高性能混凝土知识问答（六）

高性能混凝土知识问答（六）

 

混凝土的收缩

什么是混凝土的收缩？

混凝土的收缩是指混凝土在凝结、硬化及使用过程中由于干燥、化学反应和温度变化等导致内部水分丧失而引起的体积减小。根据产生原因，可将收缩分为塑性收缩、干燥收缩、自收缩、温度收缩及碳化收缩。

（1）塑性收缩。指混凝土在硬化前由于表面失水而产生的体积减小。混凝土在新拌状态时，拌和物的颗粒间充满水，如果养护不足，当表面的失水速率超过内部水向表面的迁移速率时，在内部孔隙中会产生毛细管负压，从而导致浆体产生塑性收缩。塑性收缩会导致集料受压、水泥浆体受拉，若收缩过大，由于凝结阶段混凝土抗拉强度较低，会有塑性收缩裂缝出现。塑性收缩与混凝土本身的材料组成有关，也与成形、振捣条件及温度、大气风速等外界环境条件有很大关系。

（2）干燥收缩。指混凝土停止养护后，在未饱和空气中失去毛细孔和凝胶孔吸附水而发生的不可逆收缩。干燥收缩是由于水分扩散到外部环境中所致。影响混凝土干燥收缩的因素主要有水灰比、水化程度、水泥的组成及用量、外加剂、集料品种及掺量、试件尺寸、环境条件等。干燥收缩是混凝土后期产生裂缝的主要原因，其裂缝一般是表面性的，宽度在0.05～0.2mm，走向纵横交错呈龟裂状，且没有规律性。

（3）自收缩。是指混凝土在无温度变化、与外界无湿度交换的条件下，由于水泥水化及矿物外加剂的二次水化消耗了体系内的水分，导致混凝土宏观体积上的减小。与普通混凝土相比，高强混凝土由于水灰比小，能提供的自由水分少，自收缩现象明显，会产生自生的原始微裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。施工现场混凝土浇筑后2~3d产生的贯通裂缝，往往是由自收缩引起的早期开裂。由于自收缩受水泥水化影响较大，混凝土中浆体组成材料的变化，如水泥品种和用量、外加剂的种类和掺量、水灰比等，对自收缩有较大的影响。

（4）温度收缩。是指混凝土由于温度下降而产生的体积减小，又称为冷缩。水泥的水化热、外界的热源及环境的温度变化是引起温度收缩的主要原因。在大体积混凝土的硬化过程中存在升温期的膨胀和降温期的收缩，如果混凝土处于约束状态下，温缩受到限制，就转变为温度收缩应力，可能导致温度收缩裂缝。

（5）碳化收缩。是指大气中的二氧化碳，在合适的相对湿度（约50%）条件下，与混凝土表面上的水泥水化产物发生化学反应，生成碳酸钙和游离水等物质，从而引起混凝土的体积减小。碳化收缩发生的速度取决于混凝土的质量、周围介质相对湿度和二氧化碳的浓度等。

混凝土的收缩往往并不是由单一因素引起的，而是几种收缩共同作用的结果。

2.混凝土收缩与开裂是什么关系？

收缩是引起混凝土开裂的最主要原因，但是有收缩并不意味着一定产生开裂，即收缩并不是产生裂缝的充分条件。混凝土结构在受限条件下，一定收缩量所诱发的拉应力与由于徐变应变所松弛的应力之间的相互关系，是混凝土结构变形与开裂的核心。除了收缩外，弹性模量、抗拉强度、徐变等其他因素也会影响到混凝土的开裂敏感性。

混凝土的自由收缩会产生收缩变形，但不会引起内应力。如果收缩是在受限的条件下进行，则此时会在混凝土的内部产生拉应力。假设此时的收缩变形为Σr，约束度为γ，则此时混凝土内部产生的内应力值为σt为：

σt=（Σf-Σr）Ec=γEcΣf

式中

Σf——混凝土的自由收缩应变；

Σr——混凝土的受限收缩应变；

Ec——混凝土的弹性模量；

γ—混凝土的约束度。

由于混凝土为非完全弹性体，因此其内应力可由于徐变而得以缓解，若徐变系数为Φ，则实际内应力为：

σt=γEc Σf /（1+Φ）=γE’cΣf

式中

Φ——徐变系数；

E’c——混凝土的有效弹性模量

由于徐变系数Φ是荷载作用下的徐变Σcr与加荷时的弹性形变Σe之比，因此，Φ=Σcr/Σe，此时若约束拉应力σt超过混凝土的抗拉强度f’t，混凝土就会开裂。

为了降低混凝土的开裂敏感性，就要求：①混凝土材料具有较低的弹性模量，以使得一定收缩量所引起的弹性拉应力较小；②混凝土材料具有较高的抗拉强度，使得拉应力超过材料的抗拉强度而使材料开裂的危险较小；③混凝土材料具有高的断裂韧性，以使得裂缝的扩展变得困难。

3.高性能混凝土的自收缩有什么特点？

混凝土的自收缩是指体系与外界没有水分交换的情况下，由混凝土内部自干燥作用所引起的宏观体积收缩，它从混凝土初凝后就开始产生。混凝土初凝后的水化收缩，使混凝土内部无水的孔隙增加，在无外界供应水的条件下，混凝土内部会产生自干燥现象，由此引起的体系宏观体积收缩就是自收缩。国内外对于高性能混凝土的自收缩问题都给予了充分的关注，并在自收缩产生原因、对高性能混凝土性能影响、自收缩测试方法、机理模型、减小自收缩技术途径等方面进行了深入的研究。通过理论分析与试验研究，提出了许多有效抑制高性能混凝土自收缩的具体方法。我国一些科研单位在高性能混凝土自收缩测试方法和机理方面的研究成果也达到了国际先进水平。

普通混凝土水灰比大，自收缩率只有50×10-6~100×10-6，与其干燥收缩相比几乎小一个数量级，再加上实测的干燥收缩中已包括了混凝土的自收缩，因此普通混凝土的自收缩问题一直没有得到重视。有研究表明，混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增大而减小，水胶比为0.29、胶凝材料用量为550kg/m3、粉煤灰掺量分别为0、10%、20%、30%的高性能混凝土28d的自收缩值分别为273×10-6、220×10-6、163×10-6、151×10-6，其1d的自收缩值分别为211×10-6、140×10-6、71×10-6、44×10-6，1d的自收缩值分别占到28d自收缩的77%、64%、44%和29%。根据宫泽伸君等的实验结果，水灰比为0.4时，自收缩占总收缩的40%；水灰比为0.3时，自收缩占到50%；水灰比为0.17时，自收缩占到100%。因此，在高强高性能混凝土中，自收缩比在普通混凝土中大得多，特别是早期自收缩占到很高的比例。

混凝土的自收缩已日益引起材料界与工程界的重视与关注，在矿物外加剂对高性能混凝土自收缩影响因素方面取得了大量的成果。矿物外加剂大量地掺入高性能混凝土中会使混凝土产生自收缩，即使混凝土的水灰比在0.4~0.5时，掺用硅灰也会引起混凝土的较大自收缩，在低水灰比的高性能混凝土中，硅灰引起的自收缩更为显著。矿渣细度小于400m2/kg时，对减小混凝土自收缩有利，随矿渣掺量的增大，自收缩减小。但当细度大于400m2/kg时，矿渣活性明显提高，引起自收缩增大，这时，混凝土自收缩随其掺量的增大而增大；但当掺量大于75%时，因为胶凝材料活性减低过多而使得混凝土自收缩减小。另外，混凝土中水泥浆体含量越大、水泥细度越大、试件尺寸越大，自收缩越大。

高性能混凝土结构致密，碳化收缩值很小，可在干缩测量时一并考虑；而其塑性收缩可采用早期保温和调整配合比等方法加以控制。因此，自收缩就成为影响HPC产生裂缝的最主要因素：早期产生较大的自收缩，弹性模量增长迅速，受约束的HPC构件容易产生较大的拉应力，导致裂缝出现。关于高性能混凝土自收缩产生机理和自收缩模型目前都停留在推测和预测阶段，尚没有深入的理论分析与经过大量的试验研究来证实。

4.如何减少高性能混凝土的自收缩？

研究自收缩的最终目的是明确自收缩对混凝土体积稳定性的影响程度，以减少其对混凝土的劣化作用。因此如何抑制高性能混凝土的自收缩，已成为众人所关心的课题。产生自收缩的必要条件是内部存在未水化的胶凝材料，充分条件是混凝土中外界水无法满足内部水化需要，充分认识混凝土自收缩产生的条件是避免自收缩危害的有效手段。只要选用合适的原材料与采用水养护等方法，高性能混凝土的自收缩产生的开裂等危害是可以避免和控制的。通常可以采取的抑制高性能混凝土自收缩的主要措施如下。

（1）选择矿物外加剂。文献和实践都表明掺入粉煤灰可以降低高性能混凝土的自收缩。

（2）使用减缩剂。减缩剂通常为表面活性剂，可降低水表面张力及凹液面的接触角，因而降低因自干燥产生的应力，减缩剂同样可以降低混凝土因干燥产生的收缩。

（3）充分水养护。充分水养护对减小高性能混凝土的自收缩非常有用，水养护不仅影响混凝土的自收缩，同样影响混凝土的力学性能与耐久性。充分的水养护对保证水分渗透是有益的。

（4）选择适宜的水泥品种。从材料角度出发，选用低C3A和C4AF、高C2S的水泥可以降低自收缩。

（5）使用轻集料。掺入浸水的轻集料，通过轻集料内部水分向水泥石体系的供应，可以有效降低高性能混凝土的自收缩，而不降低强度等其他性能。

从国外研究进展来看，高性能混凝土自收缩今后的发展方向是需要研究开发早期自收缩有效测量方法，通过试验明确低水胶比混凝土的长期强度和内部裂纹与自收缩的关系、水胶比不同、矿物外加剂品种和掺量不同的各强度等级的低水胶比高性能混凝土自收缩规律，为高性能混凝土的结构设计提供参数。通过理论分析明确自收缩机理，建立起高性能混凝土自收缩力学模型与预测模型。

5.高强混凝土为何容易出现早期收缩开裂现象？

由于各种收缩而引起的开裂问题一直是混凝土结构物裂缝控制的重点和难点（补充收缩开裂研究方法）。低水胶比与矿物外加剂的大量掺入使高性能混凝土的硬化结构与普通混凝土相比有着很大的差异，结构的差异在带来高性能混凝土诸多性能上的突破的同时，随之带来了它的一些本质上的缺点。高性能混凝土的早期收缩大、早期弹性模量增长快、抗拉强度并无显著提高、比徐变变小等因素共同导致了高性能混凝土（特别是高强混凝土）的早期抗裂性差。

6.怎样减少高强混凝土的早期收缩开裂？

高强混凝土存在早期收缩开裂趋势增加的问题，在工程上的表现就是混凝土浇筑后易出现早期收缩裂缝，是影响高性能混凝土推广使用的主要问题之一。针对收缩引起的开裂问题，可以从纤维增强、膨胀剂补偿收缩及减缩剂减小收缩等几个方面着手，探索提高高强混凝土抗收缩开裂能力的措施。

通过系列试验，对改善高强混凝土收缩性能措施的研究发现：①低掺量的钢纤维能有效地阻止混凝土中裂纹的扩展，明显降低混凝土的收缩开裂趋势；②UEA-H膨胀剂掺量为6%~8%时，能够起到很好补偿收缩效果；③减缩剂SRA的掺量为2.0%时，高强混凝土的3d和28d龄期的总收缩分别降低41%和27%，高强混凝土环的开裂时间延迟，各龄期最大裂纹宽度减小。

7.钢纤维减少高强混凝土早期收缩开裂的机理是什么？

掺加钢纤维的高强混凝土（试验配合比及抗压强度结果见表3-10）的收缩试验结果和圆环试验结果如图3-5和图3-6所示。从掺加钢纤维的混凝土的收缩试验结果看，钢纤维对混凝土的收缩影响不显著，它使高强混凝土的收缩略有降低；但是从圆环试验结果可以看出，钢纤维混凝土与基准混凝土在同一天开裂，各龄期最大裂纹宽度明显小于基准混凝土，钢纤维对高强混凝土的阻裂效果明显，能显著降低高强混凝土的收缩开裂。

 

表3-10 纤维混凝土的配合比及抗压强度

 

钢纤维的弹性模量在200GPa左右，明显高于周围的混凝土基体。如图3-7所示，熔抽型钢纤维与基体的粘接较好，这种较大的弹性模量和较好的粘接使钢纤维，即使掺量很低的情况下，也能有效地阻止混凝土中裂纹的扩展，降低混凝土的收缩开裂趋势。

 

图3-5 钢纤维对高强混凝土收缩性能的影响

 

图3-6 钢纤维对高强混凝土收缩开裂的影响

 

8.膨胀剂减少高强混凝土早期收缩开裂的机理是什么？

为了研究膨胀剂对高强混凝土收缩开裂的影响，选用北京中岩特种材料公司生产的UEA-H膨胀剂进行高强混凝土收缩开裂抑制试验。膨胀剂的化学成分见表3-11，碱含量为0.3%，相对密度2.9，推荐掺量6%~8%。

 

图3-7 砂浆中的钢纤维的形貌（×1000）

 

表3-11 UEA-H膨胀剂的化学成分

 

掺加膨胀剂砂浆的抗压强度和抗折强度见表3-12；自由收缩及限制收缩试验结果见表3-13、图3-8和图3-9。其中砂浆的配合比为，水：胶材：旧标准砂=0.3：1：2，掺加0.1%的高效减水剂，以便于砂浆的成型。

 

表3-12 掺加膨胀剂砂浆的强度 单位：Mpa

 

表3-13  膨胀砂浆的限制膨胀和自由膨胀性能

 

图3-8  膨胀剂砂浆的自由膨胀曲线

 

由图中可见，在推荐掺量（6%~8%）范围内，3d和7d龄期时，掺加膨胀剂的砂浆强度与基准混凝土相比略有降低，当掺量达到10%时，砂浆的强度降低较多；砂浆的自由膨胀率和限制膨胀率随着膨胀剂掺量的增加而增加。

膨胀指数是表示膨胀剂有效膨胀能的指标，是自由膨胀率与限制膨胀率之比，膨胀指数越小，表示有效膨胀能越大，补偿收缩作用越大。砂浆的膨胀指数结果表明，掺加8%膨胀剂的砂浆，7d的膨胀指数最小；同时，从砂浆的强度结果看，膨胀剂掺量8%的砂浆，28d强度下降很少。所以，选择8%为最高掺量配制补偿收缩高强混凝土比较合适。

 

图3-9  膨胀剂砂浆的限制膨胀曲线

 

选择硅灰高强混凝土为基准混凝土，膨胀剂等量取代6%和8%的水泥。混凝土的配合比及抗压强度试验结果见表3-14，限制膨胀试验结果如图3-10所示。

 

表3-13 膨胀砂浆的限制膨胀和自由膨胀性能

 

图3-8  膨胀剂砂浆的自由膨胀曲线

 

由图中可见，在推荐掺量（6%~8%）范围内，3d和7d龄期时，掺加膨胀剂的砂浆强度与基准混凝土相比略有降低，当掺量达到10%时，砂浆的强度降低较多；砂浆的自由膨胀率和限制膨胀率随着膨胀剂掺量的增加而增加。

膨胀指数是表示膨胀剂有效膨胀能的指标，是自由膨胀率与限制膨胀率之比，膨胀指数越小，表示有效膨胀能越大，补偿收缩作用越大。砂浆的膨胀指数结果表明，掺加8%膨胀剂的砂浆，7d的膨胀指数最小；同时，从砂浆的强度结果看，膨胀剂掺量8%的砂浆，28d强度下降很少。所以，选择8%为最高掺量配制补偿收缩高强混凝土比较合适。

 

图3-9  膨胀剂砂浆的限制膨胀曲线

 

选择硅灰高强混凝土为基准混凝土，膨胀剂等量取代6%和8%的水泥。混凝土的配合比及抗压强度试验结果见表3-14，限制膨胀试验结果如图3-10所示。

 

表3-14  掺加膨胀剂的高强混凝土的配合比及抗压强度

 

注：混凝土中砂704kg/m3，石1056kg/m3。

从抗压强度结果看，在3d龄期时，掺加膨胀剂的混凝土抗压强度明显降低，而28d强度则明显增高。在抗压强度试验中，混凝土没有约束，膨胀剂使混凝土的早期结构疏松，强度降低，但后期随着高强混凝土强度的发展，膨胀剂继续发挥作用，使混凝土内部结构密实，对混凝土的28d强度没有降低作用。

从混凝土的限制膨胀结果看，两种掺量的混凝土膨胀曲线无明显差别，14d的限制膨胀率都大于150×10-6，满足GB 50119《混凝土外加剂应用技术规范》对补偿收缩混凝土的要求。因此，对于硅灰高强混凝土而言，6%~8%的膨胀剂掺量即可满足补偿收缩的要求。

 

图3-10  掺加膨胀剂的高强混凝土限制膨胀性能

 

掺加膨胀剂的自由收缩试验结果（图3-11）表明，膨胀剂的加入对混凝土早期自由收缩基本没有影响，而在后期（21d、28d龄期）时收缩比基准混凝土略有减小；同步的圆环试验结果（图3-12）表明，掺加膨胀剂的混凝土在钢环的完全约束条件下，使混凝土环的初裂时间从2d延迟到3d；同时，最大裂纹宽度的发展也明显低于基准混凝土，所以，膨胀剂能有效地补偿高强混凝土的收缩，降低高强混凝土的收缩开裂趋势。

 

图3-11  膨胀剂对高强混凝土自由收缩性能的影响

 

图3-12  膨胀剂对高强混凝土收缩开裂的影响

 

如图3-13所示为掺加膨胀剂的混凝土3d龄期的内部形貌，在界面区，除了存在大量的C-S-H凝胶外，还存在未长大的AFt晶体，它们相互交叉生长，使混凝土的微结构更加密实。孔结构的测试结果也反映了这一点。3d龄期，掺加膨胀剂的高强混凝土的孔隙率略有降低，小孔含量偏高，3.2~100nm范围的孔含量略有增加（图3-14），但这并没有明显影响混凝土的早期收缩性能，而是使混凝土的后期收缩有降低的趋势。

 

形图3-13 掺加膨胀剂的混凝土3d龄期内部貌

 

图3-14 3d龄期P-0、P-2孔结构统计数据

 

综合上述结果，UEA-H膨胀剂以8%的掺量配制补偿收缩高强混凝土，圆环试验结果表明，混凝土环初裂时间延迟，最大裂纹宽度小于基准混凝土，说明膨胀剂明显降低了高强混凝土的收缩开裂趋势。膨胀剂掺量在6%~8%时，UEA-H膨胀剂砂浆和高强混凝土的限制膨胀率都达到标准的要求，表明该膨胀剂对高强混凝土补偿收缩效果明显。对混凝土微结构的SEM孔结构分析表明，膨胀剂掺入高强混凝土中后，混凝土中大孔减少，小孔增多，孔隙率略有降低，高强混凝土微结构更加密实。

9.减缩剂减少高强混凝土早期收缩开裂的机理是什么？

与膨胀剂的补偿收缩不同，减缩剂是通过减小混凝土的收缩来降低混凝土的收缩开裂。选择高碑店外加剂厂生产的SRA减缩剂，研究它对混凝土自由收缩的降低效果和对高强混凝土收缩开裂的改善效果。25℃时，SRA减缩剂的表面张力值为39.0 mN/m，同条件下自来水的表面张力值为68.4 mN/m。

高强混凝土配合比及抗压强度试验结果见表3-15，与圆环同步的混凝土的收缩试验结果如图3-15所示，圆环试验结果如图3-16所示。

 

表3-15 掺加减缩剂的高强混凝土的配合比

 

图3-15 减缩剂对高强混凝土收缩性能的影响

 

所用的减缩剂在加入高强混凝土后可大幅度地降低混凝土的自由干燥收缩率，其早期（3d）和后期（28d）的减缩率分别为41%和27%。从圆环试验结果可以看出，减缩剂延迟了混凝土环的开裂时间，最大裂纹宽度随龄期的发展明显降低。

因此，减缩剂能明显改善混凝土的收缩开裂。

 

图3-16  减缩剂对混凝土收缩开裂的影响