混凝土干縮的物理力學(xué)機(jī)制描述

　　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3～90d 齡期內(nèi)，事實(shí)上，文獻(xiàn)[ 1 ]的研究表明，若養(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?；诿?xì)孔理論展開的。對此，本文將結(jié)合作者的一點(diǎn)認(rèn)識重新加以闡述，希望寄此能對干縮有更清晰深入的認(rèn)識。

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0.5～2.5nm 的凝膠孔） ，這些微細(xì)孔中儲存有水化未消耗的多余水分?；炷粮稍锏臅r候，水的蒸發(fā)速度可能超過混凝土向外泌水遷移的速度，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，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，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ΔP（圖1c） ，由于這一壓力差的存在，促使凝膠顆粒間產(chǎn)生一個氣液彎月面。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σ 的共同作用下形成短暫的動態(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)。

　　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。凝膠顆粒通過對彎月面提供表面張力σ 使其受力得以平衡，而彎月面則將表面張力σ′ 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。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)理分析，收縮拉力σs 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σcosθ， 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ΔP 的作用域?yàn)檎麄€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dβ的微元，根據(jù)豎向的受力平衡有如下等式成立：
　　　　　　
　　　　　
　　　　

　對上式中β角從0 ～ 2π積分得到：

　　另外，收縮拉力（毛細(xì)孔負(fù)壓） 也可以用孔隙內(nèi)的相對濕度（RH） 來表征。Kelvin 方程給出了如下孔隙相對濕度與孔徑的關(guān)系：

　　　　　　
　　式中： Ф為相對濕度； M 為水的摩爾質(zhì)量（18gPmol） ；ρ為水的密度（1 000kg/m3 ） ； R 為氣體常數(shù)（8.314J/（mol·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)壓與相對濕度的關(guān)系：　　　　　　

　　上述理論公式的推導(dǎo)也證明了毛細(xì)管負(fù)壓隨內(nèi)部相對濕度的降低而降低。根據(jù)C. Hua 等對硬化水泥石收縮模型的研究，當(dāng)水泥漿體中內(nèi)部相對濕度由100 %降低到80 %時，毛細(xì)孔負(fù)壓將從0 增加到30MPa 。當(dāng)降至60 %以下時，毛細(xì)孔負(fù)壓將發(fā)展到100MPa 以上。

3 　影響干縮的重要因素

　　從上述分析可以看出，影響干縮的3 個重要因素是水灰比、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，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（0.2 < 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間接地影響混凝土的自由收縮。骨料因?yàn)橄鄬^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