高性能混凝土的自身收縮

1 水泥灰漿的自身收縮

    在混凝土的形成過(guò)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(shí)際上是水泥灰漿經(jīng)過(guò)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(jìn)行而逐漸形成的, 因此, 稱這種體積的縮小為化學(xué)收縮?；瘜W(xué)收縮是一種微觀意義上的絕對(duì)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(dòng)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(rùn)滑作用, 內(nèi)摩擦阻力很小, 水泥灰漿呈流動(dòng)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(dòng)會(huì)越來(lái)越困難。當(dāng)水泥水化反應(yīng)進(jìn)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(dòng)性, 發(fā)生凝結(jié), 進(jìn)入了水泥的硬化過(guò)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(huì)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(méi)有外部水源補(bǔ)充, 收縮孔中的相對(duì)濕度就會(huì)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(gè)過(guò)程中體系和外界沒(méi)有物質(zhì)交換, 質(zhì)量沒(méi)有損失, 這個(gè)過(guò)程被稱之為自干燥( Self- des ication) 。自干燥會(huì)在毛細(xì)孔中形成月牙形水面( 見(jiàn)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(guò)程中。這個(gè)階段, 水泥灰漿的強(qiáng)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(kāi)裂, 對(duì)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(duì)體積會(huì)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(zhǎng)期以來(lái), 混凝土的自身收縮無(wú)論是在實(shí)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(qiáng)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(lái)。但是, 這時(shí)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(qiáng)高性能混凝土技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(qiáng)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(shí)的微結(jié)構(gòu)。這種微結(jié)構(gòu)的不同是高強(qiáng)高性能混凝土不同于普通混凝土的基礎(chǔ)。混凝土的硬化過(guò)程顯然也會(huì)受到不同水- 粘結(jié)料比的影響, 其中重要的一點(diǎn)就是自身收縮會(huì)因?yàn)樗? 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(xì)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(shí), 體系中的水會(huì)重新分布, 粗大孔中的水會(huì)向細(xì)小的孔中遷移, 使其始終保持充滿的狀態(tài), 不會(huì)發(fā)生自干燥形成月牙水表面, 細(xì)孔壁就不會(huì)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(huì)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(huì)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(xì)小, 并且相互間不能很好地聯(lián)結(jié), 許多孔各自相互獨(dú)立, 水化反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行時(shí), 細(xì)小的孔因無(wú)水源補(bǔ)充, 水損失后就會(huì)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(yàn)結(jié)果表明, 水灰比在0.61 和0.94 之間的混凝土, 經(jīng)過(guò)5年硬化后, 自身收縮應(yīng)變?cè)?0×10-6～110×10-6 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(huì)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(shí), 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(qiáng)高性能混凝土自身收縮的抑制

    高強(qiáng)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(bǔ)充微小毛細(xì)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(xì)孔壁所造成的。降低毛細(xì)孔月牙表面水張力, 或者補(bǔ)充水源的養(yǎng)護(hù)方法, 都可以抑制高強(qiáng)高性能混凝土的自身收縮。毛細(xì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。減縮劑是一種表面活性劑。

    補(bǔ)充水源的養(yǎng)護(hù)可分為外部水養(yǎng)護(hù)和內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)。外部水養(yǎng)護(hù)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(shí)就開(kāi)始了, 所以外部水養(yǎng)護(hù)應(yīng)盡早進(jìn)行。

    內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)可以用預(yù)浸濕的輕集料為水源。和外部水養(yǎng)護(hù)相比, 內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): 首先, 高強(qiáng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)較密實(shí), 存在滲透性低的問(wèn)題, 外部水養(yǎng)護(hù)時(shí), 離表面較遠(yuǎn)的部分, 不能及時(shí)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(hù)時(shí), 水源間距可以調(diào)節(jié), 從而克服滲透性低的問(wèn)題。此外就是內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)充水源是加入到混凝土中的, 在整個(gè)硬化過(guò)程都不斷地向體系供給水, 沒(méi)有外部水養(yǎng)護(hù)可能會(huì)發(fā)生補(bǔ)充水延遲或時(shí)間不足的問(wèn)題。因此, 內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)是比外部水養(yǎng)護(hù)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(hù)也應(yīng)注意三個(gè)問(wèn)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(duì)混凝土的強(qiáng)度要求。