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混凝土的收縮

發布時間:2021/5/1  新聞類別:施工流程 點擊次數:116
 

混凝土的收縮是指混凝土在凝結硬化及使用過程中由于混凝土內部的化學反應、水份變化和溫度變化等引起的體積減小。依據引起收縮的因素類型,可以簡單地將混凝土的收縮分為熱收縮和失水收縮。熱收縮包括大體積混凝土的水化反應引起的收縮及水化反應期間溫差引起的收縮。由于溫差引起的收縮在大體積混凝土工程中受到了廣泛關注,在大體積混凝土的設計及制造過程中控制溫差已經成為預防開裂的重要措施。但是,Rawhouser在1945年就已經指出:溫差僅僅是影響混凝土開裂的因素之一,混凝土早期的熱應力現象異常復雜,僅僅靠控制溫度而忽視其他因素的影響來避免開裂難以有效也幾乎毫無意義。在此基礎上,失水現象作為另一個引起收縮的因素而引起人們的關注。失水收縮包括混凝土內部水化反應消耗水和外部環境影響下的干燥失水收縮;炷恋氖湛s一般可以細分為主要的六大類,包括塑性收縮、自收縮、干燥收縮、溫度收縮、化學收縮和碳化收縮。


(1)塑性收縮


在水化終凝前的一段時間內,混凝土由于表面失水過快而產生的收縮,主要在混凝土加水拌合后的3~12h齡期內產生,直到混凝土終凝前為明顯,且僅發生在混凝土表面,因為發生在混凝土的塑性階段所以被稱為塑性收縮,塑性收縮是引起塑性開裂的主要原因;炷猎谛掳锠顟B下,拌合物的顆粒中間充滿著水,如果養護不足或環境溫度較高、濕度較小、風速較大,當表面的失水速率超過泌水速率時,則會使混凝土毛細管中產生負壓,使漿體產生收縮。引起塑性收縮的原因很多,混凝土內部的化學反應、重力作用以及塑性階段的干燥失水都可能引起塑性收縮,一般都是各向異性,但是主要表現在重力方向上的收縮。塑性收縮多見于大面積的混凝土工程中,如道路、地坪、樓板等,因為夏季溫度高,混凝土失水快,所以塑性收縮在夏季施工中比較普遍。


混凝土塑性收縮開裂的影響因素很多,總的來說可以分為內部因素和外部因素,內部因素包括水膠比、礦物摻合料、漿骨比、混凝土的溫度和凝結時間等,外部因素包括風速、環境溫度和相對濕度等。通常,控制塑性收縮的方法是降低混凝土表面的失水速率,混凝土夏季施工時表面水分的蒸發速率控制在1kg/(m2•h)以下,可以采取防風、降溫、加入緩凝劑延緩混凝土凝結速率等方法,其中有效的作法是表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養護劑等在終凝前保持混凝土表面濕潤。


(2)自收縮


自收縮是指混凝土或其他水泥基材料在恒溫密封條件下,在表觀體積或長度上的減小;炷脸跄,即使不向外部散失水分,混凝土內部的自由水量也會因水化反應消耗而逐漸減少;封閉狀態的混凝土內部相對濕度隨著水化反應而降低的現象,稱為自干燥作用;自干燥作用導致毛細孔中液面形成彎月面,使毛細孔壓升高而產生毛細孔負壓,引起混凝土的自收縮。


混凝土的自收縮現象早在20世紀30年代就已經發現,當時觀測到的現象是混凝土在恒溫恒重下自身能夠收縮,但是當時的混凝土水膠比大(W/B>0.5),幾乎不摻加礦物摻合料,所以自收縮測定值只有(50~100)×10-6,這與干燥收縮相比小得多,因此一直沒有得到足夠重視。直到20世紀90年代,隨著高效減水劑的使用使配制混凝土可以采用低水膠比,混凝土的自收縮現象才越來越引起人們的關注。當混凝土的水膠比為0.40時,自收縮約占總收縮值的25%,已經不可忽略;當水膠比為0.30時,自收縮約占總收縮值的35%;當水膠比降低到0.19且摻有硅灰時,自收縮占總收縮值的比重高達75%。


產生自收縮的必要條件是內部存在未水化的膠凝材料,充分條件是混凝土中的水分無法滿足內部水化的需要。通?梢圆扇〉囊种苹炷磷允湛s的主要措施有:


礦物外加劑:有大量文獻表明,摻入粉煤灰和石灰石粉可以降低混凝土的自收縮。


使用減縮劑:減縮劑通常為表面活性劑,可以降低水表面張力及凹液面的接觸角,因而降低因自干燥產生的應力,減縮劑同樣可以降低混凝土因干燥產生的自收縮。


充分水養護:充分水養護對減小混凝土的自收縮非常有效,能從根本上減小混凝土的自收縮。


選用適宜的水泥:選用低C3A、C4AF和高C2S的水泥可以降低自收縮。


使用輕骨料:混凝土中摻入浸水的輕骨料,通過輕骨料內部水分在混凝土中水分消耗的情況下繼續向水泥石體系的供應水分,可以在不影響其他性能的情況下有效降低混凝土的自收縮。


(3)干燥收縮


干燥收縮是在不飽和的空氣中由于水分散失引起的不可逆收縮,不同于干濕交替所產生的可逆收縮,通常在混凝土停止潮濕養護后開始產生。其原理是混凝土內部的毛細孔失水形成彎液面,產生負壓而引起收縮,隨著相對濕度的降低,水泥漿體的干燥收縮逐漸增大;炷林兴挚梢源笾聻樽杂伤、物理吸附水(毛細孔水、凝膠孔水)、化學結合水(層間水)。一般認為,混凝土硬化后首先是自由水蒸發(氣孔和>50nm的毛細孔中水),此時不會引起硬化漿體收縮;當濕度進一步降低到40%左右,水泥漿體開始失去較小毛細孔中的水,引起毛細孔中形成彎液面對硬化漿體產生負壓會引起收縮;當濕度進一步降低到30%左右;漿體會失去大部分物理吸附水而引起進一步收縮;當濕度降到11%以下時,漿體會失去化學結合水而產生明顯收縮。通常情況下混凝土不會長期處于能使漿體中C-S-H凝膠失去結合水的極端干熱環境下,所以引起干燥收縮的主要是物理吸附水的散失。


影響混凝土干燥收縮的因素非常多,有水膠比、水泥組成、水泥用量、化學外加劑、礦物摻合料種類和用量、骨料的種類和用量、環境條件、試件尺寸等。有研究認為混凝土的干燥收縮值并不受水膠比的影響,但是事實上,研究中的總收縮包括自收縮和干燥收縮,當水膠比降低時,自收縮增大而干燥收縮減小,使得在研究的試驗條件下總收縮值在數量等級上保持不變。當水泥用量一定時,降低水膠比骨料用量就將增加,水膠比越大,混凝土的收縮越大,骨料用量越大,混凝土的收縮越小。這是因為骨料用量大,膠凝材料用量就少,其產生的化學收縮和自干燥收縮就小,并且骨料能提高混凝土早期的彈性模量,起到骨架作用為使得收縮變形小。


(4)溫度收縮


水泥水化反應會放出熱量,因混凝土是熱的不良導體,內外的散熱效果不同引起內外部的溫度存在差異,基于材料的熱脹冷縮特性,在不同的部位導致不同的體積變化,當這種體積變形差異所引起的拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時,會產生收縮開裂。一般情況下裂縫寬度可達1~4mm,嚴重時出現貫穿裂縫;炷恋臏囟仁湛s與其本身及各成分的熱膨脹系數、內部溫度和降溫速度等因素有關。在沒有約束情況下,混凝土由于溫差引起的收縮是溫差與混凝土的熱膨脹系數的乘積;混凝土的熱膨脹系數與很多因素有關,包括但不限于相對濕度、骨料種類和用量等,一般在(6×10-6~12×10-6/℃),若取10×10-6/℃,則溫度降低20℃所產生的收縮值為2.0×10-4。如果將彈性模量取為30GPa,則因為溫度下降引起的收縮在完全約束下會產生6.0MPa的拉應力,超過混凝土抗拉強度時,就會引起開裂。由于大體積混凝土結構的熱傳導性能差,當混凝土內部溫度仍處于較高溫度或繼續增長時,混凝土的外部溫度可能已接近于環境溫度,此時外層混凝土收縮而內部混凝土不變甚至膨脹,當外層混凝土降溫產生的限制收縮達到一定值時就會產生足以使混凝土開裂的溫度應力。在實際工程中,大體積混凝土中形成的較大的溫度梯度會產生非常大的結構溫差應力。造成混凝土內部溫度升高的原因有原材料自身溫度較高,水泥水化時放出的熱量等,其中水泥水化時放出的熱量是溫度升高的主要原因。另一種溫度應力是由于混凝土各部分不同熱膨脹系數引起的;炷翢崤蛎浵禂凳腔炷羶炔繚穸、骨料種類及用量的函數,一般為0.1×10-4/℃,而水的熱膨脹系數為2.1×10-4/℃,漿體的熱膨脹系數為1.3×10-4/℃,溫度變化不同部分產生的收縮(膨脹)不同,使得毛細孔水的表面張力隨著溫度下降而增大,孔壁受到的收縮力增大導致水泥石的收縮;炷、漿體、骨料和混凝土內部的毛細孔水的熱膨脹系數的差別造成混凝土在降溫的過程中產生局部溫度應力,從而會引起混凝土內部的微裂縫。


這兩種形式的溫度應力在混凝土內部同時存在并疊加,使混凝土承受相當大的溫度內應力,有時甚至比荷載產生的應力還大,導致混凝土內部微裂縫擴展,甚至形成上下貫通裂縫。


(5)化學減縮


水泥水化后,生成物的固相體積增加,但固相和液相(水)的總體積減小,固相物質無法全部填充滿原本由水占據的空間因而引起的體積收縮稱為化學減縮;瘜W減縮是伴隨著水化反應產生的,所有的膠凝材料水化以后都有這種減縮作用;因為水化反應前后的平均密度不同,理論上硅酸鹽水泥漿體完全水化后,體積減縮總量為7%~9%。在水泥硬化的不同階段,化學減縮通過不同的方式表現。在水泥硬化前,新生成的固相體積填充了先前水分占據的空間,使水泥石密實,在此階段混凝土仍然是塑性狀態,化學減縮通過宏觀體積減小的方式表現;在水泥硬化后,混凝土具有一定的彈性模量而不能輕易產生宏觀體積收縮,化學減縮以形成內部孔隙的方式表現。因此,化學減縮在硬化前不影響混凝土塑性階段的性質,硬化后則隨水膠比的不同形成不同孔隙率而影響混凝土的各種力學性質(如強度)和非力學性質(如滲透性);瘜W減縮與水泥的礦物組成密切相關,熟料中各礦物相的減縮程度存在差異,其中鋁酸三鈣礦物水化后的化學減縮大,約為硅酸鹽礦物(C3S和C2S)減縮的3倍,因此使用鋁酸三鈣熟料礦物含量低的水泥是減小水泥化學減縮的有效措施。


(6)碳化收縮


碳化收縮是指混凝土在大氣中由于碳化作用引起的收縮。碳化作用是指大氣中的CO2在有水分存在的條件下與混凝土中的水化產物發生化學中和反應生成CaCO3和水等產物。因為反應后的產物體積較反應前的小而引起水泥石收縮,稱為碳化收縮。


碳化首先發生于Ca(OH)2,反應生成CaCO3,導致體積收縮。因為Ca(OH)2濃度的減小使得水泥石中的堿度降低,繼而其他水化物(如C-S-H及C3A·3CaSO4·32H2O)也與CO2反應生成CaCO3等產物,導致體積收縮。


碳化速度取決于混凝土的含水量、混凝土孔溶液的pH值、環境相對濕度以及空氣中CO2的濃度;炷羶炔康奶蓟饔弥辉诤线m的相對濕度(約50%)下才會比較快地進行。這是因為相對濕度過高(例如相對濕度100%時),混凝土孔隙中被水分充滿,CO2很難通過孔隙擴散至水泥反應產物中去,而且水泥石中的Ca2-會通過水分擴散到混凝土表面,并且快速碳化生成CaCO3把空隙堵塞,使得碳化作用難以進行,故碳化收縮較小;相反,相對濕度過低時(例如25%時),由于碳化作用需要水分,而此時孔隙中沒有足夠的水分,碳化作用也不易進行,碳化收縮相應也較小。


實際上,混凝土所處的環境條件非常復雜,其收縮變形并不是由某一單獨的因素造成的,一般都是幾種原因引起的幾種收縮變形共同疊加作用的結果。例如,自收縮在混凝土的收縮中是肯定會發生的,只是其收縮量的大小及對總收縮量的影響不同,很難完全區分開來


 
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