混凝土收縮和開裂試驗方法研究進展

王景賢，趙 玨，崔 強，張繼仁，孫 飛

（國家建筑工程質量監督檢驗中心，北京 100013）

0 引言

混凝土材料作為一種堅固耐久的大宗建筑材料已有 180 多年的歷史。隨著現代混凝土技術的發展，大量高強度、工作性能良好的高性能混凝土得到廣泛的應用。高性能混凝土具有大摻量超細摻合料、大摻量高性能減水劑、低水膠比的特點，可以使它的力學性能和物理性能以及耐久性得到很大提高，但同時也使其在水化過程中出現較大收縮，從而增加其早期開裂的風險［1］。混凝土裂縫會引起滲漏，降低混凝土的耐久性，減少使用壽命，如保護層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土的碳化等等，這些對建筑結構的強度、耐久性均會造成較大的不良影響。

混凝土裂縫的成因非常復雜，但可以肯定的是裂縫與混凝土水化熱、自身收縮、失水干縮、碳化收縮、自干燥收縮、環境溫濕度變化等引起的混凝土收縮變形有著重要的關系［2］。因此，為了達到減少和控制混凝土裂縫的目的，工程技術人員長期以來非常重視對混凝土變形性能的研究。

混凝土變形試驗，本文中主要討論混凝土收縮或開裂（受約束收縮），是指在試驗室模擬混凝土構件施工、工作或特定的某一環境，在此條件下，觀測或測量混凝土試件的變形參數?；炷磷冃卧囼炇茄芯炕炷潦湛s/開裂性能的重要試驗，試驗方法是否能夠準確得到混凝土的收縮變形真實值，對于混凝土收縮的機理研究、變形計算和性能評定有著重要意義。因此，工程技術人員對混凝土收縮試驗方法的研究一直未曾中斷，并且近些年來取得了諸多成果。

1 混凝土收縮變形的類別

混凝土的收縮變形表現形式主要包括化學收縮、干燥收縮、自收縮、塑性收縮、溫降收縮、碳化收縮等。

化學收縮是指水泥基材料在水泥水化時，水化前的反應物和水化后的產物的密度及形態的差異，導致水化作用產生的物質絕對體積的減少現象。化學收縮主要發生在早期，但是只要水化作用不停止，就會一直產生，但會隨著水化速率的降低和混凝土自身凝結形成固相結構的阻隔而降低其收縮作用［3］。

干燥收縮是由于混凝土內部水化反應消耗掉自由水導致內部相對濕度下降，形成混凝土內部的毛細孔。當混凝土內部的水遷移速率低于毛細孔形成的速率時，會導致毛細孔趨于不飽和狀態致使混凝土的自干燥收縮［4］。

自收縮是混凝土膠凝材料在恒溫和無物質交換的前提下，由于化學收縮和內部相對濕度減少，從而導致的干燥收縮［5］。所以化學收縮和干燥收縮都屬于自收縮。

混凝土的收縮形式和其內部的相對濕度有很大關系，其內部相對濕度一般分為兩個階段［6］：階段一是相對濕度為 100 % 的水汽飽和階段，該階段主要是混凝土水化早期階段，混凝土內部有充足的自由水，以及很高的相對濕度，主要以化學收縮為主，但隨著混凝土內部水化固相結構的形成，以及骨架的約束，化學收縮將會受到限制；階段二是混凝土內部相對濕度逐漸降低，這時混凝土的干燥收縮就成為了主要表現形式。

塑性收縮是指在混凝土凝結前，在混凝土表面水蒸發速度大于混凝土表面的泌水速度、氣泡排出和破裂以及重力作用等引起的混凝土在塑性流動狀態下的沉降收縮［7］。

溫降收縮是指因為溫度變化引起的熱脹冷縮的物理變化，通常是在大體積混凝土水化放熱聚集的情況下導致混凝土內部溫度劇烈變化而產生的收縮。在試驗中相對較小的試件中影響很小。碳化收縮是指由于混凝土表面長期與空氣中的二氧化碳反應，導致表面碳化而引起的收縮。所以一般塑性收縮和碳化收縮是在混凝土表面產生的。

2 混凝土收縮或開裂試驗測試方法

混凝土收縮變形的主要測試方法按照測試結果可大致分為兩種，第一種是混凝土變形量的測試，主要采用體積測量和長度測量。用體積和長度變化量來表征混凝土的自變形（收縮）性能。第二種是給混凝土施加約束使混凝土自身變形和約束條件產生相對應力，使其在應力下產生開裂的測試方法。用開裂的裂紋寬度、裂紋長度、應力變化等參數來表征混凝土的變形抗開裂性能。

2.1 混凝土的收縮測試方法

2.1.1 體積測量法

體積測量法是將水泥漿裝入不透水的橡膠皮套內，測量浮力變化量來換算出體積變化，示意圖如圖 1 所示。體積法主要用來測量水泥凈漿的自生收縮［8］，該方法簡單易行，并且有較高的精準度。因為不用等到水泥漿體凝結，可以用來測量水泥漿早期的體積變化狀態。但是也有明顯缺點：混凝土中有大量粗骨料易導致其容器破壞，難以排出漿體內部氣泡、以及泌水帶來的浮力干擾等［9-10］。

圖1 水中稱重法測試水泥漿體積變化試驗示意圖

2.1.2 長度測量法

長度測量法主要包括：棱柱體法、波紋管法。

1）棱柱體法。其試件形狀為棱柱體，模擬混凝土自由收縮［11］，該方法列于 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，是在試件成型 3 d 后在試件兩端裝上側面變形測量裝置，開始測試硬化混凝土的干燥收縮。此方法操作簡便，精度較高，都是通過直接測量混凝土試件的長度變化，來得出混凝土形成了自身支撐結構后的自收縮和干燥收縮。但是對混凝土凝結前的塑性變形階段的化學收縮無法測試。

2）波紋管法自收縮測定方法［12］。美國標準 ASTM C1698－2009（2014）為混凝土自收縮測試提供了標準的波紋管法，測試原理和方法如圖 2 和圖 3 所示。試驗是采用低密度聚乙烯波紋管作為容器，膠砂或水泥漿灌入容器中，將波紋管和漿體密封，然后采用千分表、電渦輪位移傳感器或 LVDT 來進行長度變形的測量。因為波紋管的波紋具有可延展性，其長度方向的約束遠小于管壁的約束，將混凝土的體積變化轉化為波紋管長度的變化進行測量。

圖2 波紋管法測試變形原理示意圖

圖3 波紋管法自收縮測定試驗

成型后無需脫模就可以測試，將體積法與長度法的優點相結合，可以在一定程度上解決混凝土凝結前的早齡期收縮的測試問題。但由于該方法對波紋管的橫向縱向約束能力之差要求很高，也需要波紋管有一定的剛度，并且混凝土中含有大量的粗骨料，使得其在波紋管中與波紋間容易產生新的約束力，所以比起水泥漿，不太適用于混凝土變形的測試。

長度法按變形測量方法可分為如下兩種。

1）接觸式。接觸法使用埋入（表貼）式應變計［13］、光纖位移傳感器以及使用機械式千分表等測量混凝土的收縮變形，圖 4 所示的臥式混凝土收縮儀即為典型的接觸法測試裝置。接觸式的測量方法一般只能等混凝土凝結硬化以后測試混凝土的自收縮和干燥收縮。

圖4 混凝土收縮測量儀（干縮）

2）非接觸式。使用顯微鏡觀測裂縫，或在試件表面安裝測量標靶，采用激光測距儀［14］、渦流傳感器［15-17］來測量試件長度的變化，圖 5 和圖 6 分別為非接觸法混凝土收縮變形測定儀的實物和示意圖。該方法的優點是可以對混凝土在早期塑性流動階段就進行變形的測量，但是混凝土全過程都是在受約束的狀態下進行測試，不能避免側面以及底面約束對混凝土變形的影響。

圖5 非接觸法混凝土收縮變形測定儀（裝置）

圖6 非接觸法混凝土收縮變形測定儀（示意圖）

2.2 混凝土的開裂（受約束收縮）測試方法

1）平板式限制收縮開裂試驗方法（平板法）。試件形狀為方形平板，通過彎起的波浪薄板作為刀口誘導開裂［18-19］，并且可以在側面增加鉚釘來進行雙向約束。該方法列于 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中，示意圖如圖 7 所示。該方法采用雙向約束，更加符合工程實際中的板狀構件的開裂狀況，而且可以對配筋混凝土進行測量。缺點則是試驗結果影響因素復雜，約束程度不可直觀評定，難以進行精準的理論分析。

圖7 混凝土平板式限制收縮開裂試驗裝置

2）圓環式限制收縮開裂試驗方法（圓環法）。試件形狀為圓環，通過內圓環對混凝土收縮進行限制［20-21］，該方法列于（科技基〔2005〕101 號文）《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》中，圓環抗裂試模如圖8所示；圓環試驗的應用較為廣泛，因為它的約束更加均勻不易產生偏心，并且可以在鋼圓環內部貼上應變片來直接測量和計算應力情況，對理論分析和標準化有更好的適用性。但也存在受力狀態與實際應用不符，圓環內外側收縮狀態不一致，并且不能用于配筋混凝土的試驗。

圖8 圓環式限制收縮開裂試驗

上述國內外的混凝土收縮和開裂試驗方法各有各的特點，工程技術人員可以根據試驗目的和條件合理選擇。但是這幾種方法存在以下幾點顯著問題。

1）試模對混凝土變形的約束。平板法、圓環法和長度法中任意一種方法，由于試件需要克服重力作用或為了使試件成型，都需要試模的支撐。盡管在試驗中可以采用在試模上涂抹潤滑油、放置四氟乙烯片［22］或特富綸薄片等方法來盡量減少試模對試件的約束，但這些方法也只能減少而無法消除約束，潤滑油脂還有可能因吸盤效應將混凝土試件吸住，從而限制混凝土的變形。而在混凝土早齡期（振搗成型至終凝前）較長一段時間內，混凝土的彈性模量非常低（據瑞典水泥和混凝土研究所的研究資料表明，混凝土成型后 4 h，彈性模量為 10 MPa），這種約束對混凝土早齡期的收縮變形影響無疑是巨大的。有研究表明在初凝至 1 d 期間內，有無側模約束的兩組試件混凝土自干燥收縮值之比為 57 %，有側模約束的試件混凝土收縮值遠小于無側模約束。而試模的底模對試件的影響則更加普遍，由于尚無試驗裝置能夠消除底模對混凝土的約束，所以無法測量底模對混凝土的約束具體有多大，但是考慮到底模對于試件的重力支撐作用（壓力越大，摩擦阻力越大），其影響在理論上應超過側模。

2）無法準確測得混凝土塑性流動狀態下的變形?；炷猎诔跄疤幱诹魉軤顟B而無法保持形狀，而采用現在的部分試驗方法，無法拆模進行測量。一般來說，3 d 后的混凝土具有較高的模量來克服試模的約束，因而，試模的約束給試驗結果帶來的影響是有限的。然而對于 3 d 內的混凝土，試模對其影響結果是巨大的，并且無法估算和彌補。特別是對于高性能混凝土，有研究表明，很大一部分的收縮變形發生在混凝土成型后數小時內［23-24］，國內也有研究結果表明混凝土的早期收縮主要發生在水化開始之后的 20 h 之內［25］，如果不能對混凝土早齡期收縮進行準確測量就不能完整了解混凝土的收縮過程。同樣，受試模約束影響，采用現有方法也無法準確測量混凝土早齡期膨脹變形。因而研發一種新的能夠準確測量混凝土早齡期變形的試驗方法是必要的。另外，考慮到國內混凝土作為一種主要的大規模使用的建筑材料，及混凝土結構開裂的普遍現實，這方面的研究也是迫切的。

3 結語

混凝土的變形包含收縮（或膨脹）、開裂（受約束收縮）的機理在現階段研究結果仍存在較大的空白，其中很大原因是缺乏更準確的測試方法?，F階段常用的混凝土收縮和開裂的測試方法幾乎都不能擺脫混凝土早期凝結前塑性流動狀態下，容器的約束對實驗結果的影響。為了更加真實和準確的反應混凝土的變形狀態和變形機理，需要開發出新的測試方法，在無試模約束，甚至完全自由條件下測試混凝土早期塑性流動狀態的收縮變形。