術(shù)，研發(fā)彈性模量低、耐高溫性好、耐候性強且價格合理的可埋置式變形傳感器是首要解決的問題。

4 結(jié) 語

基于以上并不完整的綜述和分析，可得出以下幾點結(jié)論：

（1）根據(jù)變形傳感器件的安裝位置，可將HPC早齡期體積變化測量方法區(qū)分為內(nèi)部測量法和外部測量法。根據(jù)變形傳感器件是否與測試對象直接接觸，可劃分為接觸法和非接觸法。根據(jù)衡量體積變化的物理量，可劃分為體積（三維）法和長度（一維）法。

（2）HPC早齡期體積變化的測量結(jié)果很大程度上取決于測量起點的選擇。由于非接觸法可以大幅度提早測量起點，因此能捕捉超早齡期HPC的體積變化。

（3）埋入式傳感器的彈性模量和適用溫度范圍是影響HPC早齡期體積變化測量效果的兩個關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)有埋入式傳感器價格較貴，測量效果和適用工況各有千秋。為了實現(xiàn)HPC早齡期體積變化的內(nèi)部測量技術(shù)，研發(fā)彈性模量低、耐高溫性好、耐候性強且價格合理的可埋置式變形傳感器是首要解決的問題。

Jensen O.M., Hansen P.F.A dilatometer for measuring autogenous deformation in hardening Portland cement paste[J].Materials and Structures, 1995, 28: 406-409.

Sant G.N.Examining volume changes, stress development and cracking in cement-based system [D].West Lafayette:Purdue University, 2007: 18-24.

Japan Concrete Institute.Technical committee report on autogenous shrinkage of concrete [A].In: Tazawa E, editor.Proceedings of International Workshop on Autogenous shrinkage of Concrete.Hiroshima (Japan): E &FN Spon; 1998:1-62.

Sant G., Lura P., Weiss J.Measurement of volume change in cementitious materials at early ages: Review of testing protocols and interpretation of results [J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2006, 1979.

Gao P., Zhang T., Luo R., et al.Improvement of autogenous shrinkage measurement for cement paste at very early age: Corrugated tube method using non-contact sensors[J].Construction & Building Materials, 2014, 55(3): 57-62.

蔡陽.低彈性模量埋入型混凝土應(yīng)變傳感器的研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2015:30-63.

楊楊,蔡陽,江晨暉等.埋入式低彈?；炷翍?yīng)變傳感器的研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015,43(4):450-454.

江晨暉.高性能混凝土早齡期體積變化與力學(xué)性能實驗研究及評價[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2016:114-127.

A review on methods of measurement of early-age volume changes of high performance concrete

It is the premise of analyzing and mitigating early-age cracking to precisely determine early-age volume changes of HPC by means of experimental methodology.This paper presents a state-of-the-art review on methods of measurement of earlyage volume changes.In order to provide references for choosing and updating methods of measurement of early-age volume changes,different methods reported in previous literature and proposed by authors were reviewed and compared.

high performance concrete (HPC); early ages; volume changes; methods of measurement; sensor

TU18

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1003-8965 (2017) 04-0034-04

資助基金：本研究受“2015年浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研項目（2015K84）”、“2016年浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研項目（2016K56）”和“2017年浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院重大培育項目”的聯(lián)合資助。