自上世紀80 年代以來, 基于混凝土技術的進步, 高強高性能混凝土越來越普遍地應用于各種類型的建筑結構?；炷敛牧蠌姸鹊奶岣? 可以有效地降低建筑物的自重, 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, 使用高強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), 高強高性能混凝土普遍具有發(fā)生早期裂紋的趨勢, 而且在采取措施有效地控制住濕氣的揮發(fā)和溫度的變化后, 仍然不能消除裂紋的產(chǎn)生。這意味著干燥收縮或者溫度收縮不是這些裂紋產(chǎn)生的原因。研究發(fā)現(xiàn), 許多觀察到的高強高性能混凝土的早期開裂問題, 都可以歸結于混凝土的自身收縮。

1 水泥灰漿的自身收縮

    在混凝土的形成過程中, 集料的體積可以認為是恒定的, 不發(fā)生形變?；炷恋淖陨硎湛s實際上是水泥灰漿經(jīng)過水化反應發(fā)生了體積變化, 水泥水化產(chǎn)物占有的空間體積小于水泥和水占有的空間體積之和, 二者的差值大約在8% ～12% 之間, 由于體積的減小是伴隨著水化反應的進行而逐漸形成的, 因此, 稱這種體積的縮小為化學收縮?；瘜W收縮是一種微觀意義上的絕對體積減小, 不等于宏觀意義上的表觀體積收縮。但是, 化學收縮是自身收縮的根源和驅動力。

    水泥和水反應的初始階段, 水泥顆粒體積微小, 相互之間的水作為介質在一定程度上起潤滑作用, 內摩擦阻力很小, 水泥灰漿呈流動狀態(tài); 隨著水泥水化產(chǎn)物的不斷生成, 體積逐漸增大, 流動會越來越困難。當水泥水化反應進行到一定程度, 水泥水化產(chǎn)物在水泥灰漿基體中相互聯(lián)接, 構成了自支撐骨架, 水泥灰漿失去了流動性, 發(fā)生凝結, 進入了水泥的硬化過程。此后與水化反應相伴的化學收縮所導致的體積減小, 就會在水化產(chǎn)物骨架間形成收縮孔, 孔隙中充填有未反應的水, 這些水和尚未反應的水泥顆粒反應, 由游離狀態(tài)變成水泥水化產(chǎn)物中的化合水或不可揮發(fā)的締合水; 如果沒有外部水源補充, 收縮孔中的相對濕度就會下降, 形成真空空間, 效果和因干燥蒸發(fā)散失濕氣一樣。但是,在這個過程中體系和外界沒有物質交換, 質量沒有損失, 這個過程被稱之為自干燥( Self- des ication) 。自干燥會在毛細孔中形成月牙形水面( 見圖1) 。水的表面張力作用于孔隙壁上, 將是孔隙坍塌的主要因素。許多孔隙崩塌的累積, 反映在宏觀上就是硬化水泥灰漿表觀體積的減小。為了和干燥收縮或熱收縮相區(qū)別, 將這種收縮稱之為自身收縮( Autogenous shrinkage) ?；瘜W收縮和自身收縮的差值就是硬化水泥灰漿中的孔隙體積。水泥灰漿的自身收縮發(fā)生在水泥灰漿的硬化過程中。這個階段, 水泥灰漿的強度正在形成當中, 數(shù)值還較小,在約束力的作用下, 極易發(fā)生開裂, 對應于混凝土, 就是出現(xiàn)在混凝土上的裂紋。

2 混凝土的自身收縮和W/C

    早在1900 年, Le Chatelier 就指出, 水泥灰漿硬化, 絕對體積會減小, 水化產(chǎn)物占有的體積空間,小于水泥灰漿中參與反應的水和水泥占有的體積之和。1934 年, Lynam 第一次提出了自身收縮( Autogenous shrinkage) 的概念, 一種不是由于熱變形或濕汽散失所造成的收縮。然而, 長期以來, 混凝土的自身收縮無論是在實際工程應用中, 還是理論性的探討, 一直不為人們所重視。到了上世紀80年代, 誕生了高強高性能混凝土, 并且迅速得到了廣泛的應用。與此相伴的是, 不斷出現(xiàn)的混凝土的早期裂紋。這種現(xiàn)象引起了一些研究工作者的注

 

意, 并且和混凝土的自身收縮聯(lián)系起來。但是, 這時還僅限于少數(shù)研究工作, 直到上世紀90 年代的中期, 混凝土的自身收縮才受到普遍的關注。

    高強高性能混凝土技術的一個關鍵點是高效減水劑的應用, 不僅使新拌混凝土在較低的水- 粘結料比下, 具有很好的工作性, 而且由于低水- 粘結料比使硬化高強高性能混凝土和較高水- 粘結料比的普通混凝土相比, 具有密實的微結構。這種微結構的不同是高強高性能混凝土不同于普通混凝土的基礎。混凝土的硬化過程顯然也會受到不同水- 粘結料比的影響, 其中重要的一點就是自身收縮會因為水- 粘結料比的降低而變得嚴重。

    高水- 粘結料比混凝土的化學收縮在灰漿基體中形成粗大和細小的收縮孔, 孔與孔之間相互聯(lián)結得很好, 當水泥水化反應消耗水時, 體系中的水會重新分布, 粗大孔中的水會向細小的孔中遷移, 使其始終保持充滿的狀態(tài), 不會發(fā)生自干燥形成月牙水表面, 細孔壁就不會受水表面張力作用發(fā)生坍塌。粗大孔中的水因遷移和水化反應消耗, 會形成月牙表面,但是, 由于孔徑較大, 水表面的曲率半徑小, 作用于孔壁的力較小, 不會造成孔壁的坍塌。低水- 粘結料比混凝土發(fā)生化學收縮在灰漿基體中形成的收縮孔則是另外一種情形, 水- 粘結料比越低, 收縮孔越細小, 并且相互間不能很好地聯(lián)結, 許多孔各自相互獨立, 水化反應進一步進行時, 細小的孔因無水源補充, 水損失后就會發(fā)生自干燥, 孔中形成月牙表面,水的表面張力作用于孔壁造成自身收縮。1940 年, Davis 發(fā)表的自身收縮試驗結果表明, 水灰比在0.61 和0.94 之間的混凝土, 經(jīng)過5年硬化后, 自身收縮應變在20×10-6～110×10-6 之間, 與熱變形和干燥收縮相比較, 小5 到10 倍。因此, 高水灰比的混凝土自身收縮的忽略是合乎情理的, 也是可以忽略的。研究結果顯示, 足夠高的水灰比的灰漿不會發(fā)生自干燥, 純水- 水泥灰漿, 密封下水化, 明顯的自干燥發(fā)生在W/C 小于0.4 ～0.5; 具有W/C 大于0.45 的混凝土, 和干燥收縮相比自身收縮可以忽略。但是, 當水- 粘結料之比下降到0.3 時, 自身收縮和干燥收縮各占50%; 若水- 粘結料之比小于0.3, 則自身收縮將成為總體收縮的主要部分。

3 高強高性能混凝土自身收縮的抑制

    高強高性能混凝土發(fā)生自身收縮是由于水-粘結料比低, 體系中所含有的水不足以補充微小毛細孔用于水化反應所消耗的水, 發(fā)生了自干燥, 形成的月牙水表面張力作用于毛細孔壁所造成的。降低毛細孔月牙表面水張力, 或者補充水源的養(yǎng)護方法, 都可以抑制高強高性能混凝土的自身收縮。毛細孔中月牙水表面張力的降低, 可采用向混凝土中添加減縮劑的方法來實現(xiàn)。減縮劑是一種表面活性劑。

    補充水源的養(yǎng)護可分為外部水養(yǎng)護和內部水養(yǎng)護。外部水養(yǎng)護可采用: 將混凝土浸入水中; 向澆注的混凝土表面噴淋水; 或者用浸有水的薄片覆蓋在混凝土表面上?；炷恋淖陨硎湛s在發(fā)生凝結時就開始了, 所以外部水養(yǎng)護應盡早進行。

    內部水養(yǎng)護可以用預浸濕的輕集料為水源。和外部水養(yǎng)護相比, 內部水養(yǎng)護有以下兩個優(yōu)點: 首先, 高強高性能混凝土結構較密實, 存在滲透性低的問題, 外部水養(yǎng)護時, 離表面較遠的部分, 不能及時或充分地得到水供應, 仍然有發(fā)生自身收縮的可能; 內部水養(yǎng)護時, 水源間距可以調節(jié), 從而克服滲透性低的問題。此外就是內部水養(yǎng)護的補充水源是加入到混凝土中的, 在整個硬化過程都不斷地向體系供給水, 沒有外部水養(yǎng)護可能會發(fā)生補充水延遲或時間不足的問題。因此, 內部水養(yǎng)護是比外部水養(yǎng)護更有效和可靠的抑制混凝土自身收縮的方法。內部水養(yǎng)護也應注意三個問題: 一是在新拌混凝土中摻加輕集料不應影響混凝土的工作性; 再就是含水輕集料在混凝土中應均勻地分布; 最后是添加輕集料, 不應降低對混凝土的強度要求。

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