高性能混凝土自收縮

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上世紀80年代以來，基于混凝土技術(shù)的進步，高強高性能混凝土越來越普通地應用于各種類型的建筑結(jié)構(gòu)?；炷敛牧蠌姸鹊奶岣?，可以有效的降低建筑物的自重，尤其適宜高層建筑和大跨度橋梁的建造。相對于普通混凝土，使用高性能混凝土還能夠減少資源的消耗，有利于可持續(xù)發(fā)展。但是，不管是在實際工程應用中，還是在試驗室都發(fā)現(xiàn)，高性能混凝土普遍具有發(fā)生早期裂紋的趨勢，混凝土結(jié)構(gòu)裂紋的產(chǎn)生大部分是由于混凝土收縮引起的，結(jié)構(gòu)荷載引起的裂縫很少。

1.混凝土收縮種類

在實際工程中，人們大都只關(guān)心混凝土最終的收縮，但混凝土的最終收縮實際上卻包括各種原因引起的收縮。對于普通混凝土，干縮是主要的；而對于高性能混凝土，自收縮問題也不容忽視。區(qū)別不同的收縮，有助于采取相應的措施減少收縮，以防止或減少混凝土的開裂。通常，混凝土的收縮主要有以下幾種：

1.1化學收縮

化學收縮又稱水化收縮。水泥水化后，固相體積增加，但水泥—水體系的絕對體積則減小。大部分硅酸鹽水泥漿體完全水化后，體積減縮總量為7%～9%。在硬化前，所增加的固相體積填充原來被水所占據(jù)的空間，使水泥石密實，而宏觀體積減縮；在硬化后，則宏觀體積不變而水泥—水體系減縮后形成內(nèi)部空隙。因此，這種化學減縮在硬化前不影響硬化的混凝土性質(zhì)，硬化后則隨水灰比的不同形成不同孔隙率而影響混凝土的性質(zhì)。化學收縮與水泥組成有關(guān)。對于硅酸鹽水泥的每種單礦物而言，C3A水化后的體積減少量可達23%左右，是化學收縮最嚴重的礦物，其次分別是C4AF、C3S和C2S。從水泥品種上來講，選用高C3A含量的水泥，對化學收縮是不利的；水泥用量上來講，水泥用量越大，混凝土的化學收縮和孔隙總量越大。高性能混凝土的水膠比低，水化程度受到制約，故高性能混凝土的化學收縮量會比普通混凝土小。

1.2塑性收縮

塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，由它引起的開裂是工程建設(shè)階段最常見的混凝土裂縫，一般發(fā)生在混凝土澆筑后2～10h。塑性階段混凝土由于表面失水而產(chǎn)生的收縮，多見于道路、地坪和樓板等大面積的混凝土工程，并以夏季施工最為普遍?；炷猎谛掳锠顟B(tài)下，拌合物中顆粒間充滿著水，如養(yǎng)護不足，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時，則會造成毛細管中產(chǎn)生負壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。高性能混凝土的水膠比低，自由水分少，礦物摻合料對水有更高的敏感性，表面水分蒸發(fā)快，所以高性能混凝土比普通混凝土更容易產(chǎn)生塑性收縮變形。對于減少塑性收縮的主要措施是合理地加強混凝土的早期養(yǎng)護。

1.3溫度收縮

溫度收縮又稱冷縮。溫度收縮主要是混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時產(chǎn)生的收縮。其大小與混凝土的熱膨脹系數(shù)、混凝土內(nèi)部最高溫度和降溫速率等因素有關(guān)。溫縮多在混凝土澆注后一周內(nèi)的齡期發(fā)生。在絕熱狀態(tài)下，每l00kg水泥水化可使混凝土升溫10℃～12℃。高性能混凝土的溫升一般可達35℃～40℃，加上初始溫度可使最高溫度達到70℃～80℃。一般混凝土的熱膨脹系數(shù)為1×10-6/℃，當溫度下降20℃～25℃時造成的收縮量為(2～2.5)×10-4。因此，冷縮常引起高性能混凝土開裂。降低溫升、提高混凝土抗拉強度、使用熱膨脹系數(shù)降低的集料等措施有利于減少冷縮和防止開裂。

1.4干燥收縮

干燥收縮是指混凝土停止養(yǎng)護后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮。影響干燥收縮主要因素有水灰比和混凝土孔隙率。高性能混凝土具有較低的水灰比，且孔隙率低，有良好的孔分布，不存在或有極少量的100nm以上的有害孔，所以它的干縮比普通混凝土小。

1.5自收縮

除攪拌水以外，如果在混凝土成型后不再提供任何附加水，則即使原來的水分不向環(huán)境散失，混凝土內(nèi)部的水也會因水化的消耗而減少。密封的混凝土內(nèi)部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥收縮。對于高性能混凝土，由于它的水膠比很低，早期強度較高地發(fā)展會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80%。而高性能混凝土結(jié)構(gòu)較密實，外界水很難滲入補充，在這種條件下開始產(chǎn)生自收縮。研究表明，2個月齡期，水膠比為0.4的高性能混凝土自收縮為1×10-4；水膠比為0.3的高性能混凝土的自收縮為2×10-4；水膠比為0.17的高性能混凝土的自收縮為8×10-4。高性能混凝土的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越低，摻合料越細，自收縮所占比例越大。根據(jù)宮澤伸吾等的試驗結(jié)果，水膠比為0.4時高性能混凝土自收縮占總收縮的40%；水膠比為0.3時自收縮占50%；水膠比為0.17(摻入硅灰10%)時自收縮占100%。高性能混凝土自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若混凝土變形受到約束，則進一步產(chǎn)生收縮裂縫。

1.6碳化收縮

大氣中的C02與水泥的水化物發(fā)生的碳化反應引起的收縮變形稱為碳化收縮變形。碳化作用在C02濃度高、干濕交替作用的環(huán)境中發(fā)展更為顯著。因此，影響碳化收縮的兩個主要因素是：

1)混凝土中Ca(OH)2的數(shù)量。充分降低Ca(OH)2的數(shù)量，無疑是對碳化收縮起到積極的作用；

2)混凝土的密實度。如果混凝土中水膠比低，孔隙率小，且呈均勻小孔徑分布，將有利于減小碳化收縮。

由以上分析和闡述可見，與普通混凝土相比，高性能混凝土的化學收縮和干燥收縮小些，塑性收縮大些，而溫度收縮和自收縮更大些，其中自收縮裂縫是影響高。

2.自收縮的機理

到目前為止，對于自收縮產(chǎn)生的真正機理學術(shù)界沒有統(tǒng)一全面的認識。然而，較普遍的解釋是自收縮與硬化水泥漿體內(nèi)的孔的相對濕度存在一定的關(guān)系，通常用毛細管作用力理論解釋自收縮的產(chǎn)生機理。

由于水泥水化反應，水化生成物的體積小于水與未水化水泥的體積，從而在硬化體中產(chǎn)生空隙。當水化初期水泥漿是流態(tài)時，水泥水化程度較低，它不能支撐由化學收縮產(chǎn)生的漿體內(nèi)部的孔隙，從而表現(xiàn)在外部體積的收縮。由于水泥漿體的結(jié)構(gòu)疏松，水泥粒子周圍充滿了水，外部及周圍的水分容易移動，因而，形成的空隙中充滿了水。隨著水化時間的不斷延長，孔隙中的水不斷消耗，而且結(jié)構(gòu)不斷致密，孔隙水的移動變得困難。當外部沒有水分供給時，由于水分不足，孔隙內(nèi)不能充滿水，孔隙內(nèi)的相對濕度也開始下降，從而在硬化體中發(fā)生自生干燥，這樣就在空氣與水之間形成了彎液面。由于毛細管張力的作用，水泥漿發(fā)生自收縮。

毛細孔負壓可以從拉普拉斯公式以及開爾文公式中推導出：

式中:σ—氣-液界面表面張力；θ—固-液接觸角；Pc—水壓力；Pv—水蒸汽壓力。

式中：V—單位物質(zhì)的量的水體積；M—水的分子量；R—理想氣體常數(shù)；T—絕對溫度；h—相對濕度。

對毛細孔半徑大于5nm時，從拉普拉斯公式以及開爾文公式可精確地估計毛細孔效應。這些宏觀定律，對相對濕度大于80%時是有效的。其中，混凝土相對濕度的測定可以根據(jù)美國ASTM標準，其方法是在混凝土中預埋一個塑料管，將相對濕度傳感器放置在塑料管中，管口用橡膠圈密封，即可測出混凝土內(nèi)相對濕度。

Hua等人使用壓汞儀來測定毛細孔的張力，但是該方法只能反映相互連通的孔隙體積，而實際上水泥石內(nèi)部的毛細孔還有大量的間斷孔隙，而且不能測出小于6nm的孔。Hua等人卻將已經(jīng)自干燥的孔隙全部視作相互連通的孔隙，并壓入與其相等量的汞量，所測得的值偏大。Jensen通過測定相對濕度來計算毛細管張力并使用毛細管張力理論計算出澆注幾天后的自收縮的變化，結(jié)果與實驗值相一致。

不過，對于水泥漿體內(nèi)部的孔尺寸的分布情況，仍然沒有辦法得知。因而，需要有更深入的理論分析與實驗研究來證明自收縮的產(chǎn)生機理。

3.自收縮研究現(xiàn)狀

3.1自收縮影響因素

高性能混凝土的自收縮在總收縮中所占比例較大，而且即使在100%的相對濕度下養(yǎng)護仍會發(fā)生?；炷磷允湛s的根源是水泥凝結(jié)硬化后的繼續(xù)水化，條件是混凝土內(nèi)部密實而水分遷移困難。因此，凡是加速密實混凝土中水泥水化的因素都能促進混凝土的自收縮。對其它收縮起抑制作用的集料和固體顆粒，對混凝土的自收縮也有抑制作用。根據(jù)現(xiàn)有文獻報道，高性能混凝土自收縮受到多種因素的影響，如水膠比、水泥類型及水泥細度、摻合料、養(yǎng)護方法、養(yǎng)護溫度、外加劑、骨料以及纖維等。

3.1.1水膠比

國內(nèi)謝麗等在常溫下分別對水灰比為0.50，0.45，0.40，0.35，0.30的混凝土進行自收縮應變實驗，發(fā)現(xiàn)自收縮應變隨著水灰比的減小而增大，而且早期自收縮應變增長率隨著水灰比的較小而增大。水灰比的改變將導致混凝土彈性模量和強度的變化，水灰比越低，彈性模量和強度越高。根據(jù)Aitcin等人的研究表明，水膠比高于0.42時，混凝土自收縮不會高，但是水膠比低于0.42時，自收縮會迅速變化，混凝土的自收縮隨水膠比的降低而增加，且自收縮所占比例越大，早期自收縮的增長率也越大。新加坡的M.H. Zhang和C.T.Tam研究了普通混凝土和摻加硅粉的混凝土的自收縮實驗。所研究的混凝土水灰比為0.26～0.35，硅粉的摻量為水泥重量的0%～10%。實驗結(jié)果顯示，自收縮是隨著水灰比的降低而增加，隨著硅粉的摻量增加而增加。

綜上所述，水膠比不同使混凝土有不同的密實度，影響混凝土內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)。水膠比越小，混凝土內(nèi)部毛細孔越小，所占比例也越高，因此產(chǎn)生的毛細孔作用力越大，故自收縮越大。同時，低水膠使混凝土內(nèi)部更加密實，影響內(nèi)部水分的遷移，進一步加重自收縮值。有研究表明，當水膠比達到0.17時，砂漿1d的自收縮達到2500×10-615d就達到4000×106，而且繼續(xù)發(fā)展。

因此，對于高性能混凝土水膠比越低，耐久性越好的習慣思維應該有些改變。水膠比應該控制在一個適中的范圍，保證高性能混凝土有足夠的強度以及合理的空隙結(jié)構(gòu)，而不應該片面追求盡量高的強度與盡量小的毛細孔半徑尺寸。

3.1.2水泥品種及細度

水泥繼續(xù)水化是自收縮的根本原因。凡是水化速率快的水泥，自收縮都會較大，如早強水泥、鋁酸鹽水泥等。硅酸鹽水泥的礦物組成中，水化速率快的C3A和C4AF對自收縮的影響最大。所以，使用低熱水泥或中熱水泥制備的混凝土的自收縮比普通硅酸鹽水泥混凝土低得多。

研究表明水泥細度越細，早期自收縮就越大.水泥細度為557m2/kg或更高時，水泥第1d的自收縮達到1000-1200×10-6。對于礦渣水泥，礦渣細度高于400m2/kg時，隨著礦渣摻量的增加到70%時，自收縮增加；而當?shù)V渣細度為300m2/kg時，自收縮并沒有增加。所以，為了減少自收縮值，水泥的細度不能太高。

3.1.3礦物摻合料

礦物摻合料對自收縮的影響主要與該摻合料在水泥中的反應性有關(guān)，細度、活性、結(jié)構(gòu)形態(tài)等都因影響其反應性而影響混凝土的自收縮。因此，不同的摻合料有不同的表現(xiàn)。

摻加粉煤灰會減小混凝土的自收縮。粉煤灰雖然是活性材料，但是在水泥漿體中的水化非常緩慢，因此在相同的水膠比條件下，用粉煤灰代替部分水泥，相當于增大了有效水灰比，從而粉煤灰可以有效降低混凝土內(nèi)部的早期自收縮。后期粉煤灰的繼續(xù)水化使水泥內(nèi)部自干燥程度提高，但由于此時混凝土已具有較高的彈性模量和很低的徐變系數(shù)，因此其后期自收縮同早期相比小得多。粉煤灰的這種作用相當于“能量滯后釋放效應”。根據(jù)吳學禮等人的研究:粉煤灰混凝土的自收縮值與時間的關(guān)系，大致呈對數(shù)函數(shù)曲線。隨水膠比降低，亦即強度提高，混凝土自收縮值增大。在水膠比為0.32～0.40區(qū)間內(nèi)呈線性關(guān)系。同水膠比條件下，摻加粉煤灰能有效降低混凝土的自收縮，摻量越高，降幅越大；早期(3d)降幅高于后期(90d)。

磨細礦渣對混凝土自收縮的影響與其細度有關(guān)，通常使用與水泥細度相當?shù)哪ゼ毜V渣時，混凝土自收縮可隨礦渣摻量的增加而稍有減少。細度小于400m2/kg時，對減小混凝土自收縮有利，隨礦渣摻量的增大，自收縮減小。但當細度大于400m2/kg時，礦渣活性明顯提高，引起自收縮增大，混凝土自收縮隨其摻量的增大而增大。張樹青等人的研究也表明了，與普通礦粉(422m2/kg)相比，同條件下的超細礦粉(730m2/kg)混凝土早期(3d)自收縮顯著增加，對早期抗裂性不利。但是，礦渣水泥對自收縮的影響有不同的試驗結(jié)果:田澤榮一認為，礦渣水泥配制的水泥漿(水膠比0.3)，其早期自收縮很小，但是后期增加很快；我國的關(guān)英俊則認為，用礦渣500號水泥配制的混凝土不僅不產(chǎn)生自收縮，反而會產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象。

硅灰由于其超細的顆粒和很高的活性，可使混凝土的自收縮增加，水膠比很低時更加明顯。有研究表明，水泥凈漿的自收縮在硅粉摻量為0～20%范圍內(nèi)，隨硅粉摻量的增加而增大。水膠比為0.23的水泥凈漿在硅粉摻量為10%時，28d的自收縮值約為空白凈漿的3倍。由于硅灰的表面積又很大，會導致硅灰與攪拌水很快的結(jié)合。加速了水泥石中的孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對濕度的降低，從而增大了自收縮。

3.1.4養(yǎng)護溫度的影響

由于環(huán)境溫度對水泥水化的影響，不同溫度下的高強、高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展各異，與之密切相關(guān)的自收縮特性也不同。

O.M.Jensen等認為提高養(yǎng)護溫度可明顯加速混凝土早期的自收縮變形，但是，高溫條件下混凝土的最終自收縮值并不比具有相同水灰比的混凝土在20℃時的自收縮值大。0.Bernard and E. Bruhwile等對分離混凝土溫度變形和自收縮變形的研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度變化從13℃～20℃，與溫度變化從13℃～35℃相比較，在24h收縮應變變化比為10:25，而在48h收縮應變變化為15:30，可以發(fā)現(xiàn)比例減少，從而可以得出高溫對自收縮應變早期的影響顯著。荷蘭的Pietro Lura等研究了全約束狀態(tài)下養(yǎng)護溫度和水泥型號對早期混凝土自收縮變形和自收縮應力的影響；研究期間表明更高的溫度并不會導致更大的變形，但是導致更快的應變發(fā)展和應力發(fā)展。

3.1.5集料

集料因其彈性模量大于水泥漿體的彈性模量，故在混凝土中起限制變形的作用。集料用量的增加對混凝土自收縮的控制作用隨齡期的發(fā)展而顯著，而且與集料品種有關(guān)。不同品種粗集料對收縮抵抗性從大到小排序為：石灰石大于安山巖大于砂巖。使用石灰石為粗集料的混凝土與使用砂巖的混凝土相比，收縮率可以降低20%～30%。

3.1.6外部約束的影響

M.Sule等的自收縮應力的研究表明在相同的鋼筋配筋率下不同鋼筋配置得到相同的應力發(fā)展規(guī)律。實驗水灰比為0.3，養(yǎng)護溫度為恒溫20℃，在早期，1.34%配筋率的構(gòu)件應變變化比3.27%的構(gòu)件應變變化大，在24～72h之間很難區(qū)分兩者的大小，鋼筋配筋率對約束收縮影響較小。

3.1.7其他因素

養(yǎng)護溫度和濕度、外加劑、試件尺寸等因素都影響混凝土和砂漿的自收縮。配合比相同時，密封養(yǎng)護的比暴露的自收縮小，水養(yǎng)護的比密封養(yǎng)護的自收縮小。摻入超塑化劑后，不同品種超塑化劑的效果稍有差別，但都可使混凝土自收縮減小，并隨摻量的增加而減小。摻入收縮抑制劑可有效地減小混凝土自收縮；摻入膨脹劑時，可由于早期的膨脹而補償自收縮，比摻入收縮抑制劑時自收縮更小，但膨脹結(jié)束后自收縮的速率和空白養(yǎng)護的一致。

3.2.自收縮的試驗評價方法

3.2.1自收縮測量應注意的問題

高性能混凝土的自收縮測定不僅需要精確的量測方法，而目需要從初凝即開始測定，另外還需要保證被測試體系(試件)與外界無水分交換，因此給測試工作帶來了很大的難度。目前，對于高性能混凝土自收縮的測量，世界各國都無統(tǒng)一標準可依，不同學者根據(jù)實際條件采用不同的方法。所選取的基準或是從初凝(或終凝)時開始測量，或是從成型1d齡期時開始測量，通常國內(nèi)絕大多數(shù)研究者都是從混凝土成型后1d時開始測量。而高性能混凝土大部分的自收縮發(fā)生在早期，這時混凝上抗裂性差，往往會因早期自收縮大而產(chǎn)生微裂紋。因此，對高性能混凝土早期自收縮的測量可能比隨后測到的收縮更為重要。主要采用試驗方法有:a.千分表法:兩端預埋測頭測量等；b.傳感器法:LVDT傳感器、電容式傳感器、非接觸感應式位移傳感器、線振儀、埋入式應變計等；c.光學測量法:激光測量儀、光學顯微測量儀；d.體積法:測量體積變化。這些測量方法各有各的特點和適用條件，但通常情況下千分表法與傳感器法采用得較多。這是由于千分表法測量自收縮具有操作簡單、投資少；而傳感器法測量精度高，人為誤差小，通常能連續(xù)自動記錄。

同時應注意混凝土的自收縮在體積變化中并不是單獨出現(xiàn)，因此在測量過程中排除其他引素對自收縮測量的干擾對提高測量的佳確性尤為重要。為此應注意以下幾點：

(1)混凝土自收縮是在恒溫和絕濕條件下測定的，測量時要確保恒定室溫，且成型試模應采用密閉式。測量早期自收縮時試模均不能拆除，以避免拆模對早期混凝土的損傷，由此還必擊考慮成型后試件的密閉性及試模對混凝土表面產(chǎn)生的約束力。聚四氟乙烯材料在固體材料中具有最小的摩擦系數(shù)，可用作試模的內(nèi)襯板，用柔性的聚氯乙烯塑料薄膜做成最里面的一層密封，又可以降低混凝土對襯板的吸附，從而有效降低試模對早期混凝土的約束力。

(2)必須消除溫度變形引起的干擾。這種因溫度升降而引起的脹縮取決于溫度變化量和混凝土的線膨脹系數(shù)，所以測試自收縮的同時，需同步測定混凝土試件在相同條件下內(nèi)部的溫度變化。要注意的是，在水泥水化加速期(即混凝土處于溫升階段)會引起體積膨脹，可以補償一部分自收縮。

(3)泌水對早期自收縮測試的影響。對于一些高性能混凝土而言，摻入超塑化劑獲得良好工作性能的同時可能也帶來了泌水的趨勢，這對早期自收縮的測定帶來影響。但有關(guān)泌水對自收縮的影響有待進一步研究。

高性能混凝土自收縮的測量方法現(xiàn)在基本上沒有一個標準的試驗方法，很多研究者都是基于以上試驗應注意的事項以及試驗基本原理而展開。參考國內(nèi)外文獻，對于混凝土自收縮的測量方法大體分為兩種：一種是測量試件的體積變化率，另一種就是測量試件的長度變化率。