混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

1、收縮產(chǎn)生的機(jī)理以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響摘要干縮是混凝土澆搗3d以后的最主要收縮組成部分，在后期，干縮的發(fā)展往往 與荷載因素共同作用，從而加速裂縫的產(chǎn)生?；炷恋母稍锸湛s機(jī)理通常用毛細(xì)孔失水， 形成彎月面，在毛細(xì)孔張力的作用下產(chǎn)生收縮。本文采用物理圖解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，形象地 描述了混凝土干燥收縮的物理力學(xué)機(jī)制。關(guān)鍵詞干燥收縮；凝膠顆粒；氣液彎月面；毛細(xì)孔張力；孔徑分布干燥收縮（drying shrinkage）通常是混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi) 部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，隨著相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干 縮增大。干縮主要發(fā)生在澆筑后390d齡期內(nèi)，事實(shí)上，文獻(xiàn)1 的研究表明，若

2、 養(yǎng)護(hù)不好，早期（齡期前3d）的干縮相當(dāng)大，不可忽視。干縮是混凝土澆搗3d以后的最主要收縮組成部分，在后期，干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用，從而加速 裂縫的產(chǎn)生。一直以來它都是混凝土收縮研究的重點(diǎn)，其形成機(jī)理通常基于毛細(xì)孔理論 展開的。對(duì)此，本文將結(jié)合作者的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)重新加以闡述，希望寄此能對(duì)干縮有更清晰 深入的認(rèn)識(shí)。1 干縮機(jī)理描述干縮機(jī)理與水泥漿體內(nèi)部孔隙有關(guān)。水泥水化的結(jié)果是生成水化硅酸鈣（C-S-H）等水化產(chǎn)物及在內(nèi)部形成大量并被水填充的微細(xì)孔（ 5nm的毛 細(xì)孔與0.52.5nm的凝膠孔），這些微細(xì)孔中儲(chǔ)存有水化未消耗的多余水分?；炷?土干燥的時(shí)候，水的蒸發(fā)速度可能超過混凝土向外泌水

3、遷移的速度，因此，表層毛細(xì)孔 中的水面降低，并隨著蒸發(fā)的繼續(xù)，水分的失去從表層逐漸向混凝土內(nèi)部不斷發(fā)展，毛 細(xì)孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細(xì)孔內(nèi)水分的失去將在孔中產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓， 并促使氣液彎月面（meniscus ）的形成，從而對(duì)孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成水泥漿體收縮。這一過程可通過圖1加以比較清晰的描述。從圖1a中可以看到，混凝土處于干 燥環(huán)境下時(shí)，泌出的水分在混凝土表面被蒸發(fā)，當(dāng)表層水分的蒸發(fā)較快，內(nèi)部水分遷移 來不及補(bǔ)充時(shí)，在氣液界面的外表面（氣相）形成毛細(xì)孔負(fù)壓，即毛細(xì)孔內(nèi)溶液表面 蒸汽壓與液壓（水壓）的壓力差公P （圖1c），由于這一壓力差的存在，促使凝膠顆 粒間產(chǎn)生一個(gè)氣液彎月

4、面。如圖1c所示，這一彎月面在毛細(xì)孔負(fù)壓與固（凝膠顆粒） 液（毛細(xì)孔水溶液）界面處的表面張力a的共同作用下形成短暫的動(dòng)態(tài)平衡。隨著 水分的繼續(xù)蒸發(fā)，內(nèi)部水分向外遷移的速度越來越慢，從而毛細(xì)孔負(fù)壓越來越大，彎月 面的受力平衡被打破，導(dǎo)致液面整體不斷下降，這也使得彎月面的曲率隨之增大（曲率 半徑即毛細(xì)孔液面處的孔半徑隨之減?。?，固液表面的接觸角隨之減小，使得表面張 力的豎向分力增大（圖1b），于是彎月面再次受力平衡，如此反復(fù)。酬用f雷孔帕的月毗岫祜 媽儺虬泌雌州產(chǎn)牛，胰舶祝度上加翊）酬用f雷孔帕的月毗岫祜 媽儺虬泌雌州產(chǎn)牛，胰舶祝度上加翊）:氣灌常月廚在毛粕孔世擊與壺面 強(qiáng)力湖顯陶雄受力偵毛新孔壁

5、h毛娜孔如田及汽推 粵月面受力示菌對(duì)上式中P8fi3P.COM角從02n積分得到:細(xì)孔負(fù)壓）也可以用孔隙內(nèi)的相對(duì)濕度（RH）饑Ed乍:混牡好K圮，定卦苴如圖1c所示，表面張力實(shí)際上構(gòu)成了凝膠顆粒與彎月面之間的作用力與反作用力。凝膠顆粒通過對(duì)彎月面提供表面張力u使 其受力得以平衡，而彎月面則將表面張力u 反作用于凝膠顆粒，根據(jù)力的平衡可知， 這一反作用力的合力在數(shù)值上、方向上均與毛細(xì)管負(fù)壓相同，從而促使凝膠顆粒向內(nèi)部 運(yùn)動(dòng)。這即所謂的收縮拉力，它是造成水泥漿體收縮的直接驅(qū)動(dòng)力。在垂直向的蒸發(fā)過 程中，這一收縮力還與凝膠顆粒的自重疊加，加速漿體的收縮。2 收縮拉力（毛細(xì)孔負(fù)壓）推導(dǎo)根據(jù)以上干燥機(jī)理

6、分析，收縮拉力u也即毛細(xì)孔負(fù)壓，在數(shù)值上應(yīng)該等于表面張力豎向分量的合力。假設(shè)彎月面是球冠形的，則 將圖1b所示的彎月面向水平面垂直投影得到如圖2所示的受力單元，其中表面張力 取其豎向分量u cose，作用域?yàn)閳D示的陰影部分的單位寬度圓環(huán)，而毛細(xì)孔負(fù)壓A P 的作用域?yàn)檎麄€(gè)彎月面的投影圓，r為毛細(xì)孔彎月面處的孔徑。則取圖中角度為dfi 的微元，根據(jù)豎向的受力平衡有如下等式成立：3睛碼私Ap壬dB另外，收縮拉力（毛來表征。Kelvin方程給出了如下孔隙 pRTr pRTr中：為相對(duì)濕度；M為水的摩爾質(zhì)量（18gPmol） ； p為水的密度（1 000kg/m3 ）；R為氣體常數(shù)（8.314J/（m

7、ol-K）； T為溫度（K）； r為孔半徑（m）。上式也可變化為：-于是代入（4）即可得到毛細(xì)孔負(fù)壓與相對(duì)濕度的關(guān)系：戶=上述理論公式的推導(dǎo)也證明了毛細(xì)管負(fù) 壓隨內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而降低。根據(jù)C. Hua等對(duì)硬化水泥石收縮模型的研究，當(dāng)水 泥漿體中內(nèi)部相對(duì)濕度由100 %降低到80 %時(shí)，毛細(xì)孔負(fù)壓將從0增加到30MPa。當(dāng) 降至60 %以下時(shí)，毛細(xì)孔負(fù)壓將發(fā)展到100MPa以上。從上述分析可以看出，影響干縮的3個(gè)重要因素是水灰比、水化程度、失水 速率，其中前兩者是決定孔隙分布的主要因素。根據(jù)Powers的研究，水泥完 全水化的水灰比在0.42左右，用水量直接影響孔徑分布與孔隙率，水灰比越 高

8、，孔徑與孔隙率也越大。因此，低水灰比混凝土的孔隙水越低，相應(yīng)的干 縮也越低，但當(dāng)水灰比過低時(shí)（02 W/C 0.42），有可能產(chǎn)生自干燥（ self2desiccation ）收縮。水化程度實(shí)質(zhì)上也反映了齡期與養(yǎng)護(hù)對(duì)干縮的影 響，在水化后期，由于更多的水成為化學(xué)結(jié)合水，可供遷移的自由水分就越 少，因此早期養(yǎng)護(hù)的越好，暴露于空氣中的齡期越晚，干縮越小。失水速率 其實(shí)與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)，通常結(jié)構(gòu)表面積與體積的比率越大，水分的散失越 快，干縮也越嚴(yán)重，這也是路面板、橋面板、樓面板更容易干縮開裂的原因。 此外，在混凝土中，骨料的種類和含量也會(huì)間接地影響混凝土的自由收縮。 骨料因?yàn)橄鄬?duì)較為穩(wěn)定將阻止?jié){體的收縮，因此骨料粒徑越大、硬度越高， 漿骨比越小，干燥時(shí)的自由收縮越小。至于其他因素如化學(xué)外加劑、礦物摻 合料、水泥種類等，也會(huì)因?yàn)楦淖兯^程及漿體孔隙的組成而影響混凝土 的干縮。4 結(jié)語干縮是混凝土收縮最為常見的一種形式，也是目前為止研究最多的一類收縮。它是混凝土澆搗3d以后的最主要收縮組成部分，國內(nèi)外都有 相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此進(jìn)行評(píng)估（如ASTM C2157、ASTM C2341、GBJ 82285 ） ，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及混凝土收縮的計(jì)算（收縮裂縫計(jì)算、預(yù)應(yīng)力收縮損失計(jì)算） 大多是基于干縮試