混凝土收缩机理及其应用

2023-11-21 理论教育版权反馈

【摘要】：混凝土的自收缩主要发生在凝结硬化以后。

混凝土的收缩是指混凝土在凝结硬化和使用过程中由于混凝土内部水分变化、化学反应和温度变化等引起的体积减小。混凝土的收缩主要分为五大类：塑性收缩、温度收缩、碳化收缩、自生收缩和干燥收缩。

4.2.1.1　塑性收缩

塑性收缩是指混凝土在塑性阶段出现的体积收缩，也称为凝缩或沉缩。塑性收缩大多发生在混凝土拌和后的3～12h内，即硬化前的塑性阶段，在终凝前比较明显。根据收缩原因和时间的不同，可将塑性收缩划分为以下四个阶段。

（1）塑性沉降阶段。新拌混凝土的固体颗粒之间完全被水充满。浇筑后固体颗粒下沉、水分上升，在混凝土表面形成泌水薄层。在这一阶段，混凝土表面不会发生收缩，因此体积变化一般很小。

（2）塑性收缩－泌水收缩阶段。混凝土表面水在热、风的作用下逐渐蒸发。当水分蒸发速度大于泌水速度时，混凝土出现体积收缩。这一收缩贯穿于凝结硬化的整个过程，通常认为是由于水分蒸发使毛细管压力增大所致。该阶段为主要塑性收缩阶段，收缩值可达数千微应变。

（3）自收缩阶段。随着水泥水化反应的进行，水化产物形成并包裹和填充固体粒子之间原来为水所充满的空间。水化反应使无水的水泥矿物变成水化产物，同时伴随着水化热的释放和绝对体积的化学缩减。在这个阶段中，塑性沉降和泌水收缩逐渐减弱，自收缩逐渐发展。虽然化学缩减最大值可达水泥与水总体积的8%～10%，但在塑性阶段自缩量并不大，通常小于几百个微应变。混凝土的自收缩主要发生在凝结硬化以后。

（4）次要塑性收缩阶段。此阶段混凝土开始硬化，水泥水化速度减慢，塑性收缩逐渐停止，混凝土强度开始增长。

通常观察到的塑性收缩是上述塑性沉降、泌水收缩和自收缩的总和。这类收缩通常会受到内部和外部两种约束。内部约束来自粗细骨料及其所形成结构骨架，约束应力一部分在内部相互平衡，一部分做功形成混凝土内部为数众多的微裂缝。外部约束来自基础如路面、墙体或旧混凝土。约束的结果是混凝土表面出现塑性收缩裂缝。

4.2.1.2　温度收缩

在浇筑过程中，混凝土内部温度首先由于水泥水化而升高，然后又逐渐减小到环境温度。混凝土在这个降温过程中出现的收缩变形被称为温度收缩（冷缩）。如何防止冷缩开裂是混凝土技术中一个十分重要的问题。在无约束条件下，冷缩变形为混凝土热膨胀系数与温差的乘积。

混凝土的热膨胀系数一般分别为10×10－6／℃，而骨料的热膨胀系数与骨料品种有关。对于石灰岩质骨料而言，热膨胀系数一般为（6～7）×10－6／℃。这三种材料热膨胀系数的差别使得混凝土在降温过程中产生了局部温度应力。

此外，由于混凝土材料的热传导性能较差，当混凝土的外部温度已经接近于环境温度时，内部温度可能仍处于原始状态。这种热传导过程的滞后性会在混凝土中形成较大的温度梯度及温度应力。

上述两种温度应力的叠加会使得混凝土出现较大的冷缩。研究表明，当混凝土内外温差为10℃和20℃～30℃时，冷缩分别可达0.01%和0.02%～0.03%。

4.2.1.3　碳化收缩(www.chuimin.cn)

大气中的CO2可与混凝土中的Ca（OH）2和CSH 凝胶等物质发生如下化学反应：

在这些化学反应过程中，生成物的摩尔体积小于反应物。由此而导致的体积变化被称为碳化收缩。

碳化收缩与化学反应速率密切相关，而后者的影响因素中最重要的是混凝土内部的相对湿度。当相对湿度过低时，混凝土的含水率较少，化学反应难以进行。而当相对湿度过高时，孔隙中充满水分，CO2不易向混凝土内部扩散。因此，碳化反应只在适中的相对湿度（约60%）中才会较快地进行。

4.2.1.4　干燥收缩

干燥收缩指的是混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔水、凝胶孔水及吸附水而发生的不可逆收缩。随着相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大，且不同层次的水对收缩的影响大小也不同。

其中，毛细孔水引起的表面张力是造成干缩的一个重要因素。由于水是一种浸润液体，因此在毛细孔中会形成凹形液面。此时，会在液面附近产生一个压力差ΔP。假设混凝土毛细孔的截面为圆形，且管径较小，则可以把凹形液面近似为半球形。这种情况下，根据Young－Laplace公式，有：

式中，γ 为水的表面张力；r 为毛细孔液面的曲率半径。

由式（4－1）可以看出，混凝土毛细孔的孔径越小，毛细孔压力越大，混凝土产生的干缩变形也越大。因此，混凝土的干缩主要与混凝土中小孔的数量及毛细孔中水分的散失有关。混凝土中的胶凝材料和用水量越多，混凝土中的毛细孔越多，混凝土的干缩也越大。此外，混凝土的干缩还与毛细孔的连通性有关。混凝土的用水量越多，毛细孔更容易相互贯通，由此增大了混凝土的干缩变形。

混凝土干缩与外加剂品种及用途也有一定的关系。高效减水剂用于减少混凝土用水量而提高强度或节约水泥时，混凝土收缩小于不掺减水剂的空白混凝土试样。用于增加坍落度而改善和易性时，收缩值略高于或等于不掺减水剂的空白混凝土试样，但不超过技术标准规定的限值1×10－4。而引气剂在水泥用量、骨料粒径、坍落度相同时，掺松香热聚合物的收缩增大，掺脂肪醇硫酸钠和掺烷基磺酸钠引气剂的混凝土干缩率变化不大。

4.2.1.5　自生收缩

自生收缩的机理与干燥收缩相似，都是由于混凝土内部结构中毛细孔水的减少而使得混凝土产生体积变化。这二者的主要区别在于毛细孔水分减少的原因不同。自生收缩过程中水分的减少是水泥水化过程引起的，不与外部环境接触。因此，自生收缩与外界温湿度变化无关。而干燥收缩与外界环境的温湿度密切相关。即自生收缩是内部因素引起的，而干燥收缩是外部因素引起的。

水灰比对干燥收缩和自生收缩的影响正好相反。一般而言，干燥收缩随水灰比的提高而增加，而自生收缩则相反。这是由于高水灰比的混凝土用水量较大，会形成较多的相互贯通的毛细孔网络。在外界环境作用下会形成较大的毛细孔压力，并相应地增加干燥收缩。而对于自生收缩，当混凝土用水量较大时，水泥水化反应有充足的水分供应，水分缺失情况不明显，因此自生收缩较小。由于上述水灰比对干燥收缩和自生收缩的不同影响，当水灰比较高时，自生收缩相比干燥收缩可以忽略不计。但随着水灰比的降低，当其达到一个临界值时，自生收缩与干燥收缩将位于同一个数量级。此时，需要同时关注这两种收缩导致的混凝土开裂问题。

混凝土收缩机理及其应用

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