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高性能混凝土自收缩
上世纪80年代以来,基于混凝土技术的进步,高强高性能混凝土越来越普通地应用于各种类型的建筑结构。混凝土材料强度的提高,可以有效的降低建筑物的自重,尤其适宜高层建筑和大跨度桥梁的建造。相对于普通混凝土,使用高性能混凝土还能够减少资源的消耗,有利于可持续发展。但是,不管是在实际工程应用中,还是在试验室都发现,高性能混凝土普遍具有发生早期裂纹的趋势,混凝土结构裂纹的产生大部分是由于混凝土收缩引起的,结构荷载引起的裂缝很少。
1.混凝土收缩种类
在实际工程中,人们大都只关心混凝土最终的收缩,但混凝土的最终收缩实际上却包括各种原因引起的收缩。对于普通混凝土,干缩是主要的;而对于高性能混凝土,自收缩问题也不容忽视。区别不同的收缩,有助于采取相应的措施减少收缩,以防止或减少混凝土的开裂。通常,混凝土的收缩主要有以下几种:
1.1化学收缩
化学收缩又称水化收缩。水泥水化后,固相体积增加,但水泥—水体系的绝对体积则减小。大部分硅酸盐水泥浆体完全水化后,体积减缩总量为7%~9%。在硬化前,所增加的固相体积填充原来被水所占据的空间,使水泥石密实,而宏观体积减缩;在硬化后,则宏观体积不变而水泥—水体系减缩后形成内部空隙。因此,这种化学减缩在硬化前不影响硬化的混凝土性质,硬化后则随水灰比的不同形成不同孔隙率而影响混凝土的性质。化学收缩与水泥组成有关。对于硅酸盐水泥的每种单矿物而言,C3A水化后的体积减少量可达23%左右,是化学收缩最严重的矿物,其次分别是C4AF、C3S和C2S。从水泥品种上来讲,选用高C3A含量的水泥,对化学收缩是不利的;水泥用量上来讲,水泥用量越大,混凝土的化学收缩和孔隙总量越大。高性能混凝土的水胶比低,水化程度受到制约,故高性能混凝土的化学收缩量会比普通混凝土小。
1.2塑性收缩
塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段,由它引起的开裂是工程建设阶段最常见的混凝土裂缝,一般发生在混凝土浇筑后2~10h。塑性阶段混凝土由于表面失水而产生的收缩,多见于道路、地坪和楼板等大面积的混凝土工程,并以夏季施工最为普遍。混凝土在新拌状态下,拌合物中颗粒间充满着水,如养护不足,表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时,则会造成毛细管中产生负压,使浆体产生塑性收缩。高性能混凝土的水胶比低,自由水分少,矿物掺合料对水有更高的敏感性,表面水分蒸发快,所以高性能混凝土比普通混凝土更容易产生塑性收缩变形。对于减少塑性收缩的主要措施是合理地加强混凝土的早期养护。
1.3温度收缩
温度收缩又称冷缩。温度收缩主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升高,最后又冷却到环境温度时产生的收缩。其大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。温缩多在混凝土浇注后一周内的龄期发生。在绝热状态下,每l00kg水泥水化可使混凝土升温10℃~12℃。高性能混凝土的温升一般可达35℃~40℃,加上初始温度可使最高温度达到70℃~80℃。一般混凝土的热膨胀系数为1×10-6/℃,当温度下降20℃~25℃时造成的收缩量为(2~2.5)×10-4。因此,冷缩常引起高性能混凝土开裂。降低温升、提高混凝土抗拉强度、使用热膨胀系数降低的集料等措施有利于减少冷缩和防止开裂。
1.4干燥收缩
干燥收缩是指混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩,它不同于干湿交替引起的可逆收缩。影响干燥收缩主要因素有水灰比和混凝土孔隙率。高性能混凝土具有较低的水灰比,且孔隙率低,有良好的孔分布,不存在或有极少量的100nm以上的有害孔,所以它的干缩比普通混凝土小。
1.5自收缩
除搅拌水以外,如果在混凝土成型后不再提供任何附加水,则即使原来的水分不向环境散失,混凝土内部的水也会因水化的消耗而减少。密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,称为自干燥收缩。对于高性能混凝土,由于它的水胶比很低,早期强度较高地发展会使自由水消耗较快,以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而高性能混凝土结构较密实,外界水很难渗入补充,在这种条件下开始产生自收缩。研究表明,2个月龄期,水胶比为0.4的高性能混凝土自收缩为1×10-4;水胶比为0.3的高性能混凝土的自收缩为2×10-4;水胶比为0.17的高性能混凝土的自收缩为8×10-4。高性能混凝土的总收缩中干缩和自收缩几乎相等,水胶比越低,掺合料越细,自收缩所占比例越大。根据宫泽伸吾等的试验结果,水胶比为0.4时高性能混凝土自收缩占总收缩的40%;水胶比为0.3时自收缩占50%;水胶比为0.17(掺入硅灰10%)时自收缩占100%。高性能混凝土自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天,湿度梯度首先引发表面裂缝,随后引发内部微裂缝,若混凝土变形受到约束,则进一步产生收缩裂缝。
1.6碳化收缩
大气中的C02与水泥的水化物发生的碳化反应引起的收缩变形称为碳化收缩变形。碳化作用在C02浓度高、干湿交替作用的环境中发展更为显着。因此,影响碳化收缩的两个主要因素是:
1)混凝土中Ca(OH)2的数量。充分降低Ca(OH)2的数量,无疑是对碳化收缩起到积极的作用;
2)混凝土的密实度。如果混凝土中水胶比低,孔隙率小,且呈均匀小孔径分布,将有利于减小碳化收缩。
由以上分析和阐述可见,与普通混凝土相比,高性能混凝土的化学收缩和干燥收缩小些,塑性收缩大些,而温度收缩和自收缩更大些,其中自收缩裂缝是影响高。
2.自收缩的机理
到目前为止,对于自收缩产生的真正机理学术界没有统一全面的认识。然而,较普遍的解释是自收缩与硬化水泥浆体内的孔的相对湿度存在一定的关系,通常用毛细管作用力理论解释自收缩的产生机理。
由于水泥水化反应,水化生成物的体积小于水与未水化水泥的体积,从而在硬化体中产生空隙。当水化初期水泥浆是流态时,水泥水化程度较低,它不能支撑由化学收缩产生的浆体内部的孔隙,从而表现在外部体积的收缩。由于水泥浆体的结构疏松,水泥粒子周围充满了水,外部及周围的水分容易移动,因而,形成的空隙中充满了水。随着水化时间的不断延长,孔隙中的水不断消耗,而且结构不断致密,孔隙水的移动变得困难。当外部没有水分供给时,由于水分不足,孔隙内不能充满水,孔隙内的相对湿度也开始下降,从而在硬化体中发生自生干燥,这样就在空气与水之间形成了弯液面。由于毛细管张力的作用,水泥浆发生自收缩。
毛细孔负压可以从拉普拉斯公式以及开尔文公式中推导出:
式中:σ—气-液界面表面张力;θ—固-液接触角;Pc—水压力;Pv—水蒸汽压力。
式中:V—单位物质的量的水体积;M—水的分子量;R—理想气体常数;T—绝对温度;h—相对湿度。
对毛细孔半径大于5nm时,从拉普拉斯公式以及开尔文公式可精确地估计毛细孔效应。这些宏观定律,对相对湿度大于80%时是有效的。其中,混凝土相对湿度的测定可以根据美国ASTM标准,其方法是在混凝土中预埋一个塑料管,将相对湿度传感器放置在塑料管中,管口用橡胶圈密封,即可测出混凝土内相对湿度。
Hua等人使用压汞仪来测定毛细孔的张力,但是该方法只能反映相互连通的孔隙体积,而实际上水泥石内部的毛细孔还有大量的间断孔隙,而且不能测出小于6nm的孔。Hua等人却将已经自干燥的孔隙全部视作相互连通的孔隙,并压入与其相等量的汞量,所测得的值偏大。Jensen通过测定相对湿度来计算毛细管张力并使用毛细管张力理论计算出浇注几天后的自收缩的变化,结果与实验值相一致。
不过,对于水泥浆体内部的孔尺寸的分布情况,仍然没有办法得知。因而,需要有更深入的理论分析与实验研究来证明自收缩的产生机理。
3.自收缩研究现状
3.1自收缩影响因素
高性能混凝土的自收缩在总收缩中所占比例较大,而且即使在100%的相对湿度下养护仍会发生。混凝土自收缩的根源是水泥凝结硬化后的继续水化,条件是混凝土内部密实而水分迁移困难。因此,凡是加速密实混凝土中水泥水化的因素都能促进混凝土的自收缩。对其它收缩起抑制作用的集料和固体颗粒,对混凝土的自收缩也有抑制作用。根据现有文献报道,高性能混凝土自收缩受到多种因素的影响,如水胶比、水泥类型及水泥细度、掺合料、养护方法、养护温度、外加剂、骨料以及纤维等。
3.1.1水胶比
国内谢丽等在常温下分别对水灰比为0.50,0.45,0.40,0.35,0.30的混凝土进行自收缩应变实验,发现自收缩应变随着水灰比的减小而增大,而且早期自收缩应变增长率随着水灰比的较小而增大。水灰比的改变将导致混凝土弹性模量和强度的变化,水灰比越低,弹性模量和强度越高。根据Aitcin等人的研究表明,水胶比高于0.42时,混凝土自收缩不会高,但是水胶比低于0.42时,自收缩会迅速变化,混凝土的自收缩随水胶比的降低而增加,且自收缩所占比例越大,早期自收缩的增长率也越大。新加坡的M.H. Zhang和C.T.Tam研究了普通混凝土和掺加硅粉的混凝土的自收缩实验。所研究的混凝土水灰比为0.26~0.35,硅粉的掺量为水泥重量的0%~10%。实验结果显示,自收缩是随着水灰比的降低而增加,随着硅粉的掺量增加而增加。
综上所述,水胶比不同使混凝土有不同的密实度,影响混凝土内部空隙结构。水胶比越小,混凝土内部毛细孔越小,所占比例也越高,因此产生的毛细孔作用力越大,故自收缩越大。同时,低水胶使混凝土内部更加密实,影响内部水分的迁移,进一步加重自收缩值。有研究表明,当水胶比达到0.17时,砂浆1d的自收缩达到2500×10-615d就达到4000×106,而且继续发展。
因此,对于高性能混凝土水胶比越低,耐久性越好的习惯思维应该有些改变。水胶比应该控制在一个适中的范围,保证高性能混凝土有足够的强度以及合理的空隙结构,而不应该片面追求尽量高的强度与尽量小的毛细孔半径尺寸。
3.1.2水泥品种及细度
水泥继续水化是自收缩的根本原因。凡是水化速率快的水泥,自收缩都会较大,如早强水泥、铝酸盐水泥等。硅酸盐水泥的矿物组成中,水化速率快的C3A和C4AF对自收缩的影响最大。所以,使用低热水泥或中热水泥制备的混凝土的自收缩比普通硅酸盐水泥混凝土低得多。
研究表明水泥细度越细,早期自收缩就越大.水泥细度为557m2/kg或更高时,水泥第1d的自收缩达到1000-1200×10-6。对于矿渣水泥,矿渣细度高于400m2/kg时,随着矿渣掺量的增加到70%时,自收缩增加;而当矿渣细度为300m2/kg时,自收缩并没有增加。所以,为了减少自收缩值,水泥的细度不能太高。
3.1.3矿物掺合料
矿物掺合料对自收缩的影响主要与该掺合料在水泥中的反应性有关,细度、活性、结构形态等都因影响其反应性而影响混凝土的自收缩。因此,不同的掺合料有不同的表现。
掺加粉煤灰会减小混凝土的自收缩。粉煤灰虽然是活性材料,但是在水泥浆体中的水化非常缓慢,因此在相同的水胶比条件下,用粉煤灰代替部分水泥,相当于增大了有效水灰比,从而粉煤灰可以有效降低混凝土内部的早期自收缩。后期粉煤灰的继续水化使水泥内部自干燥程度提高,但由于此时混凝土已具有较高的弹性模量和很低的徐变系数,因此其后期自收缩同早期相比小得多。粉煤灰的这种作用相当于“能量滞后释放效应”。根据吴学礼等人的研究:粉煤灰混凝土的自收缩值与时间的关系,大致呈对数函数曲线。随水胶比降低,亦即强度提高,混凝土自收缩值增大。在水胶比为0.32~0.40区间内呈线性关系。同水胶比条件下,掺加粉煤灰能有效降低混凝土的自收缩,掺量越高,降幅越大;早期(3d)降幅高于后期(90d)。
磨细矿渣对混凝土自收缩的影响与其细度有关,通常使用与水泥细度相当的磨细矿渣时,混凝土自收缩可随矿渣掺量的增加而稍有减少。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,混凝土自收缩随其掺量的增大而增大。张树青等人的研究也表明了,与普通矿粉(422m2/kg)相比,同条件下的超细矿粉(730m2/kg)混凝土早期(3d)自收缩显着增加,对早期抗裂性不利。但是,矿渣水泥对自收缩的影响有不同的试验结果:田泽荣一认为,矿渣水泥配制的水泥浆(水胶比0.3),其早期自收缩很小,但是后期增加很快;我国的关英俊则认为,用矿渣500号水泥配制的混凝土不仅不产生自收缩,反而会产生体积膨胀现象。
硅灰由于其超细的颗粒和很高的活性,可使混凝土的自收缩增加,水胶比很低时更加明显。有研究表明,水泥净浆的自收缩在硅粉掺量为0~20%范围内,随硅粉掺量的增加而增大。水胶比为0.23的水泥净浆在硅粉掺量为10%时,28d的自收缩值约为空白净浆的3倍。由于硅灰的表面积又很大,会导致硅灰与搅拌水很快的结合。加速了水泥石中的孔隙空间的缺水与内部相对湿度的降低,从而增大了自收缩。
3.1.4养护温度的影响
由于环境温度对水泥水化的影响,不同温度下的高强、高性能混凝土内部结构的形成和发展各异,与之密切相关的自收缩特性也不同。
O.M.Jensen等认为提高养护温度可明显加速混凝土早期的自收缩变形,但是,高温条件下混凝土的最终自收缩值并不比具有相同水灰比的混凝土在20℃时的自收缩值大。0.Bernard and E. Bruhwile等对分离混凝土温度变形和自收缩变形的研究中发现,环境温度变化从13℃~20℃,与温度变化从13℃~35℃相比较,在24h收缩应变变化比为10:25,而在48h收缩应变变化为15:30,可以发现比例减少,从而可以得出高温对自收缩应变早期的影响显着。荷兰的Pietro Lura等研究了全约束状态下养护温度和水泥型号对早期混凝土自收缩变形和自收缩应力的影响;研究期间表明更高的温度并不会导致更大的变形,但是导致更快的应变发展和应力发展。
3.1.5集料
集料因其弹性模量大于水泥浆体的弹性模量,故在混凝土中起限制变形的作用。集料用量的增加对混凝土自收缩的控制作用随龄期的发展而显着,而且与集料品种有关。不同品种粗集料对收缩抵抗性从大到小排序为:石灰石大于安山岩大于砂岩。使用石灰石为粗集料的混凝土与使用砂岩的混凝土相比,收缩率可以降低20%~30%。
3.1.6外部约束的影响
M.Sule等的自收缩应力的研究表明在相同的钢筋配筋率下不同钢筋配置得到相同的应力发展规律。实验水灰比为0.3,养护温度为恒温20℃,在早期,1.34%配筋率的构件应变变化比3.27%的构件应变变化大,在24~72h之间很难区分两者的大小,钢筋配筋率对约束收缩影响较小。
3.1.7其他因素
养护温度和湿度、外加剂、试件尺寸等因素都影响混凝土和砂浆的自收缩。配合比相同时,密封养护的比暴露的自收缩小,水养护的比密封养护的自收缩小。掺入超塑化剂后,不同品种超塑化剂的效果稍有差别,但都可使混凝土自收缩减小,并随掺量的增加而减小。掺入收缩抑制剂可有效地减小混凝土自收缩;掺入膨胀剂时,可由于早期的膨胀而补偿自收缩,比掺入收缩抑制剂时自收缩更小,但膨胀结束后自收缩的速率和空白养护的一致。
3.2.自收缩的试验评价方法
3.2.1自收缩测量应注意的问题
高性能混凝土的自收缩测定不仅需要精确的量测方法,而目需要从初凝即开始测定,另外还需要保证被测试体系(试件)与外界无水分交换,因此给测试工作带来了很大的难度。目前,对于高性能混凝土自收缩的测量,世界各国都无统一标准可依,不同学者根据实际条件采用不同的方法。所选取的基准或是从初凝(或终凝)时开始测量,或是从成型1d龄期时开始测量,通常国内绝大多数研究者都是从混凝土成型后1d时开始测量。而高性能混凝土大部分的自收缩发生在早期,这时混凝上抗裂性差,往往会因早期自收缩大而产生微裂纹。因此,对高性能混凝土早期自收缩的测量可能比随后测到的收缩更为重要。主要采用试验方法有:a.千分表法:两端预埋测头测量等;b.传感器法:LVDT传感器、电容式传感器、非接触感应式位移传感器、线振仪、埋入式应变计等;c.光学测量法:激光测量仪、光学显微测量仪;d.体积法:测量体积变化。这些测量方法各有各的特点和适用条件,但通常情况下千分表法与传感器法采用得较多。这是由于千分表法测量自收缩具有操作简单、投资少;而传感器法测量精度高,人为误差小,通常能连续自动记录。
同时应注意混凝土的自收缩在体积变化中并不是单独出现,因此在测量过程中排除其他引素对自收缩测量的干扰对提高测量的佳确性尤为重要。为此应注意以下几点:
(1)混凝土自收缩是在恒温和绝湿条件下测定的,测量时要确保恒定室温,且成型试模应采用密闭式。测量早期自收缩时试模均不能拆除,以避免拆模对早期混凝土的损伤,由此还必击考虑成型后试件的密闭性及试模对混凝土表面产生的约束力。聚四氟乙烯材料在固体材料中具有最小的摩擦系数,可用作试模的内衬板,用柔性的聚氯乙烯塑料薄膜做成最里面的一层密封,又可以降低混凝土对衬板的吸附,从而有效降低试模对早期混凝土的约束力。
(2)必须消除温度变形引起的干扰。这种因温度升降而引起的胀缩取决于温度变化量和混凝土的线膨胀系数,所以测试自收缩的同时,需同步测定混凝土试件在相同条件下内部的温度变化。要注意的是,在水泥水化加速期(即混凝土处于温升阶段)会引起体积膨胀,可以补偿一部分自收缩。
(3)泌水对早期自收缩测试的影响。对于一些高性能混凝土而言,掺入超塑化剂获得良好工作性能的同时可能也带来了泌水的趋势,这对早期自收缩的测定带来影响。但有关泌水对自收缩的影响有待进一步研究。
高性能混凝土自收缩的测量方法现在基本上没有一个标准的试验方法,很多研究者都是基于以上试验应注意的事项以及试验基本原理而展开。参考国内外文献,对于混凝土自收缩的测量方法大体分为两种:一种是测量试件的体积变化率,另一种就是测量试件的长度变化率。
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