混凝土變形測(cè)量方法及分析

王金盛 汪 新 龍躍凌

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

0 引言

現(xiàn)代建筑多為混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑成型后，由于其水化硬化過(guò)程會(huì)不斷消耗水分，出現(xiàn)體積收縮的現(xiàn)象，加上環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生影響，這會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)貫穿型的通縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的性能，這是造成工程事故的主要原因[1]。因此，關(guān)于混凝土的變形這一問(wèn)題一直受到人們關(guān)注，這使得混凝土變形的測(cè)量方法也逐漸得到關(guān)注。目前，針對(duì)混凝土變形測(cè)量的方法豐富多樣，但是測(cè)量方法和設(shè)備不盡相同，其測(cè)量原理及測(cè)量精度均有較明顯差異。已有研究證明[2-3]，多數(shù)試驗(yàn)測(cè)量方法單一、重復(fù)試件少、精度低，對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)意義有限。本文根據(jù)規(guī)范《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082—2009）[4], 針對(duì)接觸法和非接觸法在混凝土自由變形和約束變形測(cè)量中的具體應(yīng)用進(jìn)行綜述，供工程實(shí)際參考。

1 混凝土變形測(cè)量方法

1.1 測(cè)量原理

混凝土?xí)S著水泥水化、水泥石的碳化和水蒸發(fā)等原因而產(chǎn)生變形，其中有自由變形和約束變形。自由變形是指混凝土在變形過(guò)程中沒(méi)有受到約束而產(chǎn)生的變形，約束變形是指混凝土在變形過(guò)程中受到鋼筋、鋼管、FRP 等材料的約束而產(chǎn)生的變形。多數(shù)學(xué)者基于此原理設(shè)計(jì)了混凝土變形的測(cè)量裝置。

1.2 混凝土自由變形測(cè)量

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中建議采用非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀來(lái)測(cè)定混凝土自由變形，這種方法雖然精度較好，但需要專(zhuān)用的模具和測(cè)量設(shè)備，因此該方法受到了一定的限制。巴恒靜等人[5]針對(duì)測(cè)量混凝土的早期收縮提出了一種非接觸式感應(yīng)式早期收縮測(cè)量?jī)x，如圖1 所示，試驗(yàn)裝置主要由密封模具、微位移傳感器、溫度測(cè)定儀及滑動(dòng)軌道組成，模具底部有一層減摩的特富綸。其測(cè)量原理是通過(guò)傳感器輸出的電壓值來(lái)反映傳感器端頭與鋼測(cè)頭之間的距離，從而得到出混凝土的變形值。

圖1 非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測(cè)量?jī)x

韓帥和袁強(qiáng)松[6-7]通過(guò)百分表接觸式測(cè)量方法測(cè)量了蠟封后的棱柱體試塊的變形，如圖2 所示，該裝置主要由表架和百分表組成，底部是20mm 的平整鋼板。

圖2 百分表接觸式測(cè)量?jī)x

Zhang 等人[8-9]為了測(cè)量混凝土的膨脹，提出了一種測(cè)量早期混凝土變形的非接觸式裝置。見(jiàn)圖3。該裝置由一個(gè)聚甲基丙烯酸甲酯（PMPA）模具、不銹鋼計(jì)量螺柱和線性位移計(jì)（LVDT）組成，其中LVDT 用于測(cè)量螺柱的位移。模具內(nèi)裝有四個(gè)2mm 厚的可拆卸PMMA 板，底面鋪了一層厚度為1mm 的聚四氟乙烯薄膜，用于減少混凝土與模具之間的摩擦。待混凝土凝固后（大約澆筑后2 小時(shí)），移除PMMA 板，使用塑料膜包裹混凝土棱柱，然后將混凝土棱柱放入恒溫濕室中。期間，LVDT 與采集儀連接，可根據(jù)需要設(shè)置采集頻率。

圖3 LVDT 接觸式混凝土收縮測(cè)量?jī)x

1.3 混凝土約束變形的測(cè)量

由于膨脹劑、輕骨料等新材料在鋼管混凝土、FRP約束混凝土的廣泛使用，許多學(xué)者對(duì)約束混凝土構(gòu)件的變形測(cè)量進(jìn)行了研究。

對(duì)于鋼管/FRP 管約束混凝土，文獻(xiàn)[6-7,10-14]中均是在管的外表面1/2～1/4 高度處以環(huán)向均勻布置若干個(gè)應(yīng)變片，如圖4 所示。當(dāng)核心混凝土膨脹時(shí)，外管受到混凝土的軸向和徑向應(yīng)力而產(chǎn)生相應(yīng)的軸向和環(huán)向拉伸應(yīng)力，同時(shí)混凝土處于三向壓縮應(yīng)力的作用下，外管和混凝土的受力圖如圖5 所示。測(cè)量得到的外管軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，可根據(jù)公式⑴和⑵計(jì)算得到外管的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，然后再根據(jù)公式⑶和⑷計(jì)算得到混凝土的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

圖4 鋼管應(yīng)變片布置圖

圖5 鋼管及混凝土受力圖

式中：

σz、σθ——外管的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力；

εθ、εz——外管的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變；

Es——外管的彈性模量（MPa）；

μ——外管的泊松比；

σch、σcz——核心混凝土的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力；

t——鋼管壁厚（mm）；

D——鋼管外直徑（mm）。

李長(zhǎng)成等[15]采用具有自動(dòng)對(duì)中功能的鋼絲式限制膨脹混凝土測(cè)定儀，如圖6 所示。該裝置主要由混凝土模具、縱向限制器、千分表和測(cè)量鋼絲組成。該裝置主要通過(guò)萬(wàn)向鉤子將測(cè)量鋼絲與電子千分表連接，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中，當(dāng)混凝土變形時(shí)，測(cè)量鋼絲會(huì)帶動(dòng)電子千分表，從而得到混凝土的變形值。

圖6 自對(duì)中鋼絲式限制膨脹率測(cè)定儀

2 測(cè)量方法分析

上述測(cè)量方法各有其特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：①非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)早期混凝土變形的測(cè)量，并且可在滑道上增加臺(tái)座從而增加測(cè)量試件，減少人為測(cè)量的影響，而且只需要一臺(tái)測(cè)量設(shè)備，精度可達(dá)0.1μm；②百分表接觸式測(cè)量方法的裝置簡(jiǎn)單，成本較低；③LVDT 接觸式混凝土收縮測(cè)量?jī)x方法可減少人為的影響并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，大大提高了測(cè)量精度；④使用應(yīng)變片測(cè)量鋼管/FRP 管約束混凝土變形的方法優(yōu)點(diǎn)在于布點(diǎn)靈活，精度較高，且可連續(xù)測(cè)量；⑤自對(duì)中鋼絲式限制膨脹率測(cè)定儀相對(duì)于傳統(tǒng)的限制測(cè)定儀來(lái)說(shuō)，支架上的測(cè)量鋼絲可自動(dòng)完成與電子千分表對(duì)中，消除了立式架法中試件對(duì)模具的沖擊以及人為對(duì)中產(chǎn)生的誤差，增加了測(cè)量的精度。

缺點(diǎn)：①非接觸感應(yīng)式混凝土早期收縮測(cè)量?jī)x無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，需要推動(dòng)臺(tái)座才能測(cè)量，當(dāng)試件多時(shí)占地大，較不方便；②百分表接觸式測(cè)量方法未使用測(cè)量銅釘，混凝土下表面的平整度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響，而且試件還需克服重力作用，所以測(cè)量精度稍差，僅為0.01mm；③使用應(yīng)變片測(cè)量鋼管/FRP 管約束混凝土變形的方法受試件尺寸和環(huán)境溫度的影響較大，隨著試件尺寸增大，混凝土初期的水化熱和后期環(huán)境溫度對(duì)結(jié)果的影響會(huì)越發(fā)明顯；④自對(duì)中鋼絲式限制膨脹率測(cè)定儀的試驗(yàn)設(shè)備比較復(fù)雜，需要人工讀數(shù)。除此之外，測(cè)量設(shè)備的測(cè)頭和被測(cè)面的位置、測(cè)量開(kāi)始的時(shí)間和環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不利的影響。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段對(duì)混凝土的變形測(cè)量，測(cè)量設(shè)備的精度已越來(lái)越高，逐漸使用全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，以減少人為測(cè)量的誤差。這樣的測(cè)量方法顯著提高了混凝土早期變形測(cè)量的精確性和效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和試驗(yàn)成本。但是，測(cè)量過(guò)程中還是存在一些誤差，除了應(yīng)該采用高精度設(shè)備以外，還應(yīng)該選擇合適的測(cè)試環(huán)境條件，如溫度、濕度和測(cè)量時(shí)間等，進(jìn)一步優(yōu)化混凝土變形測(cè)量的方法。

本研究認(rèn)為，混凝土變形測(cè)量將有以下兩個(gè)主要發(fā)展方向：

⑴采用更高精度的設(shè)備裝置測(cè)量混凝土的變形，實(shí)現(xiàn)早期和脫模后兩階段的精確測(cè)量。

⑵降低試件模具、溫度等對(duì)早期混凝土變形的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。