高性能混凝土早龄期体积变化测量方法评述

江晨晖 陈伟东 沈万岳（浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231）

高性能混凝土早龄期体积变化测量方法评述

江晨晖 陈伟东 沈万岳（浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231）

借助实验手段对包括自收缩在内的高性能混凝土（HPC）早龄期体积变化加以精确评价是分析和控制HPC早期开裂的重要前提。本文就既有早龄期体积变化测量方法进行对比分析，旨在评述各种方法的优势、不足及可能的改良途径，从而为实验方法的选用和完善提供参考。

高性能混凝土（HPC）；早龄期；体积变化；测量方法；传感器

1 前 言

高性能混凝土（High performance concrete，简称为HPC）以其高工作性、高耐久性和较好的力学性能而被越来越多地应用于现代基础设施建设。然而，这类混凝土由于易出现非荷载所致的早期开裂而影响其服役性能的发挥。究其原因，主要与HPC较普通混凝土更大且更复杂的非荷载导致的早龄期体积变化有关。HPC早龄期体积变化主要由凝结硬化初期因水化热释放导致温度变化而产生的热变形、因化学收缩和自干燥而导致的自收缩和因水分逸散而导致的干燥收缩耦合而成。

借助实验手段对包括自收缩在内的HPC早龄期体积变化加以精确评价是理解和掌握其特性的重要前提。由于不同国家和地区、不同学术团体、甚至不同研究者对早龄期体积变化的定义、内涵和范畴的规定或理解不一，导致测量早龄期体积变化的各种方法或多或少地存在着差异。不同方法并存的局面一方面有利于促进学术争鸣和创新，另一方面则导致没有统一的标准方法可供采纳，从而难以对不同研究者所做的工作进行全盘分析讨论。本文旨在回顾和评述前人设计和采用的HPC早龄期体积变化测量方法，为实验方法的选用和改进提供参考。

2 早龄期体积变化的外部测量法

所谓外部测量法是指变形感受元件部分置于待测体（混凝土、砂浆或净浆等）外部或表面的一类试验方法，也是目前最常用的方法。通常来说，这类方法所采用的变形传感器件可多次重复使用但受周边环境影响较大，较为适用于短期和经常性测量。根据变形（或位移）传感元件是否与待测部分发生直接接触，外部测量法可细分为基于接触式传感器测量法和基于非接触式传感器的测量法两种。

根据Jensen和Hansen[1]的观点，包括自收缩在内的早期体积变化测试方法大体上可划分为体积（三维）测量法和长度（一维或线性）测量法。这两类方法各有千秋，二者并存于学术界长达半个世纪之久。

体积测量法主要适用于水泥浆，其优点在于能使测量起始时刻尽量提前，但橡胶气囊与水泥浆是否存在稳定接触是决定测量误差大小的关键所在[1,2]。另一方面，由体积测量法得到的体积变化中不可避免地包含了内部体积减小的成分，这部分体积变化主要是化学收缩。此外，处于绷紧状态的橡胶气囊有可能破坏凝结期间浆体内逐渐形成的微弱结构[1,2]。这些因素导致体积测量法的结果往往呈现出较大的离散性和非一致性。此外，这种方法对于包含骨料的混凝土或砂浆来说是难以适用的。

图1 早期体积变化的长度变化（线性）测量试验装置

鉴于体积测量法的上述缺陷，同时考虑到长度测量法直接得到的线应变具有更明确的工程实用意义，很多研究者倾向于采用长度测量法（详见图1）。试件端部测头与被测对象（混凝土、砂浆或净浆）的锚固粘结性能是长度测量法能否成功的关键。这意味着该方法仅适用于被测对象凝结之后。因此，JCI[3]曾明确规定这种方法的测量起点为混凝土的初凝时刻。考虑到凝结初期，被测体尚处于塑性状态，设法减小试件表面与模器内壁的摩擦阻力是合理实现这种方法又一关键。在模器内涂刷润滑剂或垫铺低摩擦系数的片材是常用措施。选择合适的试件长度与断面边长之比亦可减小锚固区域的影响并提高测量准确性。

根据被测对象的强度发展情况，适时拆除试件成型的模板，并持续进行后期或长期的沿试件长轴方向的变形测量。根据需要可密封或裸露试件，得到不同湿度条件下的（体积变化）一维应变。该方法可用于连续监测被测对象的自收缩、温度变形和干燥收缩。

Jensen和Hansen二人[4]共同开发的早期体积变化测量方法创造性地融合了长度变化测量法和体积变化测量法的上述优点，同时巧妙地规避了两者存在的以上缺陷。如图2所示，这种方法将新拌水泥浆封装于一段轴向刚度小、环向刚度大的塑料波纹管（Corrugated tube）内，由于水泥浆产生的体积变化轴向一维变形同步、等值地传递给波纹管，借助置于波纹管端部的位移传感器测量其轴向变形，即为密封状态下水泥浆的体积变化变形。若将该装置置于恒温水槽中，则测得的变形可视为相应温度下的自生体积变形。这种方法使从完全塑性状态（或拌制完毕）即开始测量一维体积变化变形成为现实。

图2 测量早期体积变化的“波纹管法”

“波纹管”法一经面世，便被众多学者争相采用，主要用于研究HPC的浆体部分的早期自收缩（或自生体积变化）。通过增大波纹管的直径（如图2(b)），这种方法同样可用于测量砂浆或混凝土的早龄期体积变化。最近，Gao和Yu等人[5]对“波纹管”法进行了升级更新：以新型非接触式线性位移传感器替代传统接触式位移传感器。由此提高了测量的精度和可重复性，体积变形与轴向长度变化的转换率从原来的0.87提高到0.97。

早龄期体积变化的量值很大程度上取决于测量起点的选择。图3(a)为分别按照“波纹管”法和ASTM C157规定的方法（即比长法）对同一对象——水灰比为0.30的水泥净浆实施变形测量的结果对比[4]。由于后一方法的测试起点为24 h龄期，远远滞后于前一方法的30 min龄期，导致所测得的收缩应变差距甚大。图3(b)直观地示意了测量起点对结果的影响。1 d龄期后所测得的体积变化仅为实际值的20%～40%。由此可见，早龄期体积变化的精确实验把握对于评价混凝土早期开裂是极其重要的。

图3 起始时刻对早期体积变化测量结果的影响

虽然涡电流位移传感器、激光位移计、电容位移计等新型（非接触式）测量仪器的出现提高了体积变化变形的测量精度和自动化程度，但由于这些精密电子仪器往往具有使用成本高、对测量环境要求较为严格等不足之处而难以大规模应用。其次，这类微变形测量仪器均安装于被测体外部，其经历的温度条件不同于被测对象的温度履历，所获得的变形测量结果需加以修正。然而，这类修正往往较为复杂，精度也不易满足。

3 早龄期体积变化的内部测量法

图4 可埋入型位移（或变形）传感器产品外观

与上述外部测量法对应的是内部测量法，即变形传感元件在待测体成型前即预埋于其内部的方法的统称。这类方法中的变形传感器件仅能使用一次，一旦埋入待测体内部就难以取出，即便能取出也难以重复使用。相较而言，此类方法受外部环境的影响较小，适合于体积变化的长期、持续性观测。内部测量法主要适用于体积变化一维应变的捕捉[6]。

图4呈现了几种市面上现有的可埋入式位移（或变形）传感器。表1则简要地列举了这些产品的基本信息及性能参数。所列出的“Model”、“EM”系列产品同属弦振动应变计，埋入被测对象后，变形通过应变计两端的法兰传递至安装于其间张紧的钢丝振弦，导致振弦张力发生变化，进而使其振动频率亦随之变化。通过内置的电磁线圈测量振弦的振动频率，该信号经由电缆传输至读数装置，最后转换成被测对象的变形。日本东京测器研究所（TML）研发的“KM”型埋入式传感器系将电阻应变片粘贴于弹性模量较低的变形易感元件表面，被测体的变形通过传感器活动端传至与之连接的变形易感元件，由应变片读数变化即可间接测出被测体的应变。日本共和电业株式会社（Kyowa）研发的代号同为“KM/KMC”的系列产品则更为大胆直接地将电阻应变片包覆于硅橡胶之中，待硅橡胶固化后即可埋入被测体测量其内部变形。由于硅橡胶质地柔软，可以将被测体的变形传递给包覆于其内部的应变片，从而达到测量微变形的目的。“EFO”产品为光纤传感器，“DI”系列产品为差阻式传感器。

表1 可埋入型位移（或变形）传感器的基本信息

对于早龄期体积变化测量而言，埋入式传感器的弹性模量和适用温度范围是两个最重要的指标。其一，由于凝结硬化初期混凝土的弹性模量极低（约数十兆帕至几百、上千兆帕），埋入式传感器必须具有与之相当甚至更低的弹性模量才可能敏感地同步感受混凝土的变形[6]。其二，早期水化温升较快且大，混凝土内部的温度可能在相对较短的时间内上升至数十摄氏度。这对埋入式传感器的耐高温性提出了新的要求[7]。

对于早龄期体积变化测量而言，埋入式传感器的弹性模量和适用温度范围是另外，为了适应工程结构的全寿命健康监测，对埋入式传感器的耐候性、耐久性和长期性能提出了极大的挑战。就满足这三个方面的要求而言，“KM”系列产品较其他几类产品更具优势。弦振动应变计因刚度过大（即弹性模量太大）而不适用于早龄期体积变化的测量。从经济实用的角度来说，这几种可埋入式传感器（或应变计）的售价还是太高，用于长期测量或可接受；倘若用于短期试验研究，则未免有炫技和浪费之嫌[8]。综上所述，为了实现HPC早龄期体积变化的内部测量技术，研发弹性模量低、耐高温性好、耐候性强且价格合理的可埋置式变形传感器是首要解决的问题。

4 结 语

基于以上并不完整的综述和分析，可得出以下几点结论：

（1）根据变形传感器件的安装位置，可将HPC早龄期体积变化测量方法区分为内部测量法和外部测量法。根据变形传感器件是否与测试对象直接接触，可划分为接触法和非接触法。根据衡量体积变化的物理量，可划分为体积（三维）法和长度（一维）法。

（2）HPC早龄期体积变化的测量结果很大程度上取决于测量起点的选择。由于非接触法可以大幅度提早测量起点，因此能捕捉超早龄期HPC的体积变化。

（3）埋入式传感器的弹性模量和适用温度范围是影响HPC早龄期体积变化测量效果的两个关键指标。现有埋入式传感器价格较贵，测量效果和适用工况各有千秋。为了实现HPC早龄期体积变化的内部测量技术，研发弹性模量低、耐高温性好、耐候性强且价格合理的可埋置式变形传感器是首要解决的问题。

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A review on methods of measurement of early-age volume changes of high performance concrete

It is the premise of analyzing and mitigating early-age cracking to precisely determine early-age volume changes of HPC by means of experimental methodology.This paper presents a state-of-the-art review on methods of measurement of earlyage volume changes.In order to provide references for choosing and updating methods of measurement of early-age volume changes,different methods reported in previous literature and proposed by authors were reviewed and compared.

high performance concrete (HPC); early ages; volume changes; methods of measurement; sensor

TU18

B

1003-8965 (2017) 04-0034-04

资助基金：本研究受“2015年浙江省住房和城乡建设厅建设科研项目（2015K84）”、“2016年浙江省住房和城乡建设厅建设科研项目（2016K56）”和“2017年浙江建设职业技术学院重大培育项目”的联合资助。