自收縮、自干燥收縮及化學(xué)減縮的區(qū)別與聯(lián)系

自收縮、自干燥收縮及化學(xué)減縮的區(qū)別與聯(lián)系

20世紀80年代，隨著高性能水泥基材料的蓬勃發(fā)展，低水膠混凝土的自干燥現(xiàn)象開始受到關(guān)注。自收縮引起的裂縫不僅限于混凝土表面，還包括整個混凝土。高性能混凝土自收縮的研究越來越受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。關(guān)于自收縮的研究已經(jīng)發(fā)表了100多年，但由于自收縮定義不統(tǒng)一，自收縮法仍存在許多困惑和爭議，嚴重阻礙了自收縮研究的進展。在2000年rilm舉行的“shrelemshreme”國際會議上，重要的問題是如何正確測試收縮值。之后，許多新的測試方法層出不窮，并取得了一些進展，但它們并不令人滿意。對于早期的自收縮測量結(jié)果在不同的文獻資料里面存在著較大的爭議,歸根到底是由于測試方法的不同而引起的.Barcelo等已經(jīng)證明要想對基于不同測試手段得出的試驗結(jié)果進行解釋很困難,因此測試方法的不足嚴重地阻礙了自收縮研究的進展.如何提早測量初始時間、降低模具約束、提高測試精度和密封有效性以及消除溫度變形的干擾,一直是研究人員致力改進的問題.本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有的自收縮的定義及測試方法進行比較研究的基礎(chǔ)上,提出了自己的關(guān)于混凝土自收縮的觀點和一種新的混凝土早期變形測試方法.1自我收縮定義1.1密封水泥漿體的自收縮自干燥收縮迄今為止,國內(nèi)外學(xué)者采用的自收縮定義仍未完全統(tǒng)一.自收縮一詞最初出現(xiàn)在20世紀初,當時LeChatelier對硬化水泥漿的絕對體積變化(absolutevolumechange)和表觀體積變化(apparentvolumechange)進行了區(qū)分,并且提出了自干燥的概念.Lynam也許是最早對自收縮作出明確定義的研究人員,他認為自收縮應(yīng)為不因熱或水分蒸發(fā)而引起的收縮.日本混凝土協(xié)會(JapaneseConcreteInstitute,JCI)定義的自收縮是指在初凝以后水泥水化時產(chǎn)生的表觀體積減小,它不包括因自身物質(zhì)增減、溫度變化、外部加載或約束而引起的體積變化.自收縮可以表達為體積減少的百分數(shù)即“自收縮率”,或一維長度的變化即“自收縮應(yīng)變”.與之相對應(yīng)的是自膨脹,統(tǒng)稱為自身變形.該定義明確“自身”的概念,并且明確了測試開始的時間.而在RILEMTC181-EAS報告里,對自收縮的定義則涵蓋了更為廣泛的內(nèi)容,且進一步明確了自收縮(autogenousshrinkage)與自干燥收縮(self-desiccationshrinkage)的區(qū)別:(1)自收縮是指水泥基材料在密封養(yǎng)護、等溫的條件下表觀體積或長度的減少,化學(xué)減縮(chemicalshrinkage)是引起自收縮的原因,在塑性階段時二者近似相等.當水泥漿體結(jié)構(gòu)形成以后(粗略地劃分為初凝時),自收縮要小于化學(xué)減縮.(2)自干燥收縮是指在密封的條件下,當水泥漿體結(jié)構(gòu)形成以后,由于水泥進一步水化而使其內(nèi)部相對濕度下降所引起的收縮.自干燥收縮是自收縮的一部分,也是最重要的一部分.由于水泥漿體的結(jié)構(gòu)形成時間目前尚很難給出明確的判斷,因此測試時間也是從初凝時開始,且在測試時通過特殊的保溫措施來達到絕熱的條件.(3)與自干燥收縮相對應(yīng)的是水泥漿體結(jié)構(gòu)形成以前由于化學(xué)減縮而導(dǎo)致的表觀體積的減小,稱為凝縮(settingshrinkage).凝縮也是自收縮的一部分.(4)密封條件下由于自收縮、自膨脹以及溫度變形所引起的表觀體積的變化統(tǒng)稱為自身變形.在我國學(xué)者所公開發(fā)表的文獻資料里,大多是將自收縮等同于自干燥收縮,認為由于密封水泥漿體內(nèi)部相對濕度隨水泥水化而減小所引起的自干燥造成了毛細孔中的水分不飽和,從而產(chǎn)生了自收縮現(xiàn)象.1.2混凝土表觀體積shrenkage的定義綜合考慮已有的文獻資料,并結(jié)合工程實際情況,筆者關(guān)于自收縮的定義如下:(1)自收縮(autogenousshrinkage)是指澆筑成型以后的混凝土在密封條件下表觀(apparent)體積(或長度)的減小,它不包括因自身物質(zhì)增減、溫度變化、外部加載或約束而引起的體積(長度)的變化.(2)化學(xué)減縮(chemicalshrinkage)指由于水化而引起的混凝土絕對(absolute)體積(或長度)的減小.(3)凝縮(settlementshrinkage)指在密封條件下混凝土從澆筑成型以后直到凝結(jié)開始時(塑性階段),由于化學(xué)反應(yīng)、沉降等因素所引起的表觀體積(或長度)的減小.(4)自干燥收縮(self-desiccationshrinkage)指混凝土結(jié)構(gòu)形成以后,由于化學(xué)減縮消耗了內(nèi)部水分,使混凝土內(nèi)部相對濕度下降,混凝土表觀體積(或長度)發(fā)生減小的現(xiàn)象.同樣它也不包括因自身物質(zhì)增減、溫度變化、外部加載或約束而引起的體積(或長度)的變化.本文所采用的定義具有下述特點:(1)與目前我國學(xué)者所公開發(fā)表的的文獻比較,本文的定義將自收縮與自干燥收縮區(qū)別開來,即自干燥收縮是指在混凝土結(jié)構(gòu)形成以后的自收縮.(2)與JCI的自收縮定義比較,本文的自收縮包括了初凝以前的變形.(3)與RILEMTC181-EAS的自收縮定義比較,本文的定義不包括因自身溫度變化而引起的變形,即不是指在絕熱條件下的收縮.這樣定義的目的是為了避免溫度變化對水化過程的影響.(4)化學(xué)減縮是指絕對體積的減小,而自收縮是指表觀體積的減小.所謂的“表觀”與“絕對”是針對水泥基材料硬化后的多孔結(jié)構(gòu)特點而言.在混凝土結(jié)構(gòu)形成以前,化學(xué)減縮與自收縮基本等同,在混凝土結(jié)構(gòu)形成以后則化學(xué)減縮部分以形成內(nèi)部空孔的形式來體現(xiàn),其在絕對數(shù)值上要遠大于所測試出來的自收縮(表觀體積)值.(5)所定義的凝縮與引起早期塑性開裂的塑性收縮不同.前者是在密封條件下測試的,起源于早期水化反應(yīng)及沉降;而后者是在干燥條件下測試的,除了起源于水化反應(yīng)及沉降外,還起源于早期水分的蒸發(fā).2混凝土自收縮測試2.1模型試驗的方法由于水化作用的效應(yīng),水泥基復(fù)合材料自加水開始即存在著收縮,因此理想的測試方式應(yīng)當是自加水拌合成型之后便立即進行.就這一點而言,體積法測試方式具有明顯的優(yōu)勢,即采用密封橡膠袋可以測試出自加水攪拌成型開始后的自收縮.這種方法的缺點在于攪拌過程中吸入的空氣和成型后的泌水可能存在于橡膠袋與水泥漿之間,并且由于水泥水化作用的繼續(xù)進行有可能重新吸入水泥漿內(nèi)部,因此測試結(jié)果并不僅僅是表觀體積的減小,還包含了部分由于化學(xué)減縮而形成的空隙.由于化學(xué)減縮要遠遠高于表觀體積的減小,因此給測量造成了很大的誤差.此外,橡膠袋的滲透性也可能引起測量誤差.線性式的測量方式由于測試點相對固定,因此受泌水的影響相對較小.但也有文獻資料報道泌水后的回吸可能會減小自收縮,甚至導(dǎo)致早期水泥漿(混凝土)膨脹.另外,線性測量只能從混凝土結(jié)構(gòu)形成開始,也就是其只能測試自干燥收縮值.但是對一個由塑性階段向彈塑性階段轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)要想作出客觀的劃分并不容易,通常只能粗略地以傳統(tǒng)的凝結(jié)時間(初凝)為測量基準時間.更加科學(xué)的方法是在初凝之前即測試變形,同時測量相應(yīng)約束試件的內(nèi)部應(yīng)力,并以約束試件產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的時間點作為零點來進行校正.這種方法至少可以保證測出1個可以承受外部應(yīng)力的固體體系的變形.此外,早期的水泥漿結(jié)構(gòu)非常脆弱,難以克服試模表面的摩擦而易受約束的影響.由于集料可能會損壞橡膠袋,因此體積法的測量方式顯然不適用于混凝土.通常是采用線性測長的方式進行測量,試件多用棱柱體或是圓柱體.Bjontegaard(1999),Morioka(1999),Lokborst(1998),Holt&Leivo(1999),Jensen&Hansen(1997)等均在測試方法上進行了改進(見圖1).總結(jié)起來,主要有以下幾點:(1)傳感器.除了千分表外,通常采用的傳感器有埋入式電阻應(yīng)變計、電位器式傳感器LVDT、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式位移傳感器、激光位移傳感器等.位移傳感器(如電渦流式位移傳感器)內(nèi)部都包括可動部分和固定部分.可動部分(如電位器的滑臂、電感式傳感器的活動銜鐵、電容式傳感器的動極板、電渦流式位移傳感器的金屬板、霍爾傳感器的霍爾片等)隨被測運動物體運動,而固定部分則與運動參照點保持相對靜止.這樣,位移傳感器內(nèi)可動部分相對于固定部分的位移也就是被測物體相對于運動參照點的位移.埋入式電阻應(yīng)變計必須等到混凝土與應(yīng)變計之間具有一定的粘結(jié)強度時,才能保證儀器與混凝土之間的協(xié)同變形,因此通常也必須等到混凝土硬化以后才可測試.此外,由于傳感器無法反復(fù)使用,因此測試成本昂貴.接觸式傳感器(如LVDT)測試精度高,穩(wěn)定性好,但是因為是接觸式測量,因此也必須待混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的強度之后才能進行.近年來非接觸式的傳感器,如激光位移傳感器和電渦流式位移傳感器因為測試點與試件無需接觸,使測試時間的提前成為可能,因此在一些測試方法中得到應(yīng)用.(2)模具.模具分為可拆卸式和密封式.通常在混凝土硬化以前使用的成型模具均不拆除,因此對所用模具必須考慮其密封性與內(nèi)表面的約束力.聚四氟乙烯材料在固體材料中具有最小的摩擦系數(shù),因此被用來作為內(nèi)襯板.柔性的聚氯乙烯塑料薄膜提供最里面的一層密封,同時可以降低混凝土對襯板的吸附,從而降低約束力.Jensen&Hansen設(shè)計了1種與CT1DigitalDilatometer類似的混凝土自收縮測量裝置,該裝置采用Φ100mm×375mm的柔性塑料波紋管作為模具.但是由于采用豎向測量,因此該方法不能排除材料自重的影響.(3)溫度的干擾.減小溫度干擾的一種方法是在測試混凝土變形的同時也測試溫度,然后假定1個混凝土的溫度線膨脹系數(shù).由于硬化混凝土的溫度線膨脹系數(shù)只在1個較小的范圍內(nèi)波動,而塑性階段的混凝土溫度線膨脹系數(shù)無法測得,因此這樣做也可能給測試結(jié)果帶來誤差.另一種方法是對模具進行夾層保溫處理(如Koenders在1997年設(shè)計的AutogenousDeformationTestingMachine(ADTM),其模具的夾層有溫度可以調(diào)節(jié)的水流通道),以此來提供一種近乎絕熱的環(huán)境.但是該法有可能因水化引起的溫升而促進水化的進程,同時也會引起試件發(fā)生膨脹.2.2作者采用自收縮變形法及結(jié)果研究2.2.1試驗結(jié)果和模具參數(shù)綜合考慮早期混凝土的變形特點及文獻中已有自收縮測試設(shè)備的優(yōu)缺點,筆者自行設(shè)計了混凝土早期自收縮的測試系統(tǒng),見圖2所示.與文獻所述的自收縮測試設(shè)備比較,筆者所設(shè)計的系統(tǒng)具有以下特點:(1)將凝縮和自干燥收縮測試區(qū)分開來由于混凝土結(jié)構(gòu)仍未形成,其塑性階段的收縮只能以體積減小的形式體現(xiàn),而當模具的橫向尺寸一定時,也就只能以豎向長度的減小來體現(xiàn),因此塑性階段的自收縮只能以豎向測長的方式進行.然而塑性階段的自收縮測試過程中還包含了由于重力作用而引起的沉降收縮,因此真實測量的塑性階段的自收縮應(yīng)當是凝縮.一旦混凝土結(jié)構(gòu)形成,自干燥收縮便開始.混凝土結(jié)構(gòu)形成以后,試件在縱向和橫向上均存在收縮,同時結(jié)構(gòu)的形成帶來了收縮和約束之間的矛盾.模具的約束、重力的影響對于早期自干燥收縮的測試而言都是必須考慮的問題.本文就側(cè)模及重力對自干燥收縮的影響進行了專門的研究,試驗結(jié)果如圖3所示.圖中“豎向自由”是指在混凝土初凝以后拆除側(cè)模,只保留底模而測出的豎向(與重力一致的方向)長度變形;“豎向約束”是指在混凝土初凝以后保留側(cè)模與底模而測出的豎向長度變形;而“橫向收縮”表示在混凝土初凝以后拆除側(cè)模,只保留底模而測出的橫向(與重力垂直的方向)長度變形.由圖3可見,在去除側(cè)向約束的條件下,豎向收縮大約是橫向收縮的3倍,因此重力的影響不容忽視;在垂直方向有側(cè)向約束條件下的收縮大約只有無側(cè)向約束時的一半,因此早齡期的模具約束對于收縮測試結(jié)果也有很大的影響.(2)模具對于凝縮試件采用內(nèi)襯3mm聚四氟乙烯板材且底座可拆卸的中空圓柱形鋼管模具.該模具內(nèi)徑Φ為98mm,凈高度500mm.混凝土模具內(nèi)預(yù)放雙層聚氯乙烯塑料薄膜,底座與鋼管之間涂上密封黃油.混凝土拌合好后即可裝模.加水拌合后0.5h開始測試初始值.對于1d以前的自干燥收縮試件,將傳統(tǒng)的100mm×100mm×515mm的收縮試模加以改造:底模襯以2mm聚四氟乙烯板材,兩端和側(cè)模在混凝土初凝以后可以拆除.初凝后0.5h開始測試初始值.綜合起來,本文所采用模具的主要特點為:(a)采用這樣的模具進行凝縮測試時不用拆模,可以避免拆模對早期混凝土的損傷.模具本身具有足夠的剛度,在恒溫恒濕的條件下,不會因混凝土的自重而產(chǎn)生額外的變形.(b)采用具有自潤滑特性的聚四氟乙烯板材內(nèi)襯板與雙層聚氯乙烯塑料薄膜可有效減輕模具表面對早期混凝土的約束.(c)試件的頂端與底部采用聚氯乙烯塑料薄膜與自粘性鋁箔復(fù)合密封的方式,易于操作且能夠有效防止早期水分的蒸發(fā).(3)非接觸式測試傳感器使用了美國DALLAS公司生產(chǎn)的集成一線式溫度傳感器,其測量分辨率為0.0625℃.測試時試件內(nèi)部均預(yù)先埋置溫度傳感器.采用德國米依公司的multiNCDT300精密型傳感器,其主要技術(shù)參數(shù)為:測量范圍1mm,線性度0.2%,分辨率0.01%;傳感器溫度范圍:-50～150℃,溫度穩(wěn)定性0.02%/℃(10～90℃).該傳感器具有以下優(yōu)點:(a)對油污、塵埃、濕度、干擾磁場不敏感,特別適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境;(b)帶有溫度補償?shù)姆绞?具有足夠的精度和很好的穩(wěn)定性;(c)非接觸的測長方式避免了對早期混凝土的損傷以及傳感器測頭與早期混凝土試件之間的相對位移.傳感器的固定端需要與混凝土連成一體,且與混凝土同步變化.本文根據(jù)早期混凝土的收縮特點,分別對用于凝縮試件和自干燥收縮試件測試的傳感器的固定端進行處理,如圖4(a),(b)所示.測凝縮試件傳感器的固定端采用了帶泡沫塑料的鐵片,這有效避免了在塑性階段鐵片的沉降,消除了固定端與被測物件之間相對位移所帶來的測試誤差,使得混凝土的測試可以從澆筑成型后即便開始.(4)實現(xiàn)了計算機自動控制和多路傳感器頻率信號的實時采集在系統(tǒng)計算機方面編制了專門的通信測量軟件,其作用是根據(jù)測量的要求,給前端單片計算機發(fā)送測量指令,并將測量結(jié)果取回來進行分析和計算.分析和計算工作主要是在EXCEL電子表格中完成的.采用VBA編制了實現(xiàn)特定任務(wù)的“宏”,可以在任何需要的時候分析所測得的數(shù)據(jù).另外還編制了任務(wù)程序,它能在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行所要求的工作,從而實現(xiàn)了全天無人值守式的多點測量.(5)避免泌水的影響高性能混凝土的一個重要特征即是高工作性,然而摻合料以及超塑化劑的摻入在增大材料流動性的同時,也增加了泌水的趨勢.泌出的水分不管是對水泥漿還是對混凝土早期的自收縮均有影響,甚至?xí)鹪缙谂蛎?本文在查閱現(xiàn)有文獻資料的基礎(chǔ)之上,采用了一種新型的陰離子多聚糖高分子增稠劑(VA),它可以在基本不影響材料流變性的前提下消除水泥基材料的表面泌水(見圖5(a)).另外,在一定摻量范圍內(nèi),VA對于后期混凝土自收縮(成型1d以后開始測試)基本沒有影響,如圖5(b)所示.2.2.2混凝土自收縮特性測試對于長齡期的自收縮測試,保障測試儀器的穩(wěn)定、試件的密封以及環(huán)境溫濕度的有效控制是關(guān)鍵.硬化混凝土長齡期的收縮隨時間發(fā)展速度相對早期要慢,且穩(wěn)定時間長,而目前已有的電子傳感器技術(shù)很難解決長時間的飄逸問題.機械式的千分表就這一點而言具有明顯的優(yōu)勢,因此設(shè)計了專用的立式千分表來測量1d以后的混凝土自收縮.采用100mm×100mm×515mm的收縮試模,內(nèi)襯雙層PVC塑料薄膜.試件一端埋有不銹鋼釘頭,成型后將其表層蓋住,1d后拆模.拆模后將試件表面涂上石蠟,再放入110mm×110mm×550mm的方形鐵皮桶內(nèi),并以液體石蠟填充密封空余部分(見圖6所示).測試環(huán)境溫度為(20±2)℃,相對濕度(60±5)%.2.2.3混凝土自收縮的測試假定混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為10×10-6℃-1,則在齡期t(加水拌合0.5h開始計時)時混凝土的凝縮率εvt(10-6)為εvt=106×[(l0-lt)/498+(Tt-T0)×10×10-6](1)式中:l0,lt分別為測試初始時刻及齡期t時試件的長度(mm);T0,Tt分別為測試初始時刻及齡期t時試件的溫度(℃).在齡期t(初凝0.5h開始計時)時混凝土的自干燥收縮率εHt(10-6)為εHt=106×[((l01-lt1+l02-lt2)+2×15(Tt-T0)×10×10-6)/480+(Tt-T0)×10×10-6](2)式中:l01,l02分別為測試初始時刻試件兩端傳感器的讀數(shù)(mm);lt1,lt2為齡期t時試件兩端傳感器的讀數(shù)(mm);T0為測試初始時刻的溫度(℃);Tt為齡期t時的溫度(℃).每批成型3個試件.如果3個試件的測試值與平均值的偏差小于15%,則取3個試件的平均值作為測試結(jié)果;如果3個試件中有1個測試值與平均值偏差大于15%,而另外2個測試值偏差未超過15%,則取另外2個測試值的平均值作為測試結(jié)果,否則試驗視為失敗,需要重新進行.圖7是采用自行設(shè)計系統(tǒng)所測試的1組混凝土的早期自收縮數(shù)值,其中A和B為不同時間