混凝土構件早齡期階段收縮試驗方法研究

張麗珺，梁秋爽，周利梅

（重慶電訊職業學院，重慶 402247）

1 引言

到目前為止，混凝土早前期自收縮的測定還沒有統一的方法。20 世紀90 年代開始，隨著高性能混凝土的廣泛應用，混凝土的自收縮再一次被學者們重視，學者大多從混凝土的原料、外加劑和摻和料[1]對混凝土自收縮的影響出發，尋求減少混凝土自收縮引起開裂的方法，但是對如何測定收縮的方式研究較少。

混凝土早期性能是指混凝土結構還在成型階段所體現出來的性能，在該階段混凝土經歷復雜的物理化學反應，體積狀態仍不穩定，學者袁勇[2]在《混凝土結構早期裂縫控制》中將該階段分為塑性階段、早前期階段以及早期階段三個階段。混凝土在塑性階段（澆筑后6h～12h）時，處于流動狀態，雖然體積變化劇烈，但是不會產生約束收縮應力，所以在對混凝土力學研究時，一般不考慮這個階段，但是在混凝土結構體積變形控制時，要考慮混凝土這個階段的收縮變化。混凝土在早前期階段（終凝后～72h），水化過程過快，強度和剛度發展迅速，由于這一階段混凝土結構一般不會拆模，因此該階段混凝土發生的收縮主要是自收縮。早前期階段需要注意對結構的養護，避免混凝土發生比較大的干燥收縮。早期階段（澆筑后72h～90d），這一階段混凝土水化已經完成，其硬化程度和基本性能趨于成熟。

本文主要取混凝土終凝后至28d這一階段，稱之為早齡期階段，對其自由收縮以及在約束條件下收縮的研究方法進行闡述。

2 混凝土構件早齡期自收縮試驗方法分析

2.1 試驗方法

根據規定[3，4]，檢測普通混凝土收縮的方法為在試件（100mm×100mm×515mm）的兩端預先埋置好測頭，測頭材料一般為不銹鋼材料，準備好的試件1d后才可以拆模并且需要標準養護環境下不少于3d 的養護，然后將試件放置于溫度20℃、RH60%的干燥環境中，每天記錄試件長度與齡期的關系，數據用千分表測定。這種方法當試件前期水化收縮占總收縮的比例不大時，是滿足要求的。但是對于高強混凝土，由于其早期水化劇烈，忽略前3d的變形，誤差就會偏大[5]。

國外針對這種情況對試驗方法進行了改進[6]，改進方法是將試件平放，試件拆模后裝試驗儀器，在不搬動試件的情況下對試件進行測量。即便采用這樣的試驗方法，測量方法也有很多種。

侯景鵬[7]總結了多種測量方法并分別進行了評價。本文設計采用端部接觸式傳感器，將傳感器放在混凝土試件的兩端，傳感器頭抵住端部中央。這樣做既簡化了測量操作，又能得到比較精確的測量數據。數據采集系統是電腦控制的自動數據采集系統，采集精度控制在不小于10-3mm，傳感器安放原理如圖1 所示。

圖1 混凝土試件自由收縮測量原理

2.2 影響自收縮試驗結果的因素

2.2.1 靜摩擦力對試驗結果的影響

由于試件是水平測量，試驗時需要注意兩處摩擦力問題：①試件與底模之間的摩擦力不能過大。可在試件澆筑前將聚四氟乙烯（PDFE）板墊在底模上，以減少底板與試件之間的摩擦，同時注意板與底模間也需要涂機油以減少二者間的摩擦。②傳感器與混凝土試件之間的摩擦。可將傳感器與混凝土構件平行布置于混凝土斷面中間位置，以降低兩者之間的摩擦。

由于試件變形緩慢，所以其與底板之間的摩擦力被視為靜摩擦力。由測量模板一端慢慢抬起直至試件開始自由滑落時的高度，計算試件與底模間的摩擦系數。在本試驗中，底模長度為1200mm，測得模板抬起300mm 時試件開始滑動，取模板與水平方向夾角為θ，則sinθ=300/1200=0.25，由此可得摩擦系數μ=tanθ=1-sin2θ/2=0.258。將重量0.24kN、尺寸100mm×100mm×1000mm 的混凝土試件經過自由收縮測量試驗后再進行摩擦力試驗，可得如下結果。

單位長度的摩擦力?為：

則此時摩擦力限制的收縮量△?為：

整理后得：

式中，F 為試塊重量，kN；為試件長度，mm；Et為混凝土彈性模量，N/mm2；A為截面面積，mm2。

如C30混凝土在28d齡期的彈性模量[6]，此時，據此可計算在摩擦力影響下混凝土試件應變值

混凝土早期發生的收縮微應變為102數量級，所以基本可以忽略此摩擦力對應變值變化的影響。

2.2.2 測量方法對試驗結果的影響

研究表明[7]，用LVDT 測量方法可減小誤差，比千分表測量方法更具可控性。規范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ82-85）規定用千分表測1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d 讀數，以確定試件收縮長度，肉眼讀數時容易引入隨機誤差，并且讀數時要接近儀器，可能擾動儀器，讀數時間人為控制，也會帶來時間誤差。用LVDT 測量時，用計算機控制時間，并可縮短測量時間間隔。試驗開始時設定測量時間間隔為2h，3d后更改時間間隔為4h，7d后可半天測一次，28d 后兩天測一次，這樣可以得到比較精確的測量值。

2.2.3 早齡期干燥收縮對試驗的影響

混凝土在早期加強養護時，前3d 的混凝土不會跟外界發生水分交換，所以混凝土的干燥收縮可以在養護3d后進行測量[8]。但在實際施工現場由于條件受限，不可能達到標準養護，即使是覆蓋塑料布、及時澆水，都不可能達到養護室的養護濕度90%（高強混凝土要求95%），因此不能忽略混凝土在前3d 發生的干燥收縮。混凝土試塊拆模1d后進行測量得到的混凝土干燥收縮如圖2 所示（混凝土配置強度C30，塌落度120mm，環境濕度50%，試件長度1m）。

圖2 混凝土干燥收縮圖

此時可以看出混凝土前3d 的干燥收縮大約為200微應變，高強混凝土可能會更多[9]。由于此試件是在混凝土剛拆模后就放入干燥環境中進行自由收縮，可能收縮量會大于實際工程，但是前3d 的收縮還是不能忽略的。計算公式[7]在計算混凝土干燥收縮時用的收縮極值為324 微應變，遠小于上述試驗結果，主要原因是收縮測量開始時間是在構件養護3d后開始。而歐洲規范給出的極限干燥收縮值是700微應變，主要是測量開始時間的不同。

3 混凝土在約束狀態下早齡期應力變化研究方法

混凝土在約束狀態下的早期應力變化是由于混凝土收縮和徐變的共同作用產生的。混凝土在約束狀態下收縮會在內部產生拉應力，而徐變又會釋放掉部分應力。因此研究混凝土早期性能的一個關鍵問題就是理解混凝土早期收縮和徐變共同作用的機理。混凝土的收縮可以直接測得，但徐變需要結合構件在約束狀態下拉力變化及收縮通過計算求得。目前我國規范還沒有對約束條件下混凝土早期應力的試驗方法做出規定，當在常用試驗方法中，約束條件主要分為環形約束和直線約束[10]。

3.1 環形約束下早齡期應力試驗方法分析

環形約束試驗需在剛性約束鋼環外澆筑一層較薄的環狀混凝土，并用硅橡膠進行密封，環狀混凝土在發生收縮時會受到鋼環的限制，從而在環向產生拉應力發生開裂。文章是通過觀察開裂情況研究應力變化，其裝置圖如圖3 所示。研究也可對這種環形約束試驗進行改進，用電阻應變片對環狀混凝土外側及鋼環內部進行應變監測，來分析混凝土的應力變化。

圖3 環形約束收縮試驗裝置圖

環形約束的優點是試驗方法簡單，操作者容易掌握，約束環測得的應力數據不容易發生偏心。需要注意的是一般情況下在采集混凝土收縮數據時只有兩個面暴露在空氣中，所以其缺點是無法得到混凝土構件中內部水分蒸發的實際數據，難以測量鋼筋混凝土試件的收縮。

3.2 直線約束下早齡期應力試驗方法分析

直線約束適用的試件長度遠大于橫截面，這樣就可以假設應力和收縮的變化是沿著直線方向發展的。直線約束雖然可以克服環形約束的缺點，但也容易發生偏心的影響。采用足夠長的構件，可以降低這種偏心影響，甚至可忽略不計。

直線約束有兩種形式：內部鋼筋約束以及外部約束。兩種約束條件下比較容易測得約束力的方法是內部鋼筋約束，只要在鋼筋上貼應變片即可，當然這樣不是最理想的完全約束力，因為內部鋼筋的約束力不充分，想要得到最終完全約束力需要對測得的應力進行換算，而混凝土的徐變量與完全約束狀態下的徐變量相差較大，所以鋼筋約束狀態下很難評定構件是何時開裂的。外部約束的條件比較嚴格，首先構件長度不變，這就需要電液伺服系統來控制，其次收縮要求架體剛度較大。約束力則是通過試件端部的力傳感器來測量，所得的數值可以作為完全約束狀態下的約束力，這樣就避免了在對數值進行修正時由于材料非線性等因素引起的誤差。

圖4 是被動外部直線約束下測得的混凝土在干燥收縮作用下產生的拉應力隨時間變化圖。由于此試驗沒用電液伺服系統控制試件長度，所以試件在約束收縮下產生的拉應力會因架體剛度在拉力下收縮，導致部分拉應力被釋放掉，并且試件收縮是在混凝土收縮與徐變共同作用下產生的，一部分拉應力同樣會因為徐變作用而釋放。構件的實際拉應力需要計算出架體收縮量后進行修正，但是修正后的試件拉應力很難考慮徐變作用，會產生較大誤差。這種修正要跟電液伺服系統控制長度下的測量結果做比較，來得到比較準確的修正系數，或者直接用帶電液伺服的架體控制試件長度不變。

圖4 混凝土約束收縮應力圖

3.3 早齡期收縮及徐變關系分析

混凝土早期強度和彈性模量可以反映出混凝土早期性能，在對混凝土早期性能進行研究時需要對兩者進行監測[11]，根據所得數據共同評價混凝土早期收縮及徐變對早期性能的影響。εt為時刻t的應變量，δt為同等條件下混凝土試件受主動約束時的應力，則此時的混凝土徐變應變量為εt-δt/E1。構件端部約束剛度不同會影響徐變量的改變，控制其在約束狀態下的長度，可得徐變量和約束間關系。

鋼筋混凝土和普通混凝土的約束收縮有所不同，而鋼筋混凝土為最常見的工程構件，混凝土中的鋼筋視作約束時，就會增加混凝土的約束作用，可以得出鋼筋混凝土在混凝土早期收縮作用下比普通混凝土更易開裂的結論。而實踐經驗是一定量的鋼筋可以減少混凝土裂縫的發展，這種現象王鐵夢[12]在《工程結構裂縫控制》中給予了解釋，這些工作只有在直線主動約束作用下才能得到比較準確的數值，但是配筋率對約束力的影響仍需研究。

4 結語

高性能混凝土的發展及各種外加劑的使用，給本來就復雜的混凝土早期構件中的物理化學變化增加了很多不確定因素，因此關于混凝土早期性能有效測試的研究方法顯得尤為重要。本文針對能夠反應混凝土早期性能的自收縮和約束狀態下應力變化試驗方法進行研究，結論如下：

①在混凝土早期自收縮測量中采用端部接觸式傳感器進行測量，經過分析認為，混凝土構件與底板之間的靜摩擦力對試驗結果的影響可以忽略不計；用LVDT測量方法比千分表測量方法更具可控性，可以減小誤差；在試驗過程中要重視混凝土構件養護前3d 的干燥收縮對測量結果的影響。

②混凝土構件在約束狀態下應力變化分析顯示：環形約束試驗裝置僅限于素混凝土收縮的測量。直線約束狀態對混凝土狀態沒有要求，為了提高試驗的準確性，測試混凝土試件應力變化時，需結合電液伺服系統控制試件長度，并對測量結果進行準確修正。

③監測混凝土早期強度和彈性模量同樣可以評價混凝土早期收縮及徐變對早期性能的影響。