干燥条件下混凝土非均匀收缩的测试方法.pdf

4 低温建筑技术 2 0 1 0 年第 3 期( 总第 1 4 1 期) 干燥 条件 下混凝土非均 匀收缩的测试方法 高小建 ， ( 1 ． 哈尔滨工业大学 土木工程学院 。 哈尔滨1 5 0 0 0 6 ； 2 张爱莲 i~ 1 ) i I 建筑职业技术学院 土木工程 系。 四川 德阳6 1 8 0 0 0 ) 【 摘要】 提出一种通过饱和盐溶液控制环境湿度、 多组 L V D T位移传感器为测试元件的混凝土收缩实验装 置， 可用于评价单面干燥条件下混凝土收缩变形分布特征。实测结果表明， 距离干燥表面不同深度处混凝土存在 明显的非均匀收缩变形， 这种非均匀收缩会在混凝土表层部分形成白约束收缩应力， 对混凝土收缩开裂产生加速 作用； 且这种非均匀收缩变形随着水灰比的减小而加剧。 【 关键词】 干燥条件； 非均匀收缩； 测试方法； 水灰比 【 中图分类号】 T U 5 2 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 } 0 3 一 O O O 4 — 0 3 M EAS UREM ENT M栅0D FoR DⅡ E圈阅AI ，s l Ⅱ CONCR EI E EXP oS ED TO DRY C0 Dn1 I G A O X i a o - j i a n ， Z H A N G A i — l i a n 2 ( 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H a r b i n I n s t i tut e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 6 ， C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S i c h u a n C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r a l T e c hno l o g y ， S i c h u a n D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a ) A~ l r a c t ： A ne w t y p e o f e q u i p me n t f o r me a s u r i n g c o n c r e t e s h r i n k a g e wa s d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r wi th s a t u r a t e d s a l t s o l u t i o n t o c o n t r o l r e l a ti v e h u mi d i t y o f e n v i r o n me n t a n d s e v e r a l p a i r s of L VDT d i s p lac e me n t s e n— sot s a s I l 1 e a s u dI c o mp o n e n t s ． T h i s e q ui p me n t V an b e u sed t o s t u d y s h r i n k age d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c ret e wi th o n e s u r f a c e e ] 0 s e d t o di~ i ng c o n dit i o n． Th e t e s t r e s u l t s s h o w tha t s h rink age s t r a i n d i ffe r s ma r k— e d l y i n c o n c r e t e a c co r d ing to t h e d e p t h f r o m d r y i n g s u rfa c e． S u c h diff e ren tia l s h r i n k ag e ma y r e s ult i n the f o r — ma ri o n of sel f - r e s t r a i n t s h ri n k a g e s t r e s s i n t h e s u r f a c e l a y e r of co n c r e t e a n d c o n s e q u e n t l y a c c e l e r a t e s h r i n kage c r a c k i n g o f c o n c r e t e ． An d s h rin k age d i ff e r e n c e i n con c ret e e x p o sed t o a ci ng con d i t i o n inc rea s e s、 、 r i t h the d e — c r e a s i n g o f wa t e r to c e me n t r a ti o． Ke y wo r d s ： d r y i I lg c o n dit i o n ； diff e ren ti a l s h ri nkage ； me a s u reme n t me tho d ； w a t e r t o c e me n t r a ti o 裂缝是导致实际混凝土结构耐久性和使用寿命 降低的主要因素， 也是当前各类混凝土结构面临的普 遍问题。据统计， 绝大多数混凝土裂缝是因约束条件 下的收缩变形引起 的⋯ ， 因而 收缩 一直是混凝 土研究 领域的热点课题 。硬 化混凝 土的 收缩 可分 为干 燥 收 缩、 自收缩、 温度变形等几类 ， 实际工程结构往往是受 以干燥收缩为主的几种收缩的联合作用。近年来， 国 内外已有大量关于混凝土干燥收缩、 自收缩的研究成 果， 但是几乎所有研究者都是通过测试混凝土棱柱体 或圆柱体轴线方向的变形值来评价混凝土收缩L 2 ． 3 J 。 然而， 对于桥面板、 道路和机场道面等工程结构， 混凝 土往往处于单面干燥 条件下 ， 由于 距离干燥 表面不 同 深度处的温、 湿度分布不同， 从而形成 内外层非均匀 收缩变形而产生 自约束收缩应力[ 4 J ， 这样便加剧了收 缩开裂程度。而关于此方面的研究国内外报道很少， [ 基金项目】 国家自然科学基金资助项 目( 5 0 4 0 8 0 1 6 ) 还没有一种 有效评 价和测 量这 种混 凝 土非 均 匀 收缩 的试验装置和方法。因此， 文中提 出一种混凝土在单 面干燥 条件下 的收缩变形 分布的测试方 法 和装 置 ， 其 测试结果可为综合评价实际混凝土结构 的开裂行为 提供 理论依 据。 1 仪 器的研 制 1 ． 1 位移传感器的选择 混凝 土收缩测试 国内外采 用最 为广 泛 的是 利用 百分表或千分表测试试件长度变化 ， 尽管读数方式已 由过去的表盘指针读数发展成为现在的数显式 ， 但仍 需要人工定时读数， 不能实现自动数据记录。近年来， 国内外学者尝试 采用 各种位 移传 感器 来 测 试混 凝 土 收缩 ： S e r g e L e p a g e 等人采用预埋振弦仪 ， 通过测试振 弦仪的共振频率来测试混凝土体积变形 ， 但振弦仪的 刚度设计难以同时适应混凝 土早 期和后 期 变形 ， 且 很 高小建 等： 干燥条件下混凝土非均 匀收缩 的测 试方法 5 难保证混凝土 与振 弦仪 之 间 的粘结 良好 。埋入 光 纤 传感器监测混 凝 土早期 体积 变形 在试 验 室和部 分 重 点工程中也已得到了应用； 但光纤传感器尺寸小、 脆 性大 、 容易损坏， 将其埋入混凝土中需要特别小心 ， 同 时这类传感器的使用都是一次性的， 投资大。作者曾 采用 电涡流位 移传感 器对 混凝 土早 期 自收缩进 行 非 接触式测量 ， 取 得较 好结 果 ， 但 这种 非 接触 式测 试要 求金属测头的表面平整并且达到一定面积才能保证 精度， 在测试不 同深度处混凝土收缩时， 测头设计要 尽可能小以保证深度层的准确性， 因而也不宜采用。 L V D T 差动变压器式位移传感器是各类位移传感 器中较为传统也是应用最广的一种 国内外有多位学 者将其用于测试混凝土收缩。它是通过直接与混凝 土试件上对应的测头接触进行测试， 无滑动触点， 工 作时不受 灰尘 等非 金属 因素 的影 响 ， 具 有结 构 简单 、 工作可靠、 使用寿命长、 灵敏度高、 线性范围宽、 重复性 好、 分辨率高、 环境适应性广等优点。因此， 本研究选 用合肥高创传感器有限公 司生产的 W- D C D 2型 L V D T 差动变压位移传感器 ， 测试过程 中将其测杆 顶在 混凝 土试件 的被测点上 ， 就 可以直接测量 某部位 的位 移变 化。该传感器量程为 土l m m， 输 入电压 0～5 V ， 通 过配 套 的二次仪表可 直 接读 出位 移值 。该位 移 传感 器 的 测试精度 为 0 ． 1 ％， 温飘达 到 0 ． 0 0 7 ％／ ℃ ， 使用 温度 范 围 一1 0一+ 6 0 ℃， 使用湿度范围为 2 0 ％ 一9 0 ％。 1 ． 2 环境温湿度的控制 环境条件直 接影 响混 凝 土最终 收缩 值 的 大小 和 发展规律 ， 因此控制环境 温湿度持续稳 定对本 研究 至 关重要。现有的恒温恒湿箱， 其内部空间使试件尺寸 大小受到限制， 传感器数据线的接出也受到影响， 其 湿度控制精度不理想， 不适用于本研究。本方法采用 室 内空调控制实验 室温度 ， 同时整个测 试系统 又安装 在一个密闭有机玻璃 容器 中 ， 可实现测试 环境 温度 变 化在 --I- 2 ~ C 范围 内。湿度控制 选择 国际上 较多研 究者 采用 的饱 和盐 溶液 方法 ： 根据 物理 化学 原 理 ， 在 一定 的温度和压力 下 ， 放置不 同的饱 和 盐溶液 ( 保 证 有结 晶盐存 在) 在密封容器 中 ， 在 达到 固． 液． 气三相 热力学 平衡时 ， 容 器 中的空气 相对 湿 度便 达到 恒定 值 ， 不 同 盐溶液具有某一特定 的相对湿度值 ( 如表 1 ) 。 表 1 不同饱和盐溶液对应的相对湿度值 盐种类M g c l2 K 2 C O 3 M g ( N O ~ ) 2 N a C 1 K C I K N o 3 理论相对湿度， ％ 3 3 4 3 5 4 7 5 8 5 9 5 本研究中 ， 通过在 密闭 的有 机玻 璃箱体 中安装 一 特定 的不锈钢支撑架放 置混 凝 土试 件 ， 在支 撑架 正下 放及周边可用空间内放置若干个装满饱和盐溶液的 容器 ， 保证整个溶液 ( 包括溶 液中盐结 晶体 ) 的容积 达 到整个密闭箱体有 效测试空 间( 去除混凝 土试 件所 占 体积 ) 的 1 1 5 左 右 ， 这样便可保 证混凝土试件 处于 一特 定相对湿度环境 中。 1 ． 3 测试仪器整体结构 测试仪器 的整体结 构如 图 1 所 示 ， 位 移传 感器通 过特制 的夹具 ( 如 图( b ) 所示 ) 固定 在两端 的 钢制立杆 上， 根据实验要求可以在不同高度处设置若干个传感 器以测试不 同深度 处的收缩 变形。在实验 过 程 中 ， 通 过调夹具、 立杆、 传感器的相对位置， 使传感器对准混 凝土表面的设定测点进行测量， 同时保证传感器初始 值在其测量范围中点处附近。放置混凝 土试件的支 撑架 和安装 传 感器 的 立柱均 固定 在厚 实 的 钢材 底板 上 ， 在测试过程 中避免 接触 和碰撞 以保证 测试 数据 准 确。所有传感器 的输 入 输 出数 据线 均 由此 装 置 外 围 的有机玻璃箱体预留孔洞接出， 箱体的所有接缝和孔 洞处 在测试 过程中均要 密封严实 ， 以保证混 凝 土所处 环境 湿度恒定 。 位移传感器支撑架 ( a )结构示意图 2 测试方法 采用 1 0 0 m m2 0 0 m r f l 4 0 0 m m的混凝土试件 ， 每 个 试 件 在 距 离 成 型 底 面 不 同 位 置 ( 如 距 离 1 0 、 5 5 、 1 0 0 ra m ) 处沿 试件长 轴方 向对 称预 埋铜 制测 头 ， 如 图 2 所示 。为 了保证 每 个深 度层 的两个 测 头 处 于 同一 轴 线上 ， 加工特定 的混凝 土模具且在 振实过 程 中防止测 头脱 落陷入混凝土 中。所有试件均在室温养 护 2 4 h 后 脱模 ， 为了减 少混 凝 土 自收缩 的影 响 ， 各 试 件 在标 养 室养护到 3 d 龄期 ； 随后把试件除 了成型底面外 的其它 五个表面均用 双层 铝 箔 自密封 胶带 密封 以 防止 与外 界湿度交换 ， 从 而保证 混凝土单 面与环 境接 触 。密封 后 的试件立即放人测 试仪器 的支 撑架上 ， 混 凝 土试件 未 密封底 面朝下放置 ， 调 整各传感 器高度 与 各预埋 测 头接触并使其处于量程中间段。在试验前 3 h要事先 装入 配制 的饱和盐溶液 ， 观察溶液 底部有 足 量 的盐 结 晶体。打开传感器数据采集仪电源， 记录初始值并在 之后定时记录各传感器的输出值 ， 这样便可以实时监 测单 面干燥 条件 下 混凝 土试 件 中距 离表 面 不 同深 度 处 的收缩 变形 。如果有条 件的话 ， 也可将 数据 采集 仪 表与电脑相连， 通过专门设计的软件对各传感器数据 6 低温建筑技术 2 0 1 0年第 3期 ( 总第 1 4 1 期 ) 进行 采集记 录与 自动处理 。 3 实验测试 3 ． 1 实验条件 表 2 混凝土配合 比与抗压强度 采用亚 泰 集 团 哈尔 滨 水 泥 有 限公 司生 产 的 P 0 4 2 ． 5 水泥。选用石灰岩质碎石， 粒径 5—2 5 m m连续 级配 ， 压碎指标为 4 ． 8 ％， 针片状含量 3 ％； 细集料采 用 松花江江砂 ， 细度模数 为 2 ． 8 5 ， 属 中砂 、 Ⅱ区级配。采 用上海花王 公 司生产 的 M i g h t y 1 0 0萘 系高效 减水 剂 ， 推荐掺量为胶凝材料总量的0 ． 7 —1 ． 2 ％。设计了2个 不同水灰比混凝土， 其配合 比见表 2所示。各混凝土 中水泥用量均为4 6 0 k g ／ m 3 、 砂率固定为4 0 ％； 通过调整 2 好 减水剂掺量， 使各混凝土坍落度达到 1 8 2 0 c m， 保证 各试件成型质量良好。测试环境条件设定为： 温度 2 0 2 ~ C， 相对湿度 5 51 ％。 3 ． 2 测试结果分析 不同水 灰 比混 凝 土试件 中距 离表 面不 同深 度处 的收缩变形 随时间的变化规 律如 图 3 所示 。可见 ， 与 传统的各面均暴露于干燥环境条件下的混凝土收缩 相比， 单面干燥条件下混凝土试件中各点的收缩值相 对较小 ， 主要是 因为 大块 混凝土试件 内部水 分不断 向 干燥面迁移 以补充 表 面水 分散 失引起 的。可见 ， 2种 混凝土试件 在单 面干 燥条 件下 均存在 明 显 内外 层 不 一 致 收缩 现象 ， 即表 层混 凝土 收缩 大、 内部混凝 土 收 缩小 ， 这种 内外 层收 缩梯 度使混 凝 土表层 受拉 ， 内部 受压 ， 从而可加剧混 凝土表 面开裂。这种 内外层 收缩 变形差异随着水灰 比的减小而 明显增 大 ： 2 8 d时 ， 水 灰 比为 0 ． 4 5 、 0 ． 3 2 的混凝 土距 离表 面 l O m m和 l O O m m处 的收缩变形差分别为 5 4 ． 8 1 0 I 6 和 1 1 3 ． 01 0 一， 这也 是低水灰 比混凝土容易产生收缩开裂的原 因。 宝 婿 ( a ) 水灰比为 0 ．4 5 C o ) 水灰比为 O ． 3 2 图 3 不同水灰 比混凝土的收缩变形分布 4结 语 ( 1 ) 研制了以多组 L V D T位移传感器为测试元 件 ， 以饱和盐溶液控 制环境湿度 的一种测量 单面干燥 条件下混凝土非均匀收缩的实验装置， 本装置操作简 单 、 测试结果稳定 可靠 、 可实现 自动数据 采集 和记录 ， 为评价混凝土在不同干燥环境 中的收缩变形分布规 律提供 了技术手段。 ( 2 ) 实测结果表明： 单面干燥条件下， 距离干燥 表面不同深度处混凝土存在明显的非均匀收缩变形， 即距离表面越 近处 收缩 越大 。这 种 非均 匀 收缩会 在 混凝 土表层部分形成一 种 自约束 收缩应力 ， 对 混凝土 收缩开裂产生加速作用； 而且这种非均匀收缩变形随 着水灰 比的减小而加剧 ， 这 也是低水灰 比混凝 土容易 开裂的原因之一 。 参考 文献 [ 1 ] J e m e ~A D ， 0 t 8 t t i S ． S t a t e o f t h e a r t 州o n m i c r o - c r a c k i n g a n d l i f e t i m e o f e on c r e t e — p a r t I[ J ] ． M a t e r i a l s a n d S t r u c tu r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 ) ： 3 - 8 ． [ 2 ] P e r s s on B． E i g h t — y e a r e x p l o r a t i o n o f s h r i n k a g e i n h i g h — p e rf o r m a n c e c ∞c 喊e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 O O 2 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 2 2 9 — 1 2 3 7 ． [ 3 ] Z h a n gMH， T a m cT ， l e o wM P ． E ff e c t ofw a t e r - t o - c e m e n t i t i o u s ma t e r i a l s r a t i o a n d s i l i c afu me o nt h e a u t o ~n o u s n k 8 g e of c ~ n e r e t e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 O ) ： 1 6 8 7 — 1 6 9 4 ． [ 4 ] K i m J K ， L e e C s ． P r e d i c t i on of d i ff e r e n t i a l d r y i n g s h r i n k a g e i n c 0 l1 一 e me [ J ] ． C e m e n t a n d C onc r e t e R e t ~a w c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 7 ) ： 9 8 5 - 9 9 4 [ 收稿 1 3 期 ] 2 0 0 9—1 2—1 4 [ 作者简介 ] 高小建 ( 1 9 7 6一) ， 男 ， 陕西 白水人 ， 副教授 ， 从事水 泥混凝 土耐久性研究。