南水北调工程薄壁混凝土干缩试验研究进展

□刘福友 □梁 峰 □钟雪莹（中国水利水电第七工程局有限公司）

在南水北调工程中，混凝土结构大部分均为薄壁结构，温度变形和干缩是导致其开裂的主要原因，如渡槽、倒虹吸等的“枣核型”裂缝，表层龟裂，渠道的表面干缩裂缝。干缩裂缝导致水泥混凝土耐久性下降,有时甚至导致结构破坏，有必要对裂缝机理进行研究。

关于混凝土温度变形的研究理论已经相当成熟，但干缩由于其影响因素和作用机理的复杂性，到目前为止还没有完整的理论体系，甚至关于自收缩、化学减缩、自干燥收缩等基本概念本身就存在着不一致。本文主要从理论研究使用的最基本手段——试验着手，以下几方面进行总结，寻找干缩研究的进展：

1.试验标准和方法

对干缩研究，不管是其特性、影响因素分析等都需要借助于试验手段进行自由变形测量，故测量手段及其精确性就决定了干缩研究的可靠性。目前，干缩试验有着不同的标准，见表1。

干缩变形主要包括早期的自干燥收缩和水分散失导致的干缩，其中，自干燥收缩指在密封条件下，混凝土搅拌以后，内部水分参与水化反应，生成物的体积大于原固体体积，形成孔隙结构，孔隙中空气湿度大，但随着水化反应的进行，内部相对湿度的下降致使孔隙结构体积收缩。

从表1可以看出，不同标准下，干缩测量初始读数时间、养护条件等都是有差异的，这也决定了不同标准的适用性。在试验过程中，由于混凝土的初始结构形成时间目前尚很难进行明确的判断，故目前规范规定的干缩试验测试方法均不包括早期的干缩。目前常用的干缩试验手段主要有以下几种：

表1 几个主要标准所规定的干缩测试的初始时间及试验条件表

1.1 传感器法

传感器能将机械位移量转换成电信号，故在混凝土浇注成型时埋入传感器，则在混凝土产生收缩变形时混凝土本身就会对传感器产生挤压作用，使得通过传感器输出的电磁效应发生一定的变化，则可以通过连续测量传感器输出变化的电信号换算出混凝土产生的收缩变形的大小。传感器测量的变形值精度相对较高，误差小，通常能连续自动记录，但一般不适用于早期处于塑性阶段的混凝土，因为早期混凝土的塑性变形会受传感器影响，而且该测量方法价格昂贵。

1.2 光学测量法

该方法和传感器法相比，不需要接触的传感器，一般可利用预埋在试件中的金属反射体产生的反射脉冲，利用两个光点之间距离变化来进行测量。该方法和传感器法相比精度也较高，并且早期塑性变形不太会受到影响。

1.3 千分表法

千分表是通过齿轮或杠杆将一般的直线位移转换成指针的旋转运动，然后在刻度盘上进行读数的长度测量仪器。在进行干缩试验时，将试件放置在光滑的基座上，将试件的一端进行固定，另一端安置千分表，故混凝土试件整体收缩会引起千分表触头移动并使得千分表产生读数，得到干缩变形值。千分表法测量干缩具有操作简单、投资少等优点，但误差较大。周围环境的细微振动会对测试结果产生较大的影响。

1.4 体积法

基于阿基米德定律，测量混凝土在水中质量随时间的变化，得到浮力变化情况，也就是得到了混凝土体积变化情况。用体积法测量时，混凝土需要用塑胶套包住，并在放入水中之前将混凝土的胶套内空气去净，否则影响测量结果。

1.5 对比分析

上述4种方法，其中体积法是对混凝土体积变化的直接测量，其他3种都属于线性测量方法。由于混凝土自搅拌开始就开始水化，即存在着收缩，因此理想的测量方式应当是自加水拌和成型之后立即进行。针对该观点，体积法测量方式具有明显的优势，因为在初始结构形成以前的混凝土采用线性测长的方式显然在本质上就有混淆，另将体积变形转换为长度变形后测试结果要较长度测量结果高出3～5倍之多，这主要取决于水泥类型和试验具体条件。但由于线性测长方法的点相对固定，因此对于泌水影响要小得多，对于混凝土试验方法现在较常用的多是长度测试法。

2.国内外常用干缩试验方法

根据上述不同的试验方法，国内外常用的试验方法主要有以下几种：

2.1 Holt and Leivo1999法

该方式采用传感器进行测量，试验装置见图1，装置简单，镜面的底座设计可以减少试件和工作平面的摩擦，操作简单，受人为影响很小。可是该方案在测量时，每个混凝土试件都配备了两个传感器，在测量过程中不能移动，造价相对比较高。

2.2 环境;水质要求及保护对策Morioka法

这个试验装置试件以产生内部应力的点作为零点进行校正，至少可以保证测试可以承受外部应力的固体体系的变形，见图2。由于早期的混凝土结构非常脆弱，难以克服试摩表面的摩擦而容易受约束的影响，这种影响可以通过提高模具表面的约束而尽量减小，该装置受外部环境影响较小，但对刚度太小的混凝土，该装置会对早期的收缩不敏感。

图1 Holt and Leivo试验装置图

图2 Morioka干缩试验装置图

2.3 Jenson and Hansen法

Jesen&Hensen专门针对水泥浆的自收缩测量发明了一种CT1 Digital Dilatometer(如图3所示)，它采用了低密度的聚乙烯塑料波纹管作为模具，起着密封和降低约束的作用。该模具在凝结以前可以将体积变形转换为线性变形，而在凝结以后则为正常的线性测长的方式，理论上可以在成型后即开始测量。但是,由于采用了接触式传感器，因此也必须在初凝的时候才能开始测量。该试验设置测量精度高，特别是我国巴恒静对此进行改进之后，改进的新型非接触感应式早期收缩测量法，克服了以往测量手段的不足，适合于精确测量各种体积变形。

图3 Jenson and Hansen试验装置图

3.结论

对于南水北调大部分的薄壁混凝土结构，其干缩研究中的干缩数学模型如干缩系数，湿度交换系数等、干缩影响因素都是建立在试验的基础上，而试验方法的不统一，直接导致模型的实际应用及设计的参考价值。本文针对现有试验标准和试验方法进行了总结，体积法和线性测量法各有不足，故针对现有仪器设备及测量方法的不足，需要进一步改进测量设备及手段。