南水北調(diào)工程薄壁混凝土干縮試驗研究進(jìn)展

□劉福友 □梁 峰 □鐘雪瑩（中國水利水電第七工程局有限公司）

在南水北調(diào)工程中，混凝土結(jié)構(gòu)大部分均為薄壁結(jié)構(gòu)，溫度變形和干縮是導(dǎo)致其開裂的主要原因，如渡槽、倒虹吸等的“棗核型”裂縫，表層龜裂，渠道的表面干縮裂縫。干縮裂縫導(dǎo)致水泥混凝土耐久性下降,有時甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，有必要對裂縫機(jī)理進(jìn)行研究。

關(guān)于混凝土溫度變形的研究理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，但干縮由于其影響因素和作用機(jī)理的復(fù)雜性，到目前為止還沒有完整的理論體系，甚至關(guān)于自收縮、化學(xué)減縮、自干燥收縮等基本概念本身就存在著不一致。本文主要從理論研究使用的最基本手段——試驗著手，以下幾方面進(jìn)行總結(jié)，尋找干縮研究的進(jìn)展：

1.試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法

對干縮研究，不管是其特性、影響因素分析等都需要借助于試驗手段進(jìn)行自由變形測量，故測量手段及其精確性就決定了干縮研究的可靠性。目前，干縮試驗有著不同的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

干縮變形主要包括早期的自干燥收縮和水分散失導(dǎo)致的干縮，其中，自干燥收縮指在密封條件下，混凝土攪拌以后，內(nèi)部水分參與水化反應(yīng)，生成物的體積大于原固體體積，形成孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙中空氣濕度大，但隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，內(nèi)部相對濕度的下降致使孔隙結(jié)構(gòu)體積收縮。

從表1可以看出，不同標(biāo)準(zhǔn)下，干縮測量初始讀數(shù)時間、養(yǎng)護(hù)條件等都是有差異的，這也決定了不同標(biāo)準(zhǔn)的適用性。在試驗過程中，由于混凝土的初始結(jié)構(gòu)形成時間目前尚很難進(jìn)行明確的判斷，故目前規(guī)范規(guī)定的干縮試驗測試方法均不包括早期的干縮。目前常用的干縮試驗手段主要有以下幾種：

表1 幾個主要標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的干縮測試的初始時間及試驗條件表

1.1 傳感器法

傳感器能將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號，故在混凝土澆注成型時埋入傳感器，則在混凝土產(chǎn)生收縮變形時混凝土本身就會對傳感器產(chǎn)生擠壓作用，使得通過傳感器輸出的電磁效應(yīng)發(fā)生一定的變化，則可以通過連續(xù)測量傳感器輸出變化的電信號換算出混凝土產(chǎn)生的收縮變形的大小。傳感器測量的變形值精度相對較高，誤差小，通常能連續(xù)自動記錄，但一般不適用于早期處于塑性階段的混凝土，因為早期混凝土的塑性變形會受傳感器影響，而且該測量方法價格昂貴。

1.2 光學(xué)測量法

該方法和傳感器法相比，不需要接觸的傳感器，一般可利用預(yù)埋在試件中的金屬反射體產(chǎn)生的反射脈沖，利用兩個光點之間距離變化來進(jìn)行測量。該方法和傳感器法相比精度也較高，并且早期塑性變形不太會受到影響。

1.3 千分表法

千分表是通過齒輪或杠桿將一般的直線位移轉(zhuǎn)換成指針的旋轉(zhuǎn)運動，然后在刻度盤上進(jìn)行讀數(shù)的長度測量儀器。在進(jìn)行干縮試驗時，將試件放置在光滑的基座上，將試件的一端進(jìn)行固定，另一端安置千分表，故混凝土試件整體收縮會引起千分表觸頭移動并使得千分表產(chǎn)生讀數(shù)，得到干縮變形值。千分表法測量干縮具有操作簡單、投資少等優(yōu)點，但誤差較大。周圍環(huán)境的細(xì)微振動會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

1.4 體積法

基于阿基米德定律，測量混凝土在水中質(zhì)量隨時間的變化，得到浮力變化情況，也就是得到了混凝土體積變化情況。用體積法測量時，混凝土需要用塑膠套包住，并在放入水中之前將混凝土的膠套內(nèi)空氣去凈，否則影響測量結(jié)果。

1.5 對比分析

上述4種方法，其中體積法是對混凝土體積變化的直接測量，其他3種都屬于線性測量方法。由于混凝土自攪拌開始就開始水化，即存在著收縮，因此理想的測量方式應(yīng)當(dāng)是自加水拌和成型之后立即進(jìn)行。針對該觀點，體積法測量方式具有明顯的優(yōu)勢，因為在初始結(jié)構(gòu)形成以前的混凝土采用線性測長的方式顯然在本質(zhì)上就有混淆，另將體積變形轉(zhuǎn)換為長度變形后測試結(jié)果要較長度測量結(jié)果高出3～5倍之多，這主要取決于水泥類型和試驗具體條件。但由于線性測長方法的點相對固定，因此對于泌水影響要小得多，對于混凝土試驗方法現(xiàn)在較常用的多是長度測試法。

2.國內(nèi)外常用干縮試驗方法

根據(jù)上述不同的試驗方法，國內(nèi)外常用的試驗方法主要有以下幾種：

2.1 Holt and Leivo1999法

該方式采用傳感器進(jìn)行測量，試驗裝置見圖1，裝置簡單，鏡面的底座設(shè)計可以減少試件和工作平面的摩擦，操作簡單，受人為影響很小?？墒窃摲桨冈跍y量時，每個混凝土試件都配備了兩個傳感器，在測量過程中不能移動，造價相對比較高。

2.2 環(huán)境;水質(zhì)要求及保護(hù)對策M(jìn)orioka法

這個試驗裝置試件以產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的點作為零點進(jìn)行校正，至少可以保證測試可以承受外部應(yīng)力的固體體系的變形，見圖2。由于早期的混凝土結(jié)構(gòu)非常脆弱，難以克服試摩表面的摩擦而容易受約束的影響，這種影響可以通過提高模具表面的約束而盡量減小，該裝置受外部環(huán)境影響較小，但對剛度太小的混凝土，該裝置會對早期的收縮不敏感。

圖1 Holt and Leivo試驗裝置圖

圖2 Morioka干縮試驗裝置圖

2.3 Jenson and Hansen法

Jesen&Hensen專門針對水泥漿的自收縮測量發(fā)明了一種CT1 Digital Dilatometer(如圖3所示)，它采用了低密度的聚乙烯塑料波紋管作為模具，起著密封和降低約束的作用。該模具在凝結(jié)以前可以將體積變形轉(zhuǎn)換為線性變形，而在凝結(jié)以后則為正常的線性測長的方式，理論上可以在成型后即開始測量。但是,由于采用了接觸式傳感器，因此也必須在初凝的時候才能開始測量。該試驗設(shè)置測量精度高，特別是我國巴恒靜對此進(jìn)行改進(jìn)之后，改進(jìn)的新型非接觸感應(yīng)式早期收縮測量法，克服了以往測量手段的不足，適合于精確測量各種體積變形。

圖3 Jenson and Hansen試驗裝置圖

3.結(jié)論

對于南水北調(diào)大部分的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，其干縮研究中的干縮數(shù)學(xué)模型如干縮系數(shù)，濕度交換系數(shù)等、干縮影響因素都是建立在試驗的基礎(chǔ)上，而試驗方法的不統(tǒng)一，直接導(dǎo)致模型的實際應(yīng)用及設(shè)計的參考價值。本文針對現(xiàn)有試驗標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法進(jìn)行了總結(jié)，體積法和線性測量法各有不足，故針對現(xiàn)有儀器設(shè)備及測量方法的不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)測量設(shè)備及手段。