水泥漿體積對(duì)混凝土收縮影響研究

陳嘉健，雷元新

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山528000）

水泥漿體積對(duì)混凝土收縮影響研究

陳嘉健，雷元新

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山528000）

闡述了應(yīng)用光纖傳感器技術(shù)測(cè)量混凝土收縮的實(shí)驗(yàn)方法，并用該方法測(cè)量了混凝土配比中的水泥漿體積對(duì)混凝土收縮的影響。實(shí)驗(yàn)配制了固定設(shè)計(jì)強(qiáng)度、無(wú)減水劑影響的高、中、低水泥漿體積比配比的混凝土試件，成功應(yīng)用新測(cè)量方法作了長(zhǎng)達(dá)3.5年的混凝土收縮測(cè)量。結(jié)果表明該測(cè)試方法具備高度的可重復(fù)性和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，并證明了采用低水泥漿量的混凝土配比可有效減少混凝土的收縮值，為從源頭上降低混凝土收縮、緩解混凝土開(kāi)裂及由其導(dǎo)致的鋼筋銹蝕、滲漏等混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題提供了可行對(duì)策。

混凝土收縮；光纖傳感器；水泥漿體積

當(dāng)水分從硬化混凝土的毛細(xì)孔中散失后，表面張力會(huì)轉(zhuǎn)移到毛細(xì)孔壁而在毛細(xì)孔系統(tǒng)里重新分布，導(dǎo)致了混凝土體積的減?。?-2］。影響混凝土收縮的因素包括可蒸發(fā)水量、水分蒸發(fā)程度和單位水分散失造成的收縮程度等。上述的第一個(gè)因素取決于混凝土的配合比，例如水膠比和水泥漿體積比等；第二個(gè)因素取決于混凝土的滲透性、結(jié)構(gòu)的大小與幾何形狀、外界環(huán)境條件如濕度、溫度等；第三個(gè)因素則與骨料性質(zhì)和孔隙水表面張力有關(guān)。

眾所周知，混凝土的收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的收縮變形，如果變形受限則會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力的出現(xiàn)和導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂。收縮裂縫不光影響結(jié)構(gòu)外觀，還會(huì)導(dǎo)致諸如滲水、鋼筋銹蝕等使用性和耐久性上一系列的問(wèn)題。更嚴(yán)重的是，收縮裂縫大多是貫通裂縫，修補(bǔ)工作很難開(kāi)展而且造價(jià)不菲。因而，相比裂縫出現(xiàn)后再進(jìn)行修補(bǔ)，更可取的做法是在設(shè)計(jì)施工階段就盡可能地避免收縮裂縫的出現(xiàn)。早在1980年代，減縮劑作為有機(jī)化學(xué)外加劑在日本面世，其作用機(jī)理是降低孔隙水的表面張力從而減小水泥漿的收縮。減小混凝土開(kāi)裂的方法還包括修筑變形縫、設(shè)置后澆帶、優(yōu)化混凝土配合比增加其體積穩(wěn)定性、摻加混凝土膨脹劑、使用膨脹水泥、設(shè)置密集的分布鋼筋等［3］。

從文獻(xiàn)搜索結(jié)果來(lái)看，關(guān)于減縮劑減小混凝土收縮的研究已有所展開(kāi)［4-7］，WEISS和SHAH［6］更證明了摻加減縮劑的混凝土試件的收縮應(yīng)變比沒(méi)摻加的要小，而質(zhì)量損失相仿。然而，由于混凝土收縮是個(gè)非常微小的量，通常不足1個(gè)微應(yīng)變，若需要人工測(cè)量很容易受到人為的擾動(dòng)而使結(jié)果產(chǎn)生明顯誤差。為精確測(cè)量混凝土的收縮，本研究提出了應(yīng)用光纖傳感器的混凝土收縮測(cè)量方法，避免測(cè)量過(guò)程中人工擾動(dòng)的影響。為驗(yàn)證該新方法可行性，同時(shí)探討水泥漿含量對(duì)混凝土收縮的影響，本研究中采用該方法對(duì)高、中、低水泥漿體積比混凝土試件做了長(zhǎng)達(dá)3.5年的混凝土收縮測(cè)量。

1　測(cè)試方法介紹

1.1光纖應(yīng)變計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

光纖技術(shù)擁有體積小、重量輕、精確度高、衰減率低等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，光纖技術(shù)不需要電流作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，因而完全不受外界電磁場(chǎng)環(huán)境的干擾［8-13］。該技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)今已在醫(yī)療、傳播、電信、工業(yè)制造等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。關(guān)于光纖技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，則是MENDEZ［14］等最先提出了埋置光纖傳感器于混凝土結(jié)構(gòu)中的構(gòu)想。其后，光纖傳感器很快正式應(yīng)用于混凝土內(nèi)部氣孔探測(cè)［16］、荷載作用下應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量［16］、橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)［17］等混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)方法。

本實(shí)驗(yàn)采用的光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是基于Fabry-Perot技術(shù)［18］發(fā)展而來(lái)的，包括光纖、內(nèi)嵌型應(yīng)變計(jì)和信號(hào)輸出器三部分，參看圖1。過(guò)往的成功應(yīng)用［19-20］已經(jīng)證明了該測(cè)量系統(tǒng)的精確性和可靠性。

圖1　光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)用到的光纖結(jié)構(gòu)參看圖2a。光纖內(nèi)部是石英玻璃做成的核心層，其外是直徑125微米的玻璃層。由于玻璃的折射率較石英玻璃低，包裹在石英玻璃核心層外的玻璃層能把光在光纖內(nèi)部完全反射。為避免光纖和顯堿性的混凝土接觸而導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)，光纖外圍包裹了3 mm厚的聚合體覆蓋層。該聚合體覆蓋層能把光纖內(nèi)部與外部環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)，避免光纖與混凝土中的氫氧根離子反應(yīng)。

內(nèi)嵌型應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)參看圖2b。應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)70 mm，由3.2 mm直徑不銹鋼體和兩端的凸緣組成。不銹鋼體內(nèi)部套了Fabry-Perot傳感器，避免傳感器在混凝土澆灌時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)；凸緣成鋸齒形，能與混凝土起互鎖固定作用。整個(gè)內(nèi)嵌型應(yīng)變計(jì)在澆筑混凝土前固定于模板中心。

Fabry-Perot傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理參看圖2c。

圖2　光纖傳感器結(jié)構(gòu)

該傳感器由熔合于200 μm直徑微玻璃管內(nèi)的兩條光纖構(gòu)成。兩光纖之間的距離稱為Fabry-Perot縫［21］。包裹在兩光纖末端的鏡片由半折射材料做成，其折射面垂直于光纖的軸線。Fabry-Perot傳感器的測(cè)量范圍和可信度分別是2 000 με和0.5 με，結(jié)果精確到最近的0.2 με。當(dāng)Fabry-Perot傳感器周圍的混凝土出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)，F(xiàn)abry-Perot縫大小亦會(huì)隨之改變，其長(zhǎng)度變化信號(hào)能傳輸?shù)叫盘?hào)輸出器顯示出來(lái)。

信號(hào)輸出器內(nèi)含F(xiàn)izeau干涉計(jì)，能把Fabry-Perot縫的長(zhǎng)度和混凝土應(yīng)變等目標(biāo)測(cè)量值一一對(duì)應(yīng)起來(lái)［21］。該信號(hào)輸出器輸出光線并在光纖中傳輸至內(nèi)嵌于混凝土中的傳感器，然后在Fabry-Perot縫中通過(guò)兩端的鏡片反射，形成干涉圖樣。Fabry-Perot縫寬度的微小改變能在Fizeau干涉計(jì)中以光信號(hào)的相位改變的形式顯示出來(lái)，從中精確計(jì)算出混凝土的應(yīng)變。

1.2實(shí)驗(yàn)試件

本實(shí)驗(yàn)中混凝土收縮測(cè)量采用了75×75×250 mm的長(zhǎng)方體試件，如圖3所示?；炷猎阼F模中澆筑，澆灌前先把光纖傳感器預(yù)埋在鐵模中心。為防試件在凝固期間的干燥收縮，在澆筑完畢后馬上用一層防滲膠膜覆蓋試件上表面。為模擬真實(shí)環(huán)境中水分從兩表面散失的情況，如樓板、墻等結(jié)構(gòu)，試件于24 h拆模后用防滲聚合物水泥乳膠漿涂抹試件上下表面，只讓試件的兩端側(cè)面受到失水干燥的影響，每個(gè)試件的有效受干燥深度則可以看作是75 mm的試件寬度。其后試件在濕水飽和狀態(tài)下存放，直到7 d后開(kāi)始測(cè)量。

圖3　內(nèi)嵌應(yīng)變計(jì)的混凝土收縮測(cè)量試件

1.3測(cè)試環(huán)境

試件在養(yǎng)護(hù)7 d后，會(huì)放置于透明塑料實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)保持27±1°C和75±5%的恒溫恒濕狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)造上包括內(nèi)外兩層箱子，內(nèi)層尺寸為900×900×900 mm。內(nèi)外兩層箱之間注滿循環(huán)空氣，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)空氣溫度來(lái)調(diào)整內(nèi)層箱里環(huán)境溫度，如此內(nèi)外雙層設(shè)計(jì)同時(shí)保證了實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部與外部環(huán)境很好地隔絕，從而使試件不受外部溫度濕度變化的影響。實(shí)驗(yàn)箱里的相對(duì)濕度可通過(guò)放置干燥硅凝膠吸濕珠和濕潤(rùn)布條調(diào)控：當(dāng)相對(duì)濕度偏高時(shí)，干燥硅凝膠吸濕珠吸收水分降低濕度；當(dāng)相對(duì)濕度偏低時(shí)，濕潤(rùn)布條散發(fā)水分提高濕度。在試件放置實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)始前8周內(nèi)，保持每天對(duì)試件收縮值進(jìn)行測(cè)量記錄；8周后，隨著時(shí)間收縮速度放緩，測(cè)量頻率逐漸遞減。

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1材料

本實(shí)驗(yàn)中用到的材料全部為我國(guó)南方地區(qū)常用混凝土配比材料：水泥是硅酸鹽水泥；骨料采用壓碎花崗巖骨料，粗骨料名義最大顆粒分別為20 mm和5 mm。為減少減水劑對(duì)混凝土收縮程度的影響，本研究中所有試件均不使用減水劑。

2.2配合比設(shè)計(jì)

本研究配制了水泥漿體積百分比分別為45%、40%、35%配比的混凝土試件，試件強(qiáng)度等級(jí)為C40，水膠比固定為0.44，設(shè)計(jì)塌落度分別為150、130、100 mm，詳細(xì)配比情況見(jiàn)表1所示。試件以PV （paste volume）和水泥漿體積百分比值作編號(hào)，PV45、PV40、PV35分別為高、中、低水泥漿體積百分比混凝土配比的代表試件。為保證本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每一個(gè)配比同時(shí)澆筑了兩個(gè)配比完全一樣的平衡試件，讓兩試件同樣地經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的收縮過(guò)程亦同時(shí)測(cè)試收縮值。通過(guò)平衡試件的收縮結(jié)果比較，可以檢查該混凝土收縮測(cè)試方法的可重復(fù)性和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1　基本配比設(shè)計(jì)

表2列出了每組混凝土配比各材料用量。可以看出隨著水泥漿體積百分比的減少，水泥用量可得到顯著減少。

表2　混凝土試件材料配比　kg/m3

本實(shí)驗(yàn)中，每組混凝土配比分別澆筑了3個(gè)150×150×150 mm的混凝土塊作28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試，P45、P40、P35對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度分別是58.3、59.8、62.4 Mpa，由此可以看出，每一個(gè)配比的28 d抗壓強(qiáng)度都顯著高于其設(shè)計(jì)的強(qiáng)度級(jí)別，符合我國(guó)混凝土生產(chǎn)的慣常做法。

表3　收縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)試件的收縮應(yīng)變測(cè)量歷時(shí)3.5年，表3列出了各配比試件在齡期為0.5年、1年、2年、3年、3.5年時(shí)的收縮應(yīng)變測(cè)量結(jié)果。同配比兩平衡試件的收縮應(yīng)變會(huì)有少許差別，結(jié)果采用其平均值?；炷潦湛s大小隨時(shí)間變化規(guī)律可從各試件收縮應(yīng)變-齡期圖中看出來(lái)，圖4顯示了試件收縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況。結(jié)果清楚表明，在初始階段，混凝土收縮隨時(shí)間快速增加，繼而逐漸減慢，一年后則基本上不再有增加。從各試件的收縮值測(cè)量結(jié)果來(lái)看，此情況在較高和較低水泥漿體積百分比混凝土中均一致。

圖4　混凝土試件收縮應(yīng)變-齡期曲線

由于每一配比試件的收縮值在3.5年后幾乎不會(huì)再有增長(zhǎng)，可以把本實(shí)驗(yàn)?zāi)└髟嚰氖湛s值看作最終收縮值。各配比的最終收縮值取同配比兩平衡試件的平均值，結(jié)果列于表3最后一列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效證明了降低水泥漿體積對(duì)減少混凝土收縮的作用。相比于45%水泥漿體積比的混凝土配比，降低5%水泥漿體積比可減少最終收縮86 με，或10.1%；降低10%水泥漿體積比可減少最終收縮164 με，或19.2%。

4　討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用低水泥漿量的混凝土配比可有效減少混凝土的收縮值，對(duì)減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、緩解混凝土開(kāi)裂及由其導(dǎo)致的鋼筋銹蝕、滲漏燈耐久性問(wèn)題有顯著的作用。這是由于混凝土的收縮絕大部分來(lái)源于水泥漿的收縮，水泥漿的收縮則來(lái)源于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)收縮和水分蒸發(fā)引起的干縮。此外，采用低水泥漿量混凝土配比在不影響強(qiáng)度的情況下，有助于減少土建行業(yè)中的水泥消耗量，降低了材料成本，減少能源的消耗和溫室氣體的排放，達(dá)致良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

值得注意的是，混凝土的水泥漿量并不可能無(wú)限制的降低。為彌補(bǔ)水泥漿降低后流動(dòng)性的降低，需要應(yīng)用更高量的減水劑。由于混凝土中的水泥漿量必須足夠填充骨料間的空隙達(dá)致密實(shí)的結(jié)構(gòu)，要更進(jìn)一步減少水泥漿量需要更佳的骨料配比獲得更高的骨料填充密度。

5　結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用光纖傳感器技術(shù)進(jìn)行混凝土收縮長(zhǎng)期測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，并用該方法對(duì)降低水泥漿量減小混凝土收縮的效果做出了系統(tǒng)評(píng)估。通過(guò)對(duì)高、中、低水泥漿量配比混凝土試件長(zhǎng)達(dá)3.5年的干燥收縮測(cè)量，表明該測(cè)試方法具備高度的可重復(fù)性和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，證明了采用低水泥漿量的混凝土配比可有效減少混凝土的收縮值，為緩解混凝土開(kāi)裂及由其導(dǎo)致的鋼筋銹蝕、滲漏等混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題提供了可行處理方法。

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【責(zé)任編輯：周紹纓410154121@qq.com】

Effect of cement paste volume on concrete shrinkage

CHENJia-jian，LEI Yuan-xin

（Department ofCivil Engineering，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan 528000，China）

A new method to measure the concrete shrinkage using fibre-optic sensor technology was presented and the effect of cement paste volume on concrete shrinkage was studied.Concrete specimens with constant design strength，without superplasticizer and high，medium，low cement paste volume were made and their shrinkage in 3.5 years was measured with the new method.Results proves the measurement method has a high repeatability and accuracy，and a low cement paste volume can contribute to a lower ultimate shrinkage，which can provide a solution for concrete shrinkage，reinforcement corrosion and leakage problem.

concrete shrinkage；fibre-optic sensor；cement paste volume.

TU528

A

1008-0171（2016）04-0048-06

2016-05-16

2014年廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2014A030310273）；佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)、監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展中心資助項(xiàng)目

陳嘉?。?985-），男，廣東佛山人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師，博士。