混凝土收缩和开裂试验方法研究进展

王景贤，赵 珏，崔 强，张继仁，孙 飞

（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）

0 引言

混凝土材料作为一种坚固耐久的大宗建筑材料已有 180 多年的历史。随着现代混凝土技术的发展，大量高强度、工作性能良好的高性能混凝土得到广泛的应用。高性能混凝土具有大掺量超细掺合料、大掺量高性能减水剂、低水胶比的特点，可以使它的力学性能和物理性能以及耐久性得到很大提高，但同时也使其在水化过程中出现较大收缩，从而增加其早期开裂的风险［1］。混凝土裂缝会引起渗漏，降低混凝土的耐久性，减少使用寿命，如保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土的碳化等等，这些对建筑结构的强度、耐久性均会造成较大的不良影响。

混凝土裂缝的成因非常复杂，但可以肯定的是裂缝与混凝土水化热、自身收缩、失水干缩、碳化收缩、自干燥收缩、环境温湿度变化等引起的混凝土收缩变形有着重要的关系［2］。因此，为了达到减少和控制混凝土裂缝的目的，工程技术人员长期以来非常重视对混凝土变形性能的研究。

混凝土变形试验，本文中主要讨论混凝土收缩或开裂（受约束收缩），是指在试验室模拟混凝土构件施工、工作或特定的某一环境，在此条件下，观测或测量混凝土试件的变形参数。混凝土变形试验是研究混凝土收缩/开裂性能的重要试验，试验方法是否能够准确得到混凝土的收缩变形真实值，对于混凝土收缩的机理研究、变形计算和性能评定有着重要意义。因此，工程技术人员对混凝土收缩试验方法的研究一直未曾中断，并且近些年来取得了诸多成果。

1 混凝土收缩变形的类别

混凝土的收缩变形表现形式主要包括化学收缩、干燥收缩、自收缩、塑性收缩、温降收缩、碳化收缩等。

化学收缩是指水泥基材料在水泥水化时，水化前的反应物和水化后的产物的密度及形态的差异，导致水化作用产生的物质绝对体积的减少现象。化学收缩主要发生在早期，但是只要水化作用不停止，就会一直产生，但会随着水化速率的降低和混凝土自身凝结形成固相结构的阻隔而降低其收缩作用［3］。

干燥收缩是由于混凝土内部水化反应消耗掉自由水导致内部相对湿度下降，形成混凝土内部的毛细孔。当混凝土内部的水迁移速率低于毛细孔形成的速率时，会导致毛细孔趋于不饱和状态致使混凝土的自干燥收缩［4］。

自收缩是混凝土胶凝材料在恒温和无物质交换的前提下，由于化学收缩和内部相对湿度减少，从而导致的干燥收缩［5］。所以化学收缩和干燥收缩都属于自收缩。

混凝土的收缩形式和其内部的相对湿度有很大关系，其内部相对湿度一般分为两个阶段［6］：阶段一是相对湿度为 100 % 的水汽饱和阶段，该阶段主要是混凝土水化早期阶段，混凝土内部有充足的自由水，以及很高的相对湿度，主要以化学收缩为主，但随着混凝土内部水化固相结构的形成，以及骨架的约束，化学收缩将会受到限制；阶段二是混凝土内部相对湿度逐渐降低，这时混凝土的干燥收缩就成为了主要表现形式。

塑性收缩是指在混凝土凝结前，在混凝土表面水蒸发速度大于混凝土表面的泌水速度、气泡排出和破裂以及重力作用等引起的混凝土在塑性流动状态下的沉降收缩［7］。

温降收缩是指因为温度变化引起的热胀冷缩的物理变化，通常是在大体积混凝土水化放热聚集的情况下导致混凝土内部温度剧烈变化而产生的收缩。在试验中相对较小的试件中影响很小。碳化收缩是指由于混凝土表面长期与空气中的二氧化碳反应，导致表面碳化而引起的收缩。所以一般塑性收缩和碳化收缩是在混凝土表面产生的。

2 混凝土收缩或开裂试验测试方法

混凝土收缩变形的主要测试方法按照测试结果可大致分为两种，第一种是混凝土变形量的测试，主要采用体积测量和长度测量。用体积和长度变化量来表征混凝土的自变形（收缩）性能。第二种是给混凝土施加约束使混凝土自身变形和约束条件产生相对应力，使其在应力下产生开裂的测试方法。用开裂的裂纹宽度、裂纹长度、应力变化等参数来表征混凝土的变形抗开裂性能。

2.1 混凝土的收缩测试方法

2.1.1 体积测量法

体积测量法是将水泥浆装入不透水的橡胶皮套内，测量浮力变化量来换算出体积变化，示意图如图 1 所示。体积法主要用来测量水泥净浆的自生收缩［8］，该方法简单易行，并且有较高的精准度。因为不用等到水泥浆体凝结，可以用来测量水泥浆早期的体积变化状态。但是也有明显缺点：混凝土中有大量粗骨料易导致其容器破坏，难以排出浆体内部气泡、以及泌水带来的浮力干扰等［9-10］。

图1 水中称重法测试水泥浆体积变化试验示意图

2.1.2 长度测量法

长度测量法主要包括：棱柱体法、波纹管法。

1）棱柱体法。其试件形状为棱柱体，模拟混凝土自由收缩［11］，该方法列于 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，是在试件成型 3 d 后在试件两端装上侧面变形测量装置，开始测试硬化混凝土的干燥收缩。此方法操作简便，精度较高，都是通过直接测量混凝土试件的长度变化，来得出混凝土形成了自身支撑结构后的自收缩和干燥收缩。但是对混凝土凝结前的塑性变形阶段的化学收缩无法测试。

2）波纹管法自收缩测定方法［12］。美国标准 ASTM C1698－2009（2014）为混凝土自收缩测试提供了标准的波纹管法，测试原理和方法如图 2 和图 3 所示。试验是采用低密度聚乙烯波纹管作为容器，胶砂或水泥浆灌入容器中，将波纹管和浆体密封，然后采用千分表、电涡轮位移传感器或 LVDT 来进行长度变形的测量。因为波纹管的波纹具有可延展性，其长度方向的约束远小于管壁的约束，将混凝土的体积变化转化为波纹管长度的变化进行测量。

图2 波纹管法测试变形原理示意图

图3 波纹管法自收缩测定试验

成型后无需脱模就可以测试，将体积法与长度法的优点相结合，可以在一定程度上解决混凝土凝结前的早龄期收缩的测试问题。但由于该方法对波纹管的横向纵向约束能力之差要求很高，也需要波纹管有一定的刚度，并且混凝土中含有大量的粗骨料，使得其在波纹管中与波纹间容易产生新的约束力，所以比起水泥浆，不太适用于混凝土变形的测试。

长度法按变形测量方法可分为如下两种。

1）接触式。接触法使用埋入（表贴）式应变计［13］、光纤位移传感器以及使用机械式千分表等测量混凝土的收缩变形，图 4 所示的卧式混凝土收缩仪即为典型的接触法测试装置。接触式的测量方法一般只能等混凝土凝结硬化以后测试混凝土的自收缩和干燥收缩。

图4 混凝土收缩测量仪（干缩）

2）非接触式。使用显微镜观测裂缝，或在试件表面安装测量标靶，采用激光测距仪［14］、涡流传感器［15-17］来测量试件长度的变化，图 5 和图 6 分别为非接触法混凝土收缩变形测定仪的实物和示意图。该方法的优点是可以对混凝土在早期塑性流动阶段就进行变形的测量，但是混凝土全过程都是在受约束的状态下进行测试，不能避免侧面以及底面约束对混凝土变形的影响。

图5 非接触法混凝土收缩变形测定仪（装置）

图6 非接触法混凝土收缩变形测定仪（示意图）

2.2 混凝土的开裂（受约束收缩）测试方法

1）平板式限制收缩开裂试验方法（平板法）。试件形状为方形平板，通过弯起的波浪薄板作为刀口诱导开裂［18-19］，并且可以在侧面增加铆钉来进行双向约束。该方法列于 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中，示意图如图 7 所示。该方法采用双向约束，更加符合工程实际中的板状构件的开裂状况，而且可以对配筋混凝土进行测量。缺点则是试验结果影响因素复杂，约束程度不可直观评定，难以进行精准的理论分析。

图7 混凝土平板式限制收缩开裂试验装置

2）圆环式限制收缩开裂试验方法（圆环法）。试件形状为圆环，通过内圆环对混凝土收缩进行限制［20-21］，该方法列于（科技基〔2005〕101 号文）《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中，圆环抗裂试模如图8所示；圆环试验的应用较为广泛，因为它的约束更加均匀不易产生偏心，并且可以在钢圆环内部贴上应变片来直接测量和计算应力情况，对理论分析和标准化有更好的适用性。但也存在受力状态与实际应用不符，圆环内外侧收缩状态不一致，并且不能用于配筋混凝土的试验。

图8 圆环式限制收缩开裂试验

上述国内外的混凝土收缩和开裂试验方法各有各的特点，工程技术人员可以根据试验目的和条件合理选择。但是这几种方法存在以下几点显著问题。

1）试模对混凝土变形的约束。平板法、圆环法和长度法中任意一种方法，由于试件需要克服重力作用或为了使试件成型，都需要试模的支撑。尽管在试验中可以采用在试模上涂抹润滑油、放置四氟乙烯片［22］或特富纶薄片等方法来尽量减少试模对试件的约束，但这些方法也只能减少而无法消除约束，润滑油脂还有可能因吸盘效应将混凝土试件吸住，从而限制混凝土的变形。而在混凝土早龄期（振捣成型至终凝前）较长一段时间内，混凝土的弹性模量非常低（据瑞典水泥和混凝土研究所的研究资料表明，混凝土成型后 4 h，弹性模量为 10 MPa），这种约束对混凝土早龄期的收缩变形影响无疑是巨大的。有研究表明在初凝至 1 d 期间内，有无侧模约束的两组试件混凝土自干燥收缩值之比为 57 %，有侧模约束的试件混凝土收缩值远小于无侧模约束。而试模的底模对试件的影响则更加普遍，由于尚无试验装置能够消除底模对混凝土的约束，所以无法测量底模对混凝土的约束具体有多大，但是考虑到底模对于试件的重力支撑作用（压力越大，摩擦阻力越大），其影响在理论上应超过侧模。

2）无法准确测得混凝土塑性流动状态下的变形。混凝土在初凝前处于流塑状态而无法保持形状，而采用现在的部分试验方法，无法拆模进行测量。一般来说，3 d 后的混凝土具有较高的模量来克服试模的约束，因而，试模的约束给试验结果带来的影响是有限的。然而对于 3 d 内的混凝土，试模对其影响结果是巨大的，并且无法估算和弥补。特别是对于高性能混凝土，有研究表明，很大一部分的收缩变形发生在混凝土成型后数小时内［23-24］，国内也有研究结果表明混凝土的早期收缩主要发生在水化开始之后的 20 h 之内［25］，如果不能对混凝土早龄期收缩进行准确测量就不能完整了解混凝土的收缩过程。同样，受试模约束影响，采用现有方法也无法准确测量混凝土早龄期膨胀变形。因而研发一种新的能够准确测量混凝土早龄期变形的试验方法是必要的。另外，考虑到国内混凝土作为一种主要的大规模使用的建筑材料，及混凝土结构开裂的普遍现实，这方面的研究也是迫切的。

3 结语

混凝土的变形包含收缩（或膨胀）、开裂（受约束收缩）的机理在现阶段研究结果仍存在较大的空白，其中很大原因是缺乏更准确的测试方法。现阶段常用的混凝土收缩和开裂的测试方法几乎都不能摆脱混凝土早期凝结前塑性流动状态下，容器的约束对实验结果的影响。为了更加真实和准确的反应混凝土的变形状态和变形机理，需要开发出新的测试方法，在无试模约束，甚至完全自由条件下测试混凝土早期塑性流动状态的收缩变形。