自收缩、自干燥收缩及化学减缩的区别与联系

自收缩、自干燥收缩及化学减缩的区别与联系

20世纪80年代，随着高性能水泥基材料的蓬勃发展，低水胶混凝土的自干燥现象开始受到关注。自收缩引起的裂缝不仅限于混凝土表面，还包括整个混凝土。高性能混凝土自收缩的研究越来越受国内外学者的关注。关于自收缩的研究已经发表了100多年，但由于自收缩定义不统一，自收缩法仍存在许多困惑和争议，严重阻碍了自收缩研究的进展。在2000年rilm举行的“shrelemshreme”国际会议上，重要的问题是如何正确测试收缩值。之后，许多新的测试方法层出不穷，并取得了一些进展，但它们并不令人满意。对于早期的自收缩测量结果在不同的文献资料里面存在着较大的争议,归根到底是由于测试方法的不同而引起的.Barcelo等已经证明要想对基于不同测试手段得出的试验结果进行解释很困难,因此测试方法的不足严重地阻碍了自收缩研究的进展.如何提早测量初始时间、降低模具约束、提高测试精度和密封有效性以及消除温度变形的干扰,一直是研究人员致力改进的问题.本文在对国内外现有的自收缩的定义及测试方法进行比较研究的基础上,提出了自己的关于混凝土自收缩的观点和一种新的混凝土早期变形测试方法.1自我收缩定义1.1密封水泥浆体的自收缩自干燥收缩迄今为止,国内外学者采用的自收缩定义仍未完全统一.自收缩一词最初出现在20世纪初,当时LeChatelier对硬化水泥浆的绝对体积变化(absolutevolumechange)和表观体积变化(apparentvolumechange)进行了区分,并且提出了自干燥的概念.Lynam也许是最早对自收缩作出明确定义的研究人员,他认为自收缩应为不因热或水分蒸发而引起的收缩.日本混凝土协会(JapaneseConcreteInstitute,JCI)定义的自收缩是指在初凝以后水泥水化时产生的表观体积减小,它不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积变化.自收缩可以表达为体积减少的百分数即“自收缩率”,或一维长度的变化即“自收缩应变”.与之相对应的是自膨胀,统称为自身变形.该定义明确“自身”的概念,并且明确了测试开始的时间.而在RILEMTC181-EAS报告里,对自收缩的定义则涵盖了更为广泛的内容,且进一步明确了自收缩(autogenousshrinkage)与自干燥收缩(self-desiccationshrinkage)的区别:(1)自收缩是指水泥基材料在密封养护、等温的条件下表观体积或长度的减少,化学减缩(chemicalshrinkage)是引起自收缩的原因,在塑性阶段时二者近似相等.当水泥浆体结构形成以后(粗略地划分为初凝时),自收缩要小于化学减缩.(2)自干燥收缩是指在密封的条件下,当水泥浆体结构形成以后,由于水泥进一步水化而使其内部相对湿度下降所引起的收缩.自干燥收缩是自收缩的一部分,也是最重要的一部分.由于水泥浆体的结构形成时间目前尚很难给出明确的判断,因此测试时间也是从初凝时开始,且在测试时通过特殊的保温措施来达到绝热的条件.(3)与自干燥收缩相对应的是水泥浆体结构形成以前由于化学减缩而导致的表观体积的减小,称为凝缩(settingshrinkage).凝缩也是自收缩的一部分.(4)密封条件下由于自收缩、自膨胀以及温度变形所引起的表观体积的变化统称为自身变形.在我国学者所公开发表的文献资料里,大多是将自收缩等同于自干燥收缩,认为由于密封水泥浆体内部相对湿度随水泥水化而减小所引起的自干燥造成了毛细孔中的水分不饱和,从而产生了自收缩现象.1.2混凝土表观体积shrenkage的定义综合考虑已有的文献资料,并结合工程实际情况,笔者关于自收缩的定义如下:(1)自收缩(autogenousshrinkage)是指浇筑成型以后的混凝土在密封条件下表观(apparent)体积(或长度)的减小,它不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积(长度)的变化.(2)化学减缩(chemicalshrinkage)指由于水化而引起的混凝土绝对(absolute)体积(或长度)的减小.(3)凝缩(settlementshrinkage)指在密封条件下混凝土从浇筑成型以后直到凝结开始时(塑性阶段),由于化学反应、沉降等因素所引起的表观体积(或长度)的减小.(4)自干燥收缩(self-desiccationshrinkage)指混凝土结构形成以后,由于化学减缩消耗了内部水分,使混凝土内部相对湿度下降,混凝土表观体积(或长度)发生减小的现象.同样它也不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积(或长度)的变化.本文所采用的定义具有下述特点:(1)与目前我国学者所公开发表的的文献比较,本文的定义将自收缩与自干燥收缩区别开来,即自干燥收缩是指在混凝土结构形成以后的自收缩.(2)与JCI的自收缩定义比较,本文的自收缩包括了初凝以前的变形.(3)与RILEMTC181-EAS的自收缩定义比较,本文的定义不包括因自身温度变化而引起的变形,即不是指在绝热条件下的收缩.这样定义的目的是为了避免温度变化对水化过程的影响.(4)化学减缩是指绝对体积的减小,而自收缩是指表观体积的减小.所谓的“表观”与“绝对”是针对水泥基材料硬化后的多孔结构特点而言.在混凝土结构形成以前,化学减缩与自收缩基本等同,在混凝土结构形成以后则化学减缩部分以形成内部空孔的形式来体现,其在绝对数值上要远大于所测试出来的自收缩(表观体积)值.(5)所定义的凝缩与引起早期塑性开裂的塑性收缩不同.前者是在密封条件下测试的,起源于早期水化反应及沉降;而后者是在干燥条件下测试的,除了起源于水化反应及沉降外,还起源于早期水分的蒸发.2混凝土自收缩测试2.1模型试验的方法由于水化作用的效应,水泥基复合材料自加水开始即存在着收缩,因此理想的测试方式应当是自加水拌合成型之后便立即进行.就这一点而言,体积法测试方式具有明显的优势,即采用密封橡胶袋可以测试出自加水搅拌成型开始后的自收缩.这种方法的缺点在于搅拌过程中吸入的空气和成型后的泌水可能存在于橡胶袋与水泥浆之间,并且由于水泥水化作用的继续进行有可能重新吸入水泥浆内部,因此测试结果并不仅仅是表观体积的减小,还包含了部分由于化学减缩而形成的空隙.由于化学减缩要远远高于表观体积的减小,因此给测量造成了很大的误差.此外,橡胶袋的渗透性也可能引起测量误差.线性式的测量方式由于测试点相对固定,因此受泌水的影响相对较小.但也有文献资料报道泌水后的回吸可能会减小自收缩,甚至导致早期水泥浆(混凝土)膨胀.另外,线性测量只能从混凝土结构形成开始,也就是其只能测试自干燥收缩值.但是对一个由塑性阶段向弹塑性阶段转变的系统要想作出客观的划分并不容易,通常只能粗略地以传统的凝结时间(初凝)为测量基准时间.更加科学的方法是在初凝之前即测试变形,同时测量相应约束试件的内部应力,并以约束试件产生内部应力的时间点作为零点来进行校正.这种方法至少可以保证测出1个可以承受外部应力的固体体系的变形.此外,早期的水泥浆结构非常脆弱,难以克服试模表面的摩擦而易受约束的影响.由于集料可能会损坏橡胶袋,因此体积法的测量方式显然不适用于混凝土.通常是采用线性测长的方式进行测量,试件多用棱柱体或是圆柱体.Bjontegaard(1999),Morioka(1999),Lokborst(1998),Holt&Leivo(1999),Jensen&Hansen(1997)等均在测试方法上进行了改进(见图1).总结起来,主要有以下几点:(1)传感器.除了千分表外,通常采用的传感器有埋入式电阻应变计、电位器式传感器LVDT、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式位移传感器、激光位移传感器等.位移传感器(如电涡流式位移传感器)内部都包括可动部分和固定部分.可动部分(如电位器的滑臂、电感式传感器的活动衔铁、电容式传感器的动极板、电涡流式位移传感器的金属板、霍尔传感器的霍尔片等)随被测运动物体运动,而固定部分则与运动参照点保持相对静止.这样,位移传感器内可动部分相对于固定部分的位移也就是被测物体相对于运动参照点的位移.埋入式电阻应变计必须等到混凝土与应变计之间具有一定的粘结强度时,才能保证仪器与混凝土之间的协同变形,因此通常也必须等到混凝土硬化以后才可测试.此外,由于传感器无法反复使用,因此测试成本昂贵.接触式传感器(如LVDT)测试精度高,稳定性好,但是因为是接触式测量,因此也必须待混凝土结构具有一定的强度之后才能进行.近年来非接触式的传感器,如激光位移传感器和电涡流式位移传感器因为测试点与试件无需接触,使测试时间的提前成为可能,因此在一些测试方法中得到应用.(2)模具.模具分为可拆卸式和密封式.通常在混凝土硬化以前使用的成型模具均不拆除,因此对所用模具必须考虑其密封性与内表面的约束力.聚四氟乙烯材料在固体材料中具有最小的摩擦系数,因此被用来作为内衬板.柔性的聚氯乙烯塑料薄膜提供最里面的一层密封,同时可以降低混凝土对衬板的吸附,从而降低约束力.Jensen&Hansen设计了1种与CT1DigitalDilatometer类似的混凝土自收缩测量装置,该装置采用Φ100mm×375mm的柔性塑料波纹管作为模具.但是由于采用竖向测量,因此该方法不能排除材料自重的影响.(3)温度的干扰.减小温度干扰的一种方法是在测试混凝土变形的同时也测试温度,然后假定1个混凝土的温度线膨胀系数.由于硬化混凝土的温度线膨胀系数只在1个较小的范围内波动,而塑性阶段的混凝土温度线膨胀系数无法测得,因此这样做也可能给测试结果带来误差.另一种方法是对模具进行夹层保温处理(如Koenders在1997年设计的AutogenousDeformationTestingMachine(ADTM),其模具的夹层有温度可以调节的水流通道),以此来提供一种近乎绝热的环境.但是该法有可能因水化引起的温升而促进水化的进程,同时也会引起试件发生膨胀.2.2作者采用自收缩变形法及结果研究2.2.1试验结果和模具参数综合考虑早期混凝土的变形特点及文献中已有自收缩测试设备的优缺点,笔者自行设计了混凝土早期自收缩的测试系统,见图2所示.与文献所述的自收缩测试设备比较,笔者所设计的系统具有以下特点:(1)将凝缩和自干燥收缩测试区分开来由于混凝土结构仍未形成,其塑性阶段的收缩只能以体积减小的形式体现,而当模具的横向尺寸一定时,也就只能以竖向长度的减小来体现,因此塑性阶段的自收缩只能以竖向测长的方式进行.然而塑性阶段的自收缩测试过程中还包含了由于重力作用而引起的沉降收缩,因此真实测量的塑性阶段的自收缩应当是凝缩.一旦混凝土结构形成,自干燥收缩便开始.混凝土结构形成以后,试件在纵向和横向上均存在收缩,同时结构的形成带来了收缩和约束之间的矛盾.模具的约束、重力的影响对于早期自干燥收缩的测试而言都是必须考虑的问题.本文就侧模及重力对自干燥收缩的影响进行了专门的研究,试验结果如图3所示.图中“竖向自由”是指在混凝土初凝以后拆除侧模,只保留底模而测出的竖向(与重力一致的方向)长度变形;“竖向约束”是指在混凝土初凝以后保留侧模与底模而测出的竖向长度变形;而“横向收缩”表示在混凝土初凝以后拆除侧模,只保留底模而测出的横向(与重力垂直的方向)长度变形.由图3可见,在去除侧向约束的条件下,竖向收缩大约是横向收缩的3倍,因此重力的影响不容忽视;在垂直方向有侧向约束条件下的收缩大约只有无侧向约束时的一半,因此早龄期的模具约束对于收缩测试结果也有很大的影响.(2)模具对于凝缩试件采用内衬3mm聚四氟乙烯板材且底座可拆卸的中空圆柱形钢管模具.该模具内径Φ为98mm,净高度500mm.混凝土模具内预放双层聚氯乙烯塑料薄膜,底座与钢管之间涂上密封黄油.混凝土拌合好后即可装模.加水拌合后0.5h开始测试初始值.对于1d以前的自干燥收缩试件,将传统的100mm×100mm×515mm的收缩试模加以改造:底模衬以2mm聚四氟乙烯板材,两端和侧模在混凝土初凝以后可以拆除.初凝后0.5h开始测试初始值.综合起来,本文所采用模具的主要特点为:(a)采用这样的模具进行凝缩测试时不用拆模,可以避免拆模对早期混凝土的损伤.模具本身具有足够的刚度,在恒温恒湿的条件下,不会因混凝土的自重而产生额外的变形.(b)采用具有自润滑特性的聚四氟乙烯板材内衬板与双层聚氯乙烯塑料薄膜可有效减轻模具表面对早期混凝土的约束.(c)试件的顶端与底部采用聚氯乙烯塑料薄膜与自粘性铝箔复合密封的方式,易于操作且能够有效防止早期水分的蒸发.(3)非接触式测试传感器使用了美国DALLAS公司生产的集成一线式温度传感器,其测量分辨率为0.0625℃.测试时试件内部均预先埋置温度传感器.采用德国米依公司的multiNCDT300精密型传感器,其主要技术参数为:测量范围1mm,线性度0.2%,分辨率0.01%;传感器温度范围:-50～150℃,温度稳定性0.02%/℃(10～90℃).该传感器具有以下优点:(a)对油污、尘埃、湿度、干扰磁场不敏感,特别适用于恶劣的工业环境;(b)带有温度补偿的方式,具有足够的精度和很好的稳定性;(c)非接触的测长方式避免了对早期混凝土的损伤以及传感器测头与早期混凝土试件之间的相对位移.传感器的固定端需要与混凝土连成一体,且与混凝土同步变化.本文根据早期混凝土的收缩特点,分别对用于凝缩试件和自干燥收缩试件测试的传感器的固定端进行处理,如图4(a),(b)所示.测凝缩试件传感器的固定端采用了带泡沫塑料的铁片,这有效避免了在塑性阶段铁片的沉降,消除了固定端与被测物件之间相对位移所带来的测试误差,使得混凝土的测试可以从浇筑成型后即便开始.(4)实现了计算机自动控制和多路传感器频率信号的实时采集在系统计算机方面编制了专门的通信测量软件,其作用是根据测量的要求,给前端单片计算机发送测量指令,并将测量结果取回来进行分析和计算.分析和计算工作主要是在EXCEL电子表格中完成的.采用VBA编制了实现特定任务的“宏”,可以在任何需要的时候分析所测得的数据.另外还编制了任务程序,它能在规定的时间内执行所要求的工作,从而实现了全天无人值守式的多点测量.(5)避免泌水的影响高性能混凝土的一个重要特征即是高工作性,然而掺合料以及超塑化剂的掺入在增大材料流动性的同时,也增加了泌水的趋势.泌出的水分不管是对水泥浆还是对混凝土早期的自收缩均有影响,甚至会引起早期膨胀.本文在查阅现有文献资料的基础之上,采用了一种新型的阴离子多聚糖高分子增稠剂(VA),它可以在基本不影响材料流变性的前提下消除水泥基材料的表面泌水(见图5(a)).另外,在一定掺量范围内,VA对于后期混凝土自收缩(成型1d以后开始测试)基本没有影响,如图5(b)所示.2.2.2混凝土自收缩特性测试对于长龄期的自收缩测试,保障测试仪器的稳定、试件的密封以及环境温湿度的有效控制是关键.硬化混凝土长龄期的收缩随时间发展速度相对早期要慢,且稳定时间长,而目前已有的电子传感器技术很难解决长时间的飘逸问题.机械式的千分表就这一点而言具有明显的优势,因此设计了专用的立式千分表来测量1d以后的混凝土自收缩.采用100mm×100mm×515mm的收缩试模,内衬双层PVC塑料薄膜.试件一端埋有不锈钢钉头,成型后将其表层盖住,1d后拆模.拆模后将试件表面涂上石蜡,再放入110mm×110mm×550mm的方形铁皮桶内,并以液体石蜡填充密封空余部分(见图6所示).测试环境温度为(20±2)℃,相对湿度(60±5)%.2.2.3混凝土自收缩的测试假定混凝土的温度线膨胀系数为10×10-6℃-1,则在龄期t(加水拌合0.5h开始计时)时混凝土的凝缩率εvt(10-6)为εvt=106×[(l0-lt)/498+(Tt-T0)×10×10-6](1)式中:l0,lt分别为测试初始时刻及龄期t时试件的长度(mm);T0,Tt分别为测试初始时刻及龄期t时试件的温度(℃).在龄期t(初凝0.5h开始计时)时混凝土的自干燥收缩率εHt(10-6)为εHt=106×[((l01-lt1+l02-lt2)+2×15(Tt-T0)×10×10-6)/480+(Tt-T0)×10×10-6](2)式中:l01,l02分别为测试初始时刻试件两端传感器的读数(mm);lt1,lt2为龄期t时试件两端传感器的读数(mm);T0为测试初始时刻的温度(℃);Tt为龄期t时的温度(℃).每批成型3个试件.如果3个试件的测试值与平均值的偏差小于15%,则取3个试件的平均值作为测试结果;如果3个试件中有1个测试值与平均值偏差大于15%,而另外2个测试值偏差未超过15%,则取另外2个测试值的平均值作为测试结果,否则试验视为失败,需要重新进行.图7是采用自行设计系统所测试的1组混凝土的早期自收缩数值,其中A和B为不同时间