混凝土自收缩测试方法及预测模型的研究进展.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 2 期 (总 第 2 8 0 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a 1 No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 0 1 2 混凝土 自收缩测试方法及预测模型的研究进展 张鑫 1 , 2 。苟绚 1 I ( 1 河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ;2 江苏省建筑物裂缝控制工程技术研究中心,江苏 南京
2、 2 1 0 0 9 8 ) 摘要: 对国内外混凝土的自收缩测量方法和预测模型的研究进行了综述 , 介绍 了外置式、 埋入式 、 非接触式等 自收缩测量方 法和由理论分析及试验分析推导出的 自收缩预测模型。 阐明了不同测试方法的优缺点和适用条件 , 并选取配合 比大致相同的混 凝土的 自收缩试验数进行对 比, 分析不同测试方法测出的结果的差异。 另外用不同的预测模型对 同一混凝土试样进行 自收缩的 计算 , 从数据结果 的差异中更直观地阐明预测模型在实际应用 中的局限性 。 关键词 : 自收缩 ;测量方法 ;预测模型 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 :
3、1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 4 1 0 5 Te s t a n d c a l c u l a t i on m o d e l s o n a u t og e n o u s s h r i n k a g e o f c o n c r e t e ZHANG Xi n1 ,2 , XUN Xu a n , ( 1 C o l l e g e o f C i v i l a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g , H o h a i U n i v e r s i t y
4、 , N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 , C h i n a ; 2 E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r C o n t r o l l i n g o f B u i l d i n g C r a c k i n g , N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 , C h i n a ) Abs t r a c t : I t p r e s e n t e d t h e s t u d y s i t u a t i o n o f a u t og e no u s s h r
5、 i n ka g e of c o nc r e t eTe s t me t ho d s a nd c a l c ul a t i o n mo d e l s we r e s p e c i a l l y d i s c us s e d On t he ba s i s o fc o mp ari n g t h e t e s t me tho d s a n d a n a l y z i n g s o me e x p e r i me n t a l d a t a, t he a d vant a ge s a nd dis a d va n tag e s o f
6、d i f f e r e n t k i n ds of t e s t me t h o ds a n d a p pl i c a t i on c o n di t i o ns we r e r e v i e we d An d the a ut o g e n o us s h r i nk a g e o f c o n c r e t e s a mp l e wa s c a l c ul a t e d b y s o me mo d e l s , wh i c h s h o we d t he g r e a t d i f f e r e nc e an d th
7、e l i mi t a t i o n i n pr a c t i c a l a p pl i c a t i o n o fc a l c u l a t i o n mo d e l s K e y wo r d s : a u t o g e n o u s s h r i nka g e ; t e s t me tho d; p r e d i c t i o n mo d e l 0 引言 早在 2 0 世纪 3 0 、 4 0 年代就有研究表 明, 混凝土的 自收 缩是指混凝 土在没有 与周围环境发生湿度交换 的情况下 发生的体积变化 , 它是水 泥水化过程中由于没有外 界
8、水供 应或外界水通过毛细孔迁移到体系内部的速度小于水化 耗水速度时引起的混凝土内部的自干燥过程导致。 但是当 时试验研究的混凝土水灰比大 , 且没掺任何矿物细掺料等 , 所以测得的 自收缩值相对于干燥 收缩很小 , 之后相 当长的 时间里 自收缩是忽略不计 的。 从 2 0 世纪 9 0年代开始 , 随 着高强高性能混凝土 的广泛应用 , 混凝土的 自收缩 问题又 重新引起了人们的注意。 在高性能混凝土中, 由于水灰比较 低且添加了例如硅粉等矿物掺合料, 水泥浆体的内部相对 湿度在水化反应早期会有较大的下降 1 , 混凝土收缩明显。 如果这种 白干燥 收缩受到约束产生 的收缩应力小于混凝 土此
9、时的抗拉强度 , 那么就会引起结构物的早期开裂_2 J。 从 目前混凝土收缩的研究现状来看 , 对于自收缩引起 的早期开裂问题一直未得到有效的解决 , 且高强混凝土早 期收缩的测试方法还没有统一的标准 , 自收缩的计算和预 测模型也各不一样。 本研究在对比和分析国内外收缩测量 方法的基础上 , 对早期收缩的试验方法、 试验装置 、 适用性 等方面做 了较详细 的分析和评价 。 并列举常用的 自收缩预 测模型, 从不同模型计算混凝土的自收缩值的差异性, 进行 预测模型实际应用的难点分析。 希望能对相关研究人员提供 参考, 以便促进相关 自收缩抑制与控制开裂方面研究的进行。 1 混凝土 自收缩 的
10、测量方 法 混凝土的 自收缩是 由于混凝土 内部结构 中微细孔 内 自由水量的不足且相对湿度 自发减少而引起 的 自干燥 , 并 导致了混凝土 的收缩变形 。 其测试方法不仅要保证试 件处 于恒温绝湿 的条件 , 同时要保证试件 的收缩不受外部因素 而限制。 另外测试需在混凝土早期尚无强度的时候开始 , 给 自收缩的测量带来了很大的困难 。 目前 , 关于混凝土早期 自收缩 的测量各 国还没有形成统一的标准 。 国内外许多学 者根据各 自的研究 与实际情况提出了不 同的测试方法 。 1 1 外置式混凝 土 自收缩测量法 日本的研究者 T a z a w a 3 1 对 自收缩问题做了大量的研
11、究 , 他采用千分表法将混凝土自收缩测量分成两个部分, 拆模前与拆模后都进行自收缩的测定。 试验中在混凝土终 凝拆模后, 立即用薄铝胶带进行密封并测定基准长度, 随即 收稿 日期 :2 0 1 2 0 8 1 1 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 0 8 1 1 3 ) ; 江苏省自然科学基金( B K 2 0 1 0 5 1 8 ) ; 水利部公益性行业专项科研经费( 2 0 1 1 0 1 0 1 4 ) 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 置人塑料袋 内养护 , 龄期至 3 、 7 、 1 1 、 2 8 d时再取 出来测定 收缩值。 清
12、华大学安明哲 在 T a z a wa白收缩测试方法的基 础之上对混凝土 自收缩测定方法进行了改进。 测定装置由 混凝土密封试模 、 千分表架和温度测定仪组成。 此方法从混 凝土浇筑到试模内立即密封试模, 带模进行自收缩的测定。 我国 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝 土长期性 能和耐久 性能试验方法标准 规定了普通混凝土无约束状态下自 收缩 的测量方法 。 试验装置如图 1 所示 , 采用 1 0 0 m m l O 0 mm 5 1 5 mm的棱柱体试件 , 端部预埋不锈钢测头 , 试件成型 1 d 后拆模 , 标准养护 3 d 后置与( 2 0 2 ) 、 相对
13、湿度( 6 0 5 ) 的环境 中。 试验装置需满足 自动测数据 , 且一体化装置应 固 定于有避振功能 的试验 台上。 射 靶 传感 器 固定架 三 L j 2 q d 。 图 1 晋 通混 凝土 自收 缩测量 装置 示意 图 试验证 明 , T a z a w a的方法较好地 解决 了早期混凝 土 尚无足够强度时的自收缩测定 , 但是混凝土在 3 d 后的 自收 缩很小, 因此很难测出。 安明哲的自收缩测试法可以精确地 测定混凝土无强度的条件下早期 自收缩值以及后期自收 缩值 , 但是未实现 自动控制 和 自动数据采集处理 , 如果测 量龄期延长、 测量试件数量增加, 试验过程则会变得繁琐
14、。 规范方法对普通 昆 凝土是适合的 , 但对低水胶 比的高强混 凝土早期水化剧烈, 该方法 3 d 后才进行 白收缩测量则忽略 了大部分的早期收缩 。 更准确的自收缩测量 , 应该从更早 的 龄期甚至在 昆 凝土终凝后尚未拆模 时就开始测量 。 1 2 埋入式混凝土 自收缩测量 法 研究者 A R a d o c e a t 通过在混凝土试 件两端埋入线性 差动位移传感器来监测混凝土早期体积的变形。 类似的有 S e r g e L e p a g e 等人嘲 在混凝土中埋人线振仪, 通过电磁激振 器测量线振仪的共振频率随时间的变化来进行混凝土体 积变化的测定。 我国D L T 5 1 5
15、0 2 0 0 1 水工混凝土试验规 程 同 中建议的埋入差动式应变计的方法测定收缩, 试验装 置如图 2 所示。 密 封管 图 2 水工混凝土 自收缩测量装置示意图 R a d o c e a 的方法操作简单且受认为因素影响小, 但是在 测量时每个混凝土试件都得配备两个传感器 , 而且在测量 4 2 过程 中不能移动或共用传感器 , 所以造价较高限制了应用 的推广。 L e p a g e 的方法 比较新颖 , 但容易受线振仪的刚度影 响 , 刚度大容易埋置但对早期收缩不敏感 , 刚度小灵 敏度 高但却不易埋置 ; 同时, 早期混凝土与传感器的黏结性不 容易控制, 所测变形值的可靠性需进一步
16、探讨。 水工混凝土 测试方法的不 同在于采用竖向搁置 的试件 , 且桶状试模能 较好地解决密封问题。 但是早期混凝土尚无足够强度时, 应变计无法与混凝土同步变形 , 所 以只能测定混凝土浇筑 3 d 后 的自收缩而无法精确测定早期 自收缩。 1 3 其他混凝土 自收缩测量 法 马新伟等嘲 研究 出的电容式测微仪法是一种非接触式 的位移测量装置。 电容式测微仪可精确测量混凝土变形 , 精度可达 l 0 。 变形测量在试模 中进行 , 混凝土试件一旦成 型结束 , 变形的测量即可开始, 可以测量混凝土变形的全 过程。 巴恒静等人9 】 提出的非接触式混凝土早期 自收缩测 量方法是通过涡流传感器输出
17、电压值的改变来传感器端 头与测头 间距 离的变化 。 试验 采用数字温度 测定仪测 温 度, 并通过滑动轨道系统可以实现使用一对传感器对多个 试件进行测量。 芬 兰技 术研究 中心 ( T e c h n i c a l R e s e a r c h C e n t r e o f F i n l a n d ) t o 1 在混凝土的早期收缩 的研究 中, 采用 L V D T位移传 感器同时测混凝土垂直 向的收缩 ( 沉降 ) 与水平向的收缩 。 东南大学 的田倩和孙伟等 1 1 采用分段测量 : 立式测量方式 和横向测长方式。 非接触式混凝土 自收缩测量法克服 了传统测量方法 中变形测
18、量只能在混凝 土拆模后才能测量 的弊端 , 真实地 反映了 昆 凝土的收缩变形 。 连续 自动测量混凝土的体积变 形 , 便 于数据 的 自动采集与处理 , 在试验 的安排上也较 为 灵活方便。 但非接触传感器是否能够真实的反映混凝土的 变形还有待进一步探讨 。 1 4 混凝土 自收缩测量方法的分析 与评价 无论是外置式 、 埋人式还是非接触式混凝土 自收缩测 量方法 , 各个研究者均是根据 自己的研究 目的及试验室条 件等因素来设计不同的试验装置 , 目前尚无统一规范标准 。 自收缩测量中主要存在着试验方法与测量仪器两方面的 差异 , 测量仪器的改进使得 自收缩测量 的精度有所区别 , 而
19、试验方 法的差异如开始测量 的龄期 的选定则会 使 自收缩 值相差甚远 。 从何智海 , 王雪芳【 堋 , 吴伟松嗍 和秦鸿根【 等人对于混 凝土 自收缩测试 的研究中, 选取相同强度等级及水灰 比均为 0 3 的混凝土 自收缩测试数据进行对 比分析, 如图 3 所示 。 其中何智海、 王雪芬和吴伟松均采用外置式的自收缩 测量方法。 何的千分表法与吴的位移传感器法数据较为接 近均在 2 5 0 Ix e 左右; 而王采用电涡流传感器来提高测量精 度, 所测自收缩值明显小于前两位研究者的试验数值。 秦鸿 根则采用水利混凝土工程试验规程中的埋入式测试方法, 从图3中可见 2 8 d的自收缩值不到
20、5 0 Ix e 远远小于其他 几位研究者的试验测试值。 不 同研究者测试方法 的差异 , 测量精度 的不同以及起 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 0 2 5 0 毒 。 。 15 0 1 0 0 赠 50 U l U I 5 2U 25 jU 龄期 , d 图 3 不同测试方法的自收缩测量值对比 始测试点的选取不一等因素都导致了试验数据的差异, 这 给自收缩测量的发展与统一提出了多方面的要求。 此外如 何对混凝土试件进行密封使其不与周围环境进行湿度交 换 , 同时又不对试件的变形形成约束, 这也是混凝土 自收 缩测试时必须解决 的问题。 正是 由于这些
21、 , 往往使得不 同 研究者 的 自收缩试验结果之 间存在着较大 的分歧 , 无法得 到令人信服的结果 , 从而无法正确指导实际工程, 这就迫 切需要制定一套标准的试验方法。 2 混凝 土 自收缩的预 测模 型 混凝土 自收缩预测模型的研究可分为两类 : 一是在混 凝土材料的物理和化学现象进行定义和量化分析的此基 础上 , 从水泥石 的组成 、 微观结构 、 湿度环境及力学性 能等 特点出发 , 建立混凝土 自收缩的力学模型与预测模型 。 二是 先进行大量 的试 验 , 然后对试验结果进行 回归 , 最后 引进 概率的方法构造出相应的函数公式, 再推广使用。 目前混凝 土 自收缩 的预测模 型
22、并不 多 , 主要包括 以下几种 , 下面简 要分析之 。 2 1 由理论分析推导出的自收缩预测模型 C H u a , A E r l a c h e r C 6 3 提 出的基 于宏观尺度 的混凝 土 自 收缩预测模型 , 引人了毛细孔压力引起的宏观应力 , 并将其 考虑进材料的黏弹性性能中。 基于微观尺度的预测模型认为 材料由无水水泥, 水和水化产物三个组分组成, 无水水泥被 认为是弹性与各向同性体, 水化物的黏性用 Z e n e r 流变模型 来表征。 从试验与预测结果的比较发现模型得到的预测值能 较好的吻合试验结果值 , 但是模型的一些参数多基于假设。 E -AB K o e md
23、 e r s , K v a n B r e u g e l 7 基 于热 动力 学原 理 提出了 自收缩的预测模型。 该模型 中认为表面张力的变化是 导致自收缩产生的主要驱动因素。 虽然其试验结果显示模型 的预测效果 良好 , 但公式的适用范围是受相对湿度的限制。 I s h i d a C t 研 基于混凝 土孔 中水 的物 理力学 特性 提出 了自 收缩预测模 型。 模型认为毛细孔 张力是混凝土 自收缩的主 要 驱动 因素 。 材料 的力学性 能随时 间的变化通 过分析水 化 , 水分迁移 , 孔结构的发展的共同作用得出。 I s h i d a 还相 应的进行了数个 自收缩测量试验来验
24、证模型的适用性, 结 果表明该模型能较好的预测自收缩变形。 2 2 由试验分析推导出的 自收缩预测模型 2 2 1 与水灰比相关的预测模型 水灰比对混凝土的最终 自收缩和 自收缩发展有很大 的影响 。 P e r s s o n 9 】提 出与水灰 比 W C有关 的混凝土 自收缩 的预测模型 : 6 - k s k 5 0 6 2 4 1 - 2 2 7 ( w c) ( 1 ) 该模型仅适用于 0 2 W C 0 4的情况 。 S Mi y a z a w a 和 E _ T a z a w a 阿 研究得出当水灰 比在 0 2 0 6 范 围内变化时 , 对混凝土 自收缩值的预测可通过
25、以下模型 计算: ( ) s 咖( W C ( f ) ( 2 ) 当 0 2 W C O 5 时 : 锄( w c ) = 8 o ( 4 ) ( ) = 1 一 e x p 一 0 ( f 一 ) ( 5 ) 式 中: ( ) 龄期 t 时刻的 自收缩 ; 反映水泥类型影响作用 的系数 ; 咖混凝土最终 自收缩值 ; ( ) 描述 自收缩随龄期发展 的系数 。 2 2 2 与强度相关的预测模型 欧洲规范模型E N 1 9 9 2 t2 a 适用于普通与高强混凝土的 自收缩值计算, 具体的计算式如下: 8 = ( t ) = 6 o 1 - e x p ( - y t ) 】 ( 6 ) 6
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