高性能混凝土的自身收縮
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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(rèn)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(yīng)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(yīng)的進行而逐漸形成的, 因此, 稱這種體積的縮小為化學(xué)收縮。化學(xué)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(xué)收縮是自身收縮的根源和驅(qū)動力。
水泥和水反應(yīng)的初始階段, 水泥顆粒體積微小, 相互之間的水作為介質(zhì)在一定程度上起潤滑作用, 內(nèi)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(dāng)水泥水化反應(yīng)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(gòu)成了自支撐骨架, 水泥灰漿失去了流動性, 發(fā)生凝結(jié), 進入了水泥的硬化過程。此后與水化反應(yīng)相伴的化學(xué)收縮所導(dǎo)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(yīng)的水, 這些水和尚未反應(yīng)的水泥顆粒反應(yīng), 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(zhì)交換, 質(zhì)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(xué)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(dāng)中, 數(shù)值還較小,在約束力的作用下, 極易發(fā)生開裂, 對應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中, 還是理論性的探討, 一直不為人們所重視。到了上世紀(jì)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(yīng)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(jì)90 年代的中期, 混凝土的自身收縮才受到普遍的關(guān)注。
高強高性能混凝土技術(shù)的一個關(guān)鍵點是高效減水劑的應(yīng)用, 不僅使新拌混凝土在較低的水- 粘結(jié)料比下, 具有很好的工作性, 而且由于低水- 粘結(jié)料比使硬化高強高性能混凝土和較高水- 粘結(jié)料比的普通混凝土相比, 具有密實的微結(jié)構(gòu)。這種微結(jié)構(gòu)的不同是高強高性能混凝土不同于普通混凝土的基礎(chǔ)?；炷恋挠不^程顯然也會受到不同水- 粘結(jié)料比的影響, 其中重要的一點就是自身收縮會因為水- 粘結(jié)料比的降低而變得嚴(yán)重。
高水- 粘結(jié)料比混凝土的化學(xué)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(jié)得很好, 當(dāng)水泥水化反應(yīng)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(yīng)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(jié)料比混凝土發(fā)生化學(xué)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(jié)料比越低, 收縮孔越細小, 并且相互間不能很好地聯(lián)結(jié), 許多孔各自相互獨立, 水化反應(yīng)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(jié)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(yīng)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(jié)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(dāng)水- 粘結(jié)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(jié)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(jié)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(yīng)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(nèi)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(jié)時就開始了, 所以外部水養(yǎng)護應(yīng)盡早進行。
內(nèi)部水養(yǎng)護可以用預(yù)浸濕的輕集料為水源。和外部水養(yǎng)護相比, 內(nèi)部水養(yǎng)護有以下兩個優(yōu)點: 首先, 高強高性能混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng), 仍然有發(fā)生自身收縮的可能; 內(nèi)部水養(yǎng)護時, 水源間距可以調(diào)節(jié), 從而克服滲透性低的問題。此外就是內(nèi)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(nèi)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(nèi)部水養(yǎng)護也應(yīng)注意三個問題: 一是在新拌混凝土中摻加輕集料不應(yīng)影響混凝土的工作性; 再就是含水輕集料在混凝土中應(yīng)均勻地分布; 最后是添加輕集料, 不應(yīng)降低對混凝土的強度要求。
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