混凝土收缩检测方法优缺点

混凝土收缩的检测方法及其优缺点
1.自收缩和试验方法及其优缺点
自收缩简介
自收缩(autogenous shrinkage) 是指浇筑成型以后的混凝土在密封条件下表观(apparent) 体积(或长度) 的减小,它不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积(长度) 的变化
1.1埋入应变计法
我国水工混凝土试验规程中建议埋入应变计的方法测定收缩(图1)。

虽然埋入应变计的方法精度较高, 但当早期混凝土尚无足够强度时, 应变计无法与混凝土同步变形,而高强混凝土恰恰此时产生很大的自收缩, 无法准确测得混凝土早期收缩, 往往使所测得的收缩值偏小。

另外, 该应变计价格昂贵无法重复利用, 故埋入应变计法的应用也受到一定程度的限制。

1.2电容式测微仪法
马新伟等研究出的电容式测微仪法是一种非接触式的位移测量装置, 试件尺寸为40mm @ 40mm @ 1000mm, 左侧端模与侧模、底模间留有2mm 缝隙可使试件自由收缩, 为保证试件与环境无物质交换, 试模内侧衬以铝箔并待试件成型后覆盖外表。

电容式测微仪可精确测量混凝土变形, 精度可达10- 6。

变形测量在试模中进行, 混凝土试件一旦成型结束, 变形的测量即可开始, 可以测量混凝土变形的全过程。

该法克服了传统测量方法中变形测量只能在1天混凝土拆模后才能测量的弊端, 真实地反映了混凝土的收缩变形。

1.3阶段式混凝土自收缩测试法
东南大学的田倩和孙伟等在国内外自收缩测量方法基础上研究了阶段式自收缩测试方法。

自行设计了混凝土早期自收缩的测试系统。

根据混凝土的自收缩发展规律,可以分段测量: 采用立式测量方式和非接触传感器可使凝缩测试初始时间提早到浇筑成型后即开始; 采用横向测长方式和非接触传感器可测试1d以前的自干燥收缩; 采用立式千分表可测试1d以后的长龄期自收缩。

该系统可有效防止模具的约束及外界震动的干扰, 测试过程中毋须拆模及搬动试件, 并实现了数据的自动化采集及分析。

该系统的试验结果具有很好的重现性, 测试结果与定义相一致。

采用100mm @ 100mm @ 515mm 的收缩试模, 内衬双层PVC塑料薄膜。

试件一端埋有不锈钢钉头, 成型后将其表层盖住, 1d拆模后将试件外表涂上石蜡, 再放入110mm @ 110mm @ 550mm 的方形铁皮桶内, 并以液体石蜡填充密封空余部分。

测试环境温度为( 20 ?2) e , 相对湿度( 60 ? 5)%。

安氏自收缩测试法
安明哲在日本Tazawa[ 7, 8] 自收缩测试方法的基础之上对混凝土自收缩测定方法进行了改良。

混凝土收缩试件的尺寸定为100mm @ 100mm @ 324mm。

混凝土浇注到试模内立即密封试模, 带模测定收缩。

测定装置由3个部分组成:混凝土密封试模、千分表架和温度测定仪。

混凝土密封试模内底衬有一层特富纶, 长方向的内侧衬有可插拔的侧板, 密封盖与试模之间设有密封垫, 并用密封螺栓紧固, 短向板留有伸出测头的<4孔(图2)。

安氏自收缩测试法不仅可以精确地测定混凝土无强度的条件下早期自收缩值, 而目还可以精确地测定出后期自收缩值。

但是如果测量龄期延长、测量试件数量增加时, 需要的装置数量增加, 而且设备占用空间增多, 试验不能实现自动控制和自动数据采集处理,故整个试验过程会变得更为繁琐。

1.4非接触感应式自收缩测量方法
巴恒静等人提出一种非接触感应式混凝土早期自收缩测量方法, 通过涡流传感器输出电压值的改变可反映出传感器端头与测头间距离的变化。

混凝土试件的尺寸选定为100mm @ 100mm @ 400mm。

混凝土浇筑到试模内立即密封, 带模测量收缩, 如果测量组数多, 测量龄期长, 对1d后的收缩也可在拆模后密封试件进行测量。

该法测量精度高达011Lm。

测温设备采用数字温度测定仪, 可同时测量20个点的温度, 可以实现使用一对传感器对多个试件进行测量。

该自收缩测量方法克服了以往手动测量方法的不足, 可连续自动测量混凝土的体积变形, 尤其是测量混凝土的早期自收缩。

1.5LVDT 传感器法
1.5.1 嵌入式法
在棱柱体模具中放置两根竖向金属杆，金属杆顶端与I V (线性可变示差传感器)相连，以杆
顶端的水平位移反映混凝土收缩的大小。

该方法有如下问题：首先，混凝土沉实和自重对杆支座产生的压应力，可能引起金属杆转动而给测量带来较大误差。

其次，很难评价所测得的水平位移到底是整个模具长度内试件的轴向收缩还是仅为靠近上外表处的收缩。

1.5.2 悬挂式
为了克服上述嵌入测量的缺点，有研究者提出将金属杆通过支座和横轴挂在混凝土试件上方。

这样由于金属杆未通过整个试件厚度，能够消除支座产生附加倾角的影响，但这并不能完全解决混凝土沉实的影响。

1.5.2 内置式
挪威和瑞典的研究者利用置于试件中部的LVfI"来量测收缩。

这解决了混凝土外表约束的影响，但在安置LVfr之处，与模板交界的混凝土会有不确定的影响，浇捣混凝土时不可防止的会受到模板上孔的影响，测量结果可能包含因混凝土沉实造成的膨胀位移，并且混凝土沉实对LVfr产生的竖向压力，也会给水平测量带来误差。

1.5.3 外表传感器
近来有研究者将轻质传感器置于混凝土材料外表量测收缩。

采用这种方法，只要传感器在混凝土外表保持水平，混凝土沉实就不会对测量产生影响。

1.5.4 非接触式
采用不需接触的传感器，比方利用预埋在试件中的金属反射体产生的反射脉冲来测量混凝土收缩，模具需由对金属放射无影响的类似PVC塑料的材料组成。

1.6.1 环形约束收缩试验
试件在木质底板上竖向同心浇注，试件上外表用硅胶树脂密封，保证干燥收缩只在环的外外表发生。

对于一般约束收缩实验，浇注后ld拆模，标准养护4d后，试件暴露于加℃、RH 40％干燥环境中(国内外对干燥环境的定义不同，国外一般指RI-I40％，而国内规定RH60％)，观察开裂的龄期、裂缝宽度、数量以及随龄期的发展变化情况。

对于早期约束收缩实验，应在浇注后2．5h拆模，然后立即将试件置于干燥环境中测量。

裂缝观测用100倍的显微镜，最小分辨率可达2．5 m，基本能够满足试验的需要。

为提高测量精度，MiIDslknv 采用全息照相技术观测初始开裂的龄期，当前后两次全息图象上试件边缘出现突变时，就认为试件已开裂，而这时显微镜由于最小分辨率的限制，可能并未观测到裂缝的出现。

环形约束试验有如下优点：(1)实验装置简单，操作方便；(2)约束钢环可以对混凝土收缩提供足够的约束限制，约束应力均匀，可有效地克服轴向试件施加端部约束的困难和易产生偏心等缺点；(3)试件轴对称，处于环向均匀拉伸应力状态，应力可由钢环压应变间接衡量；(4)在一定范围内，试件尺寸、边界情况对实验结果影响不大，易于推广及标准化，便于对实验结果的分析和比较。

但其也有不足之处：(1)环形约束试验的物理意义不如轴向约束直观，混凝土受力状态与实际工况不符；(2)约束程度不明确，难以动态地将约束应力和构件开裂联系起来；(3)内外表与钢材相接触成为密闭状态，收缩表里不均一；(4)只能用于素混凝土试验，而无法应用于配筋构件；(5)只能观测开裂龄期和裂缝宽度，无法提供足够信息进行理论分析。

1.6.
2.1 端部约束收缩实验
轴向端部约束试验是理想的主动可控约束收缩试验。

主要由Kovler、Shah ’等人逐渐发展完善，典型的试验装置见图4。

试件的有效长度为1m左右，截面尺寸按不同需要可以做成4(ham、5(ham、75ram等的正方形。

为方便约束力施加，试件端部通常做成局部大头，一端固定在框架上，另一端安装在滑道上可以移动，移动端连接高精度拉力传感器和位移传感器，实时测量位移和约束应力变化并调整荷载，保证所要求的约束度。

电机的转动通过换向装置转换成轴向平动荷载，系统的控制、数据的采集都由电脑控制下的电液伺服系统实现。

所有部件必须精确制作安装，保证系统线性不偏心、无附加的摩擦力和扭转效应，模板和框架之间、试件和模板之间以及滑道上都要采取合适的减摩措施。

David A．Lange 实验中，试件横截面尺寸为7&rim×7&rim，有效长度1m，荷载传感器的量程为20kN。

在实验前预先规定一个收缩门槛值5 m，每当收缩变形到达该阀值时，将会启动加载系统，使移动端重新回到原来初始位置，通过这样的控制，可以把收缩变形、徐变变形、弹性变形正确的从总变形中区分开来，便于进一步的开裂机理分析。

Ronit 采用截面为4(ham×4(ham、有效长度为1m的试件，荷载传感器量程5000N，收缩门槛值设为2P-m。

轴向端部约束收缩试验既可以应用于素混凝土试件，又可以应用于配筋混凝土试件。

约束程度和加载方式可以按研究的需要设定，试验可控程度高，试验结果基本不受试件尺寸限制。

不足之处是在实际操作中有一定困难。

首先，这种试验类似于混凝土直接拉伸实验，难点在于给试件的端部提供充分的、不偏心的约束力。

当试件截面尺寸较大，相应的约束力也较大时，实现这一点比较困难；其次，为了提供充分的约束而产生开裂并能及时观测到变形和应力的试验装置是昂贵的，通常需要电脑控制下的电液伺服加载系统，对系统的灵敏性和敏感性要求非常高；另外，就好的约束而言，要求系统应该尽可能坚固，而为了精确的测量试件中比较小的约束拉应力和收缩变形，又要求系统很灵敏，这二者是互相矛盾的。

1.6.
2.2 钢筋内约束收缩实验
轴向钢筋内约束收缩实验用来模拟钢筋对混凝土
收缩的限制，属于不完全约束。

这种构件受力状态与实际结构相近，主要用于研究不同配筋率、钢筋直径、钢筋外表形状、粘结长度等对混凝土收缩限制的影响，可以得到不同配筋率和约束率之间的定量关系。

在钢筋上贴应变片可间接测得约束应力，约束变形则用千分表或LVIYr来测量，实验方法简单，不需要特别的加载设备和控制系统。

但是，约束率在实验前无法判定，约束程度可控性不强，并且通过钢筋贴片确定约束应力的方法会受到钢筋和混凝土之间粘结滑移的影响而不准确。

这类实验多为日本研究者所做。

日本JCI自收缩研究委员会为此专门提出了一个实验法案n。

1，该方法采用一根D32的变形钢筋作为约束物埋在长1．5m、横截面尺寸为lOOmm X 100mm 的混凝土试件中，在试件中间区段30嘶蚰内的钢筋上贴应变片测收缩应力。

很多学者认为，该方法规定的试件太长，试件端部的锚固有足够的赢余，可对该法案进行适当调整，减小试件长度，提高可操作性。

中川【1l 采用的试件长度为lm，横截面为lOOmm X lOOmm，分别用一根直径为D41、D32、D25、D19、D16的变形钢筋约束，得到不同配筋下约束率随龄期的变化规律以及变形稳定后配筋率和约束率的关系。

桥田“进行了高强混凝土钢筋内约束收缩实验研究，试件尺寸为800ramX lOOmmX lOOmm，内部用4根钢筋约束，主要研究了钢筋外表处理和端部粘结对收缩的影响。

1.6.3 板式约束收缩实验
环向和轴向约束实质上都属于单向约束，工程中对早期收缩开裂最敏感的却是一些板式构件，如混凝土楼板、屋面、桥面板、路面以及工业厂房地面等。

这类构件都是处于双向收缩状态的，为模拟这些构件的早期收缩开裂情况，需要进行板式构件的约束收缩实验。

板式双向约束既可以只在板四周用铆钉加以约束，也可以在板端和板底同时加以约束，既可以应用于素混凝土收缩开裂的研究，也可以应用于配筋混凝土收缩开裂的研究。

典型的板式约束试验是60(knm X 60(knm X 63mm的板，每边用l4个010×100的螺纹钢柱端部约束，板底用塑料减摩，试件浇注后置于标准养护室并用薄膜覆盖养护以防失水，24h后拆模置于干燥环境下实验，观测初始开裂的龄期、裂纹的长度和平均宽度，每条裂纹的平均宽度乘裂纹长度得出一个加权平均值，一块板上所有裂纹的加权平均值之和叫做“总加权平均值”，用于衡量板开裂的可能性。

但是这种不配筋的小尺寸构件似乎只适用于超早期的塑性收缩研究。

板式约束收缩实验影响因素较多，实验结果对试件尺寸、材料特性、配筋的情况、环境状况等的依赖性很大，不利于相互比较及标准化，并且约束程度不可预见，想进行精确的理论分析也比较困难。

1.7 电涡流法
基于电涡流法原理的混凝土早龄期收缩仪主要由非接触式位移传感器、反射金属片、探头和电脑采集系统组成. 混凝土拌合物成型后带模固定在试验台上, 探头与反射金属片距离L 为4 mm 左右.接通220 V 交流电源, 由传感器发出高频电流信号, 通过探头产生交变磁场H 1 , 在反射金属片上产生电涡流, 金属片上的电涡流同时产生反向交变磁场H 2, 从而改变探头内线圈的阻抗(如图1 ).阻抗变化与电涡流效应和静磁学有关, 根据麦克斯韦方程可得到近似线性函数关系[ 7] . 探头内线圈的阻抗变化通过并联谐振振荡器, 经检波、滤波、放大和线性修正转换成电压输出, 得到的模拟信号通过电脑自动记录并绘制曲线. 这种测试方法可5m in采集一个数据, 测量精度可达01001 mm.
性能分析
电涡流法得到的混凝土早期收缩呈现出比较强的规律性, 随水灰(胶)比、引气剂以及掺合料的改变, 其测试结果与以往的定性研究结果较吻合. Persson[ 9] 对水胶比为0138的C60硅灰混凝土3 d进行收缩测试, 最大值可达120 @10- 6, 与SB3试件3 d (收缩值113 @ 10- 6 )非常接近. 由于混凝土的非均质性和试件制作的差异, 很多性能测试结果呈现出比较大的离散性.
1.8 差动位移传感器
[ 12] 通过在混凝土试件两端分别埋入两个线性差动位移传感器监测混凝土早期体积的变形( 见图2) 。

这种方法操作简单, 受人为影响小, 但在测量时, 每个混凝土试件都得配备两个传感器, 而且在测量过程中不能移动或窜用试件或传感器, 造价高。

1.9 线振仪法
Serge Lepage 等人[ 8] 在混凝土中埋入线振仪( 如图3 所示) , 这种线振仪里面包含一个金属弦, 而金属弦的共振频率与它所受压力有一定函数关系, 从而通过一个电磁激振器测量线振仪的共振频率随时间的变化就可测量出混凝土的体积变化。

这种方法构思巧妙, 不失为一种好的测量方法。

但关键问题在于线振仪应有适当的刚度, 刚度大容易埋置, 但对早期收缩不敏感, 刚度太小, 虽然灵敏度高但却不容易埋置和操作; 同时, 早期混凝土能否与这种传感器粘结良好, 传感器的变形是否真实反映出混凝土的变形, 还值得探讨。

1.10 千分表法
国内有人采用100mm 100mm 324mm 的试件, 利用两端固定千分表测量混凝土自收缩, 测量过程中要防止试模或千分表架受到振动, 而且对每个试件配两个千分表, 测量过程中不能替换。

如果测量龄期延长且测量试件数量增加时, 需要这种装置的数量增加且占用空间多, 而且不能实现自动控制和自动数据采集处理。

试验装置如图4 所示。

千分表法测量收缩具有操作简单、投资少等优点，但误差较大。

2.化学收缩和试验方法及其优缺点
化学收缩简介
化学收缩即水化收缩。

所有的胶凝材料水化以后都存在这水化反应的主要产物是水化硅酸钙凝胶,其体积小于水泥与水的体积之和,即固相体积增加,但水泥、水体系的绝对体积减小。

大部分硅酸盐水泥浆完全水化后,理论上的体积减缩7 %～9 %。

2.1 体积法
根据浸泡在水中的水泥试件水化过程中，试件上部的水面变化来测量的。

该方法试验装置较简单，但不能对数据实现自动化采集，需在一定时间间隔内人工记录，且盛试件的玻璃瓶对试件有约束，水泥水化过程中固相体积是增加的，试瓶可能破裂。

高英力对这种方法进行了改良(改良后的试验装置见图4)，在玻璃瓶中套一个塑料瓶，这样既不会对水泥试件产生约束，又可防止试瓶破裂影响试验结果。

改良后的体积法试验装置, 由于水泥浆体的体积变化不受瓶壁及四周刚性物质的约束, 可以准确地反映在量管内液面的升降上, 具有设备简单、操作方便、读数准确等特点。

2.1 密度法
根据浸泡在水下的水泥试件水化过程中，水被吸收进入试件后其密度或浮力的变化来测量的。

第2 种方法的试验装置较复杂, 但可采用电脑自动采集数据, 记录的试验结果更精确。

试验过程中应注意: ¹充分搅拌水泥浆, 使水泥与水混和均匀, 水化反应充分, 并排出气泡; º防止水泥浆泌水; » 密封试验装置, 防止水分挥发。

3.碳化收缩和试验方法及其优缺点
3.碳化收缩简介
由于空气中含有的CO2 含量约为0. 04 % ,在相对湿度合适的条件下,CO2 能与混凝土中水泥水化生成的水化物如Ca (OH) 2和C. S. H 凝胶等起反应,称为碳化。

碳化伴随着体积的收缩,称为碳化收缩,是不可逆的。

影响混凝土碳化收缩的两个因素为CO2 的浓度和周围环境的湿度。

CO2 作为一个反应物,浓度越高反应越迅速,因而碳化收缩也越大。

而湿度则不然,当相对湿度为55 %时,碳化收缩达最大值。

当相对湿度大于55 %时,碳化收缩随相对湿度的增加而减少;当相对湿度小于55 %时,碳化收缩随相对湿度的减小而下降;当相对湿度低于25 %时,碳化收缩几乎停止。

试验方法暂无
4.干燥收缩和试验方法及其优缺点
干燥收缩简介
干燥收缩指的是混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部毛细孔水,凝胶孔水及吸附水而发生的不可逆收缩,它不同于干湿交替引起的可逆收缩,随着相对湿度的降低,水泥浆体的干缩增大,且不同层次的水对干缩的影响大小也不同。

根据计算,完全干燥的纯水泥浆体收缩量为1 ×10 - 2 。

干燥收缩的测试方法主要有手持式应变仪法、标架千分表法、立式千分表测长仪法和弓形螺旋测微计法等。

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4.1手持式应变仪法
把试件做成100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱体,成型48 h后拆模,送至干缩试验室,在试件两相对位置粘贴标点,两标点间距为200 mm(粘贴标点易脱落,所以最好在成型时预埋标点) ,粘贴好标点后就可以用手持式应变仪测基准长度,然后按干缩龄期进行测量干缩变形。

此套装置由同济大学研制,其精度为0. 001 mm。

4.2 标架千分表法
我国铁道部、建工部门采用标架千分表法测混凝土干缩变形,其试件尺寸为100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱体,在试件两相对侧面预埋螺母,试件成型后2 d 拆模,立即放入干缩试验室,安装千分表架和千分表,标距为200 mm。

然后测量试件标准值,再按干缩龄期量测干缩变形。

一个干缩试件用2 支千分表,试件干缩变形为两个测值的平均值。

这种量测方法的精度为0. 001 mm。

但在实际量测中由于人为的误差,通常达不到实际的精度。

我国标准GBJ 80285 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法中对混凝土干燥收缩的试验方法如下:混凝土干燥收缩试件的模具尺寸为100 mm ×100 mm ×515 mm。

成型时两端预埋测头,每组成型3 条试件,成型1 d 后拆模,然后放入标准养护室中养护。

养护2 d 后取了测定基准长度,并放入温度为20 ±2 ℃,湿度为60 ±5 %的养护室中养护,按规定龄期测混凝土的收缩率。

通常用180 d 的收缩率评价混凝土的收缩,但在实际的研究中可根据具体情况增加或减少这个最终评价收缩的龄期。

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