混凝土变形测量方法及分析

王金盛 汪 新 龙跃凌

（广东工业大学 土木与交通工程学院）

0 引言

现代建筑多为混凝土结构，混凝土浇筑成型后，由于其水化硬化过程会不断消耗水分，出现体积收缩的现象，加上环境的变化也会对材料产生影响，这会使混凝土产生裂缝，严重的甚至会出现贯穿型的通缝，严重影响结构的性能，这是造成工程事故的主要原因[1]。因此，关于混凝土的变形这一问题一直受到人们关注，这使得混凝土变形的测量方法也逐渐得到关注。目前，针对混凝土变形测量的方法丰富多样，但是测量方法和设备不尽相同，其测量原理及测量精度均有较明显差异。已有研究证明[2-3]，多数试验测量方法单一、重复试件少、精度低，对实际工程的指导意义有限。本文根据规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）[4], 针对接触法和非接触法在混凝土自由变形和约束变形测量中的具体应用进行综述，供工程实际参考。

1 混凝土变形测量方法

1.1 测量原理

混凝土会随着水泥水化、水泥石的碳化和水蒸发等原因而产生变形，其中有自由变形和约束变形。自由变形是指混凝土在变形过程中没有受到约束而产生的变形，约束变形是指混凝土在变形过程中受到钢筋、钢管、FRP 等材料的约束而产生的变形。多数学者基于此原理设计了混凝土变形的测量装置。

1.2 混凝土自由变形测量

我国标准中建议采用非接触式混凝土收缩变形测定仪来测定混凝土自由变形，这种方法虽然精度较好，但需要专用的模具和测量设备，因此该方法受到了一定的限制。巴恒静等人[5]针对测量混凝土的早期收缩提出了一种非接触式感应式早期收缩测量仪，如图1 所示，试验装置主要由密封模具、微位移传感器、温度测定仪及滑动轨道组成，模具底部有一层减摩的特富纶。其测量原理是通过传感器输出的电压值来反映传感器端头与钢测头之间的距离，从而得到出混凝土的变形值。

图1 非接触感应式混凝土早期收缩测量仪

韩帅和袁强松[6-7]通过百分表接触式测量方法测量了蜡封后的棱柱体试块的变形，如图2 所示，该装置主要由表架和百分表组成，底部是20mm 的平整钢板。

图2 百分表接触式测量仪

Zhang 等人[8-9]为了测量混凝土的膨胀，提出了一种测量早期混凝土变形的非接触式装置。见图3。该装置由一个聚甲基丙烯酸甲酯（PMPA）模具、不锈钢计量螺柱和线性位移计（LVDT）组成，其中LVDT 用于测量螺柱的位移。模具内装有四个2mm 厚的可拆卸PMMA 板，底面铺了一层厚度为1mm 的聚四氟乙烯薄膜，用于减少混凝土与模具之间的摩擦。待混凝土凝固后（大约浇筑后2 小时），移除PMMA 板，使用塑料膜包裹混凝土棱柱，然后将混凝土棱柱放入恒温湿室中。期间，LVDT 与采集仪连接，可根据需要设置采集频率。

图3 LVDT 接触式混凝土收缩测量仪

1.3 混凝土约束变形的测量

由于膨胀剂、轻骨料等新材料在钢管混凝土、FRP约束混凝土的广泛使用，许多学者对约束混凝土构件的变形测量进行了研究。

对于钢管/FRP 管约束混凝土，文献[6-7,10-14]中均是在管的外表面1/2～1/4 高度处以环向均匀布置若干个应变片，如图4 所示。当核心混凝土膨胀时，外管受到混凝土的轴向和径向应力而产生相应的轴向和环向拉伸应力，同时混凝土处于三向压缩应力的作用下，外管和混凝土的受力图如图5 所示。测量得到的外管轴向应变和环向应变，可根据公式⑴和⑵计算得到外管的轴向应力和环向应力，然后再根据公式⑶和⑷计算得到混凝土的径向应力和轴向应力。

图4 钢管应变片布置图

图5 钢管及混凝土受力图

式中：

σz、σθ——外管的轴向应力和环向应力；

εθ、εz——外管的环向应变和轴向应变；

Es——外管的弹性模量（MPa）；

μ——外管的泊松比；

σch、σcz——核心混凝土的径向应力和轴向应力；

t——钢管壁厚（mm）；

D——钢管外直径（mm）。

李长成等[15]采用具有自动对中功能的钢丝式限制膨胀混凝土测定仪，如图6 所示。该装置主要由混凝土模具、纵向限制器、千分表和测量钢丝组成。该装置主要通过万向钩子将测量钢丝与电子千分表连接，从而实现自动对中，当混凝土变形时，测量钢丝会带动电子千分表，从而得到混凝土的变形值。

图6 自对中钢丝式限制膨胀率测定仪

2 测量方法分析

上述测量方法各有其特点和优缺点。

优点：①非接触感应式混凝土早期收缩测量仪可实现早期混凝土变形的测量，并且可在滑道上增加台座从而增加测量试件，减少人为测量的影响，而且只需要一台测量设备，精度可达0.1μm；②百分表接触式测量方法的装置简单，成本较低；③LVDT 接触式混凝土收缩测量仪方法可减少人为的影响并且可以实现自动测量，大大提高了测量精度；④使用应变片测量钢管/FRP 管约束混凝土变形的方法优点在于布点灵活，精度较高，且可连续测量；⑤自对中钢丝式限制膨胀率测定仪相对于传统的限制测定仪来说，支架上的测量钢丝可自动完成与电子千分表对中，消除了立式架法中试件对模具的冲击以及人为对中产生的误差，增加了测量的精度。

缺点：①非接触感应式混凝土早期收缩测量仪无法进行自动检测，需要推动台座才能测量，当试件多时占地大，较不方便；②百分表接触式测量方法未使用测量铜钉，混凝土下表面的平整度对试验结果也有一定的影响，而且试件还需克服重力作用，所以测量精度稍差，仅为0.01mm；③使用应变片测量钢管/FRP 管约束混凝土变形的方法受试件尺寸和环境温度的影响较大，随着试件尺寸增大，混凝土初期的水化热和后期环境温度对结果的影响会越发明显；④自对中钢丝式限制膨胀率测定仪的试验设备比较复杂，需要人工读数。除此之外，测量设备的测头和被测面的位置、测量开始的时间和环境等因素都会对试验结果造成不利的影响。

3 结论

现阶段对混凝土的变形测量，测量设备的精度已越来越高，逐渐使用全自动采集数据，以减少人为测量的误差。这样的测量方法显著提高了混凝土早期变形测量的精确性和效率，降低了劳动强度和试验成本。但是，测量过程中还是存在一些误差，除了应该采用高精度设备以外，还应该选择合适的测试环境条件，如温度、湿度和测量时间等，进一步优化混凝土变形测量的方法。

本研究认为，混凝土变形测量将有以下两个主要发展方向：

⑴采用更高精度的设备装置测量混凝土的变形，实现早期和脱模后两阶段的精确测量。

⑵降低试件模具、温度等对早期混凝土变形的影响，提高测量的准确度。