国内外混凝土的收缩性能试验研究方法

国内外混凝土的收缩性能试验研究方法摘要：着重对国内外获得普遍认同的混凝土各种收缩性变形的机理及试验研究方法进行了总结和综述，对解决混凝土的收缩裂缝具有重要的意义。

关键词：化学收缩，干燥收缩，自收缩，温度收缩引言近年来混凝土技术有了突飞猛进的发展，然而混凝土的收缩裂缝仍然是一个普遍性的难题。

如何精确测得收缩及如何测得收缩机理成为解决收缩引起裂缝的关键所在。

混凝土的收缩是指混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度变化等因素引起的体积缩小，均称为混凝土的收缩。

混凝土的收缩主要包括：化学收缩、干燥收缩、自收缩、温度收缩、碳化收缩及塑性收缩等。

每种收缩都是由不同原因引起的，也各有不同的特点，每种收缩的试验研究方法也各有不同。

国内外的水泥和混凝土学者都非常重视混凝土收缩性能的研究。

现就各收缩形式的不同试验研究方法综述如下。

1 试验设计1. 1 混凝土化学收缩的研究方法化学收缩即水化收缩。

所有的胶凝材料水化以后都存在这种减缩作用，这是由水化反应前后的平均密度不同造成的。

水泥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 %。

重庆建筑大学的严吴南教授等沿用了英国Gessner 的方法研究了不同品种水泥及不同硅灰取代量的水泥净浆的化学减缩。

具体方法为：将100 g 水泥和33 g 水混合均匀，装入长颈瓶中摇匀，赶走全部气泡后立刻加盖密封（目的是防止水分蒸发），把此瓶置于恒温恒湿的观察室中，记录长颈瓶中的液面高度作为原始体积，以后按不同水化龄期读取液面高度。

计算各龄期的体积减小值，用来表征该水泥的化学收缩。

1. 2 干燥收缩的试验研究方法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。

1. 2. 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。

1. 2. 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。

1. 3 自收缩的试验研究方法所谓自收缩是指混凝土在没有向外界脱水的条件下，因内部毛细孔内自己水量不足，相对湿度自发的减少引起干燥而产生的混凝土收缩变形，称之为自收缩。

混凝土自收缩值一般在（40～100）×10 - 6 mm 范围以内。

如果以混凝土线膨胀系数为10 ×10 - 6 mm/ ℃计，相当于温度降低4 ℃～10 ℃所引起的温度变形，这充分说明混凝土的自收缩对抗裂问题有着不容忽视的影响。

混凝土自收缩的原因主要有两个，即低水灰比或低水胶比和掺较大量的活性细矿物掺合料而引起的。

1. 3. 1 圆环法自收缩的研究方法主要为圆环法。

圆环法最早是由美国麻省理工学院的Roy Caylsom 于1942 年提出的，当地用来研究水泥净浆和砂浆的抗裂性，后来Karl wiegrink 和Mcdonald 在研究混凝土的收缩抗裂性时也借用了这套装置。

区别仅在于装置尺寸大小的差异。

本装置由一个钢制圆环和聚氯乙烯外模组成，两个环被固定在木制底板上，混凝土在两环中成型为环状试件。

拆模时间可根据研究的需要确定，拆除外模后，试件顶部用硅橡胶密封，以防止试件水分散失。

因此只允许试件外表面收缩。

而且收缩沿厚度是均匀的，当试件受内钢环约束产生压力时，内外表面应力差只有10 % ，径向应力为最大环向应力的20 % ，因此可忽略不均匀收缩的影响。

试件养护条件的温度应控制在20 ℃，相对湿度为50 %。

裂缝宽度用专门设计的显微镜显测。

所得结果即为混凝土的总收缩引起的开裂和裂缝宽度。

1. 3. 2 电容式测微仪法由哈尔滨工业大学马新伟、钮长仁、伊彦科三位学者研究出了此种方法。

这是一种非接触式的位移测量装置，用于测量混凝土自收缩的工作原理如图1 所示。

在被测对象的一端贴一金属片，金属片与测头形成电容器。

其电容与两极的间距及两极间的填充物质特性有关，在实验室条件下，空气温度和湿度可以保持不变，电容可以认为只与两极的间距有关。

电容传感器输出电压的变化与电容器两极（测头与被测物体）位移变化成正比。

测量传感器的输出电压可以方便地得到测头与被测物体之间的距离。

可以用相应的计算机软件对测量结果进行数据采集和数据处理。

具体的测量模具如图2 所示。

在测量混凝土变形时，试模右端固定，左端为自由端。

测微仪的测头置于左端模的外侧，测头与大左端模形成电容器。

混凝土试件在变形直接表现为电容器两极间距的变化，此变化又通过电容器的输出电压来反映。

由于试验在试模中进行，所以混凝土试件一旦成型结束，变形的测量即可开始。

克服了在传统测量方法中，变形测量只能在混凝土拆模1 d 后才能测量的弊端，从而真实地反映了混凝土的收缩变形。

1. 4 温度收缩的试验研究方法温度收缩又称冷缩，主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。

其大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高的温度和降温速率等因素有关。

当温度下降（0 ℃以上时），混凝土会产生温度收缩变形，当混凝土受冻时，其孔隙水和毛细管水的结冰将明显影响其变形。

一般情况下，当混凝土温度降至0 ℃以下时，混凝土不仅不收缩，反而会因结冰产生的压力而引起膨胀变形。

温度收缩多采用千分表法进行量测。

1. 5 碳化收缩的试验研究由于空气中含有的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。

1. 6 塑性收缩的试验测量方法塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段，一般为拌和后约3 h～12 h 以内，即在终凝前比较明显，其成因主要是因为混凝土在新拌状态下，拌合物中颗粒间充满着水，如养护不足，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，则会造成毛细孔中产生负压，使浆体产生塑性收缩。

混凝土的塑性收缩最早的测量方法是机械仪表（千分表）法测量。

即在圆筒模内侧涂上一层薄的润滑油，再装入塑料圆筒（无底），将新拌和的混凝土拌合物装入筒内，振捣后安装千分表测具。

根据千分表读数的变化计算沉陷变形。

同时还可以在混凝土中插上温度计或用热电偶测量混凝土的温度变化。

目前塑性收缩的指标通常用平板法测量。

平板法分别是由美国密西根州立大学Dr Soroushian 和美国圣约瑟大学的Kraai 率领的研究小组提出。

其基本原理均相同，不同之处在于试模尺寸、提供约束方式、养护方式及使用范围略有不同。

现以Dr Soroushian的平板法为例进行介绍如下。

根据测得的裂缝宽度，将裂缝分为大（大于3 mm）、中（2 mm～3 mm）、小（1 mm～2 mm）、细（小于1 mm）四种类型，定交其度量指数分别为3 ，2 ，1 ，0. 5。

每一度量指数乘以其相应的裂缝长度，相加后即为该试件的收缩裂缝指数。

平板法试验方法操作比较简单，能迅速有效地研究混凝土的塑性干缩变形，但是它也存在缺陷和不足，即只能部分不均匀地约束混凝土的塑性收缩变形。

2 结语混凝土的收缩存在复杂的机理，组成材料性质的变化对收缩试验结果具有很大的影响。

收缩测试方法存在的缺陷及人为操作误差也会导致错误的研究结论。

但相信随着混凝土科学研究的不断深入，评价混凝土收缩性能的各种试验方法会得到不断的改进和发展，会越来越接近工程实际状况。