混凝土收縮專題

1、混凝土收縮專題我國著名裂縫控制專家王鐵夢教授總結(jié)分析個人經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外的調(diào)查資料認(rèn)為：“工程實(shí)踐中結(jié)構(gòu)物的裂縫原因，屬于變形變化(溫度、收縮、不均勻沉陷)引起的約占80%以上；屬于由荷載引起的約占20%左右”?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用前，即在施工期間經(jīng)常產(chǎn)生裂縫，此時(shí)，結(jié)構(gòu)通常尚未承受正常使用情況下的全部荷載，這種裂縫多因間接作用如，非荷載變形(收縮、溫度等)引起，屬于王鐵夢教授所談及的80%裂縫。則將這種在施工期間主要因間接作用(收縮、溫度等)引起的裂縫稱作混凝土“施工期間間接裂縫”?；炷潦┕て陂g間接裂縫多發(fā)生在混凝土澆筑后的數(shù)天或十幾天的時(shí)間段內(nèi)，也有在澆筑完畢的幾個月后仍主要因間接作用產(chǎn)

2、生裂縫的，但與后續(xù)正常使用狀態(tài)的長時(shí)期相比，施工期間間接裂縫可稱作“早期裂縫”。 導(dǎo)致施工期間間接裂縫出現(xiàn)的一個主要原因在于混凝土的收縮。自20世紀(jì)90年代推廣商品混凝土以及相應(yīng)的混凝土泵送施工工藝以來，收縮量已增大到400500微米；免振的自流平混凝土甚至已達(dá)到8001000微米，甚至更大；而傳統(tǒng)混凝土的總收縮量不超過300微米。造成收縮量大幅增加的原因在于為了滿足泵送、免振等新的施工工藝對混凝土的原材料及配合比作了很大的調(diào)整；粗骨料（石子）減少粒徑也大幅度減??；細(xì)骨料（砂）、粉劑（水泥、礦粉等）含量大大增加；大量使用摻合料、外加劑等。組成成分的變化，造成了混凝土體積穩(wěn)定性變化，收縮量大幅度

3、增加。u膠凝收縮（自收縮） 水泥漿膠體只有結(jié)晶固化而形成水泥石，并將粗、細(xì)骨料粘結(jié)而形成受力骨架以后，才能承受力。在此膠凝（結(jié)晶）過程中混凝土體積大幅度減小。有關(guān)研究測試表明，水泥凈漿硬結(jié)后收縮應(yīng)變?yōu)椋?5006000微米），平均約為3000微米，由此而引起混凝土體積減小，就形成了混凝土內(nèi)部的裂縫。這種裂縫大多分布在沿骨料的周邊，也可能發(fā)生在水泥石中。但由于這種裂隙比較細(xì)小，而且互相不連通，因此大多數(shù)呈彌散狀態(tài)分布。u 干燥收縮 水泥水化所需的真正耗水量并不多。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)所確定的用水量，除水化作用需要而消耗掉的部分以外，其余的多是為了滿足攪拌、運(yùn)輸、泵送、振搗時(shí)拌合物和易性（工作度）的要求

4、。這部分未被水化消耗掉的水，在澆筑振搗完成以后，有些通過毛細(xì)作用泌水蒸發(fā)；另一部分則被吸附作用束縛在混凝土內(nèi)供長期水化之用；其余部分在長期干燥環(huán)境中逐漸逸出揮發(fā)。失水造成的空隙以及毛細(xì)孔內(nèi)水的表面張力，均造成了混凝土的體積收縮。干燥收縮多發(fā)生在結(jié)構(gòu)的表面，這也是混凝土形成表面裂縫的原因之一。u碳化收縮 混凝土中的氫氧化鈣與空氣中的水、二氧化碳反應(yīng)而生成碳酸鈣，這個過程稱為混凝土的“碳化”。碳化過程長期、持續(xù)地由混凝土表面向內(nèi)發(fā)展，最終將消除鋼筋表面堿性的鈍化膜而使其銹蝕，同時(shí)碳化作用本身也引起表層混凝土體積的縮小而可能造成收縮。各種可能的影響因素及各收縮模式考慮的因素如表所示注釋：國內(nèi)模式王鐵

5、夢教授模式 ACI美國混凝土學(xué)會 CEB-FIB歐洲混凝土委員會/國際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合會 B-PBazant-Panuala BS5400英國模式該模式主要考慮了水泥品種、水泥細(xì)度、骨料種類、水灰比、水泥漿量、初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間、使用環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸、操作方法及配筋率十種影響因素。但是該估算模式?jīng)]有考慮到施工環(huán)境中的風(fēng)速與溫度對混凝土收縮的影響，而這兩個因素在實(shí)際的施工環(huán)境中是無法忽略的，在王鐵夢教授的建議與指導(dǎo)下，本文對風(fēng)速與環(huán)境溫度給混凝土早期收縮所造成的影響展開試驗(yàn)研究。 同時(shí)，基于已有的試驗(yàn)資料及工程現(xiàn)象顯示，混凝土收縮的主要驅(qū)動力在于混凝土內(nèi)部濕度的變化。研究混凝土內(nèi)部濕度隨著時(shí)間的變化規(guī)律是

6、探討混凝土收縮的基礎(chǔ)，因此本文在測量試件收縮的同時(shí)亦測量了其內(nèi)部濕度。 試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同的風(fēng)速和溫度對混凝土早期收縮的影響，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要在試驗(yàn)的過程中嚴(yán)格控制環(huán)境條件，排除環(huán)境因素的干擾。同時(shí)，從施工學(xué)科的角度出發(fā)，不將收縮變形進(jìn)行嚴(yán)格劃分，只考慮宏觀收縮。風(fēng)由砂漿抗裂測試室內(nèi)的三個大功率電風(fēng)扇提供，調(diào)整試件組距離電風(fēng)扇的檔數(shù)和距離可獲得不同的風(fēng)速。利用風(fēng)速儀對風(fēng)扇的風(fēng)速進(jìn)行測試，結(jié)果顯示每臺風(fēng)扇所能提供的最高風(fēng)速達(dá)9m/s，即國家風(fēng)力等級中的五級風(fēng)。為了研究不同風(fēng)速對混凝土收縮所產(chǎn)生的影響，將風(fēng)扇風(fēng)速進(jìn)行劃分為三個等級，即3m/s、6m/s、9m/s。而室內(nèi)環(huán)境溫度則主要依

7、靠室內(nèi)空調(diào)進(jìn)行控制，本次試驗(yàn)室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)為12、22、32三個不同溫度。為了保證兩個房間的濕度一致，利用溫濕度計(jì)進(jìn)行測量并通過每個房間內(nèi)的除濕機(jī)對室內(nèi)濕度進(jìn)行調(diào)控，每日早中晚各進(jìn)行一次。 試件組設(shè)計(jì) 由于試驗(yàn)場地及試驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，本次試驗(yàn)分為兩次進(jìn)行。根據(jù)普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T500822009），測試混凝土收縮的標(biāo)準(zhǔn)條件為溫度（20+2）、相對濕度為（60+5）%的恒溫恒濕環(huán)境，結(jié)合王教授計(jì)算公式的試驗(yàn)環(huán)境，第一批試件組環(huán)境條件設(shè)計(jì)如表4.1所示。u 混凝土收縮測試方法 混凝土收縮測試方法包括非接觸法和接觸法。由于非接觸法收縮變形測量儀在測試過程中始終處于監(jiān)測狀

8、態(tài)，如果采用此方法來測試混凝土28天收縮，則難以做到一對位移傳感器在短期內(nèi)即可進(jìn)行多個試件的測試，因此，本試驗(yàn)測試方法選擇接觸法，即利用千分表測量試件在長度方向的變化量。接觸法適用于測定在無約束和規(guī)定的溫濕度條件下硬化混凝土試件的收縮變形性能。規(guī)范中使用接觸法要求試件應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3天，達(dá)到3天齡期（從混凝土攪拌加水時(shí)算起）后開始測量試件的收縮值，即以3天齡期混凝土的收縮值為測量起點(diǎn)。利用接觸法測得的收縮值主要是混凝土干燥收縮值，顯然忽略了絕大部分的自收縮。而現(xiàn)代商品混凝土前3天的自收縮值已不容忽視，因此，本試驗(yàn)為了測試到大部分的自收縮，試件自混凝土攪拌加水算起到24小時(shí)則拆模開始測量試件

9、收縮值。u試件尺寸根據(jù)普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T500822009），收縮試驗(yàn)試件尺寸的要求為100mm100mm515mm的棱柱體，每組應(yīng)為3個試件。u試件強(qiáng)度設(shè)計(jì)以工程實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，混凝土強(qiáng)度和和易性（主要體現(xiàn)為坍落度）是我國當(dāng)前結(jié)構(gòu)安全和施工性能的兩個最主要指標(biāo)，試驗(yàn)在固定強(qiáng)度和和易性的基礎(chǔ)上開展試驗(yàn)研究。在強(qiáng)度和和易性一定的情況下，試驗(yàn)、分析單個因素（風(fēng)速、溫度）對混凝土收縮性能的影響，得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對指導(dǎo)工程實(shí)踐具有更大和更直接的意義。本次試驗(yàn)的混凝土強(qiáng)度等級選擇在工程實(shí)踐中使用較多的C40，而泵送混凝土坍落度通常控制在200mm左右，故對試驗(yàn)的混凝土坍落

10、度要求為200+20mm。 圖圖4.13 13 第一批試件試驗(yàn)場景實(shí)況第一批試件試驗(yàn)場景實(shí)況 圖圖4.14 14 第二批試件試驗(yàn)場景實(shí)況第二批試件試驗(yàn)場景實(shí)況風(fēng)速與環(huán)境溫度對混凝土早期收縮影響的試驗(yàn)結(jié)果分析風(fēng)速與環(huán)境溫度對混凝土早期收縮影響的試驗(yàn)結(jié)果分析n 基礎(chǔ)力學(xué)性能試驗(yàn) 根據(jù)試驗(yàn)所得的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度繪制強(qiáng)度隨齡期變化曲線圖5.1。從圖5.1可以看到，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度伴隨著齡期的增長而增大，特別在前面7天，強(qiáng)度發(fā)展尤其迅速。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組第3天、7天的混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28天強(qiáng)度的44.6%、81.2%；無風(fēng)環(huán)境下，第3天、7天的混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28天強(qiáng)度的40.2%、89.

11、1%；風(fēng)速3m/s環(huán)境下，第3天、7天的混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28天強(qiáng)度的33.5%、92.8%；風(fēng)速6m/s環(huán)境下，第3天、7天圖圖5.1 5.1 混凝土立方體強(qiáng)度發(fā)展曲線混凝土立方體強(qiáng)度發(fā)展曲線的混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28天強(qiáng)度的34.3%、74.2%；風(fēng)速9m/s環(huán)境下，第3天、7天的混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28天強(qiáng)度的29.6%、72%。可見該五組試塊的第7天強(qiáng)度均在28天強(qiáng)度值的70%以上，證明了前7天是混凝土水化反應(yīng)的最活躍時(shí)期，混凝土強(qiáng)度快速增長。因此，混凝土早齡期（尤其是前7天）是其抗壓強(qiáng)度發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)給予充分重視。 對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與風(fēng)速0m/s兩組的抗壓強(qiáng)度值，可發(fā)

12、現(xiàn)處于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的強(qiáng)度比后者要大，這是由于前者所處的環(huán)境濕度比后者高，其水化反應(yīng)更充分，則混凝土強(qiáng)度則越高。同時(shí)，比較風(fēng)速0m/s、3m/s、6m/s、9m/s四組處于相同溫度與濕度環(huán)境下的混凝土抗壓強(qiáng)度值，能得出風(fēng)速越大，28天的抗壓強(qiáng)度值越低的結(jié)論。原因在于風(fēng)越大，在相同時(shí)間內(nèi)從混凝土中帶走的水分越多，對其早期水化反應(yīng)影響越大。所以，在有風(fēng)的施工環(huán)境下，混凝土澆筑完畢后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，防止水分大量散失，確?；炷聊軌蛴凶銐蛩诌M(jìn)行充分的水化反應(yīng)。 不同風(fēng)速對混凝土不同風(fēng)速對混凝土28天自由收縮的影響天自由收縮的影響圖圖5.10 5.10 有風(fēng)環(huán)境下各組試件收縮對比有風(fēng)環(huán)境下各組試件

13、收縮對比 綜合對3m/s、6m/s、9m/s風(fēng)速對混凝土28天自由收縮影響的分析，可以得出風(fēng)速對混凝土早期收縮是有影響的結(jié)論。4組混凝土試件在前7天的收縮值均占其28天收縮總值的50%以上，而有風(fēng)的情況下收縮發(fā)展更迅速，這是由于在風(fēng)的作用下加快了混凝土試件水分的揮發(fā)，造成其內(nèi)部濕度下降，而混凝土收縮的主要驅(qū)動力就在于其內(nèi)部濕度的減小，這就解釋了在有風(fēng)的環(huán)境下混凝土試件28天總收縮值比無風(fēng)環(huán)境下的大。同時(shí)，在3m/s、6m/s、9m/s風(fēng)速條件的試件組與參照組的收縮差值最大值均出現(xiàn)在前7天，之后隨著齡期發(fā)展收縮值減小。從圖5.10可以發(fā)現(xiàn)，在相同溫度與濕度的環(huán)境下，風(fēng)速越大，混凝土第28天的收縮

14、值越大，3m/s、6m/s、9m/s風(fēng)速組第28天總收縮值分別是參照組的1.04倍、1.11倍、1.14倍。而當(dāng)溫度上升到32時(shí)，9m/s風(fēng)速組第28天總收縮值是其參照組的1.09倍，相對于22時(shí)略有減小，但在第28天收縮差值仍有增大的趨勢。則利用所得數(shù)據(jù)擬合混凝土在有風(fēng)環(huán)境下收縮修正系數(shù)M11公式5.1。 n 不同環(huán)境溫度對混凝土不同環(huán)境溫度對混凝土28天自由收縮的影響天自由收縮的影響圖圖5.15 5.15 不同溫度環(huán)境下各組試件收縮對比不同溫度環(huán)境下各組試件收縮對比綜合上述分析與圖5.15，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度越高，混凝土收縮越大。各組混凝土試件在不同的溫度環(huán)境下，造成其內(nèi)部的水化反應(yīng)快慢不同

15、。當(dāng)溫度較高時(shí)，混凝土內(nèi)部前3天的各種化學(xué)反應(yīng)速度較快，則使自收縮發(fā)展更快，同時(shí)，混凝土與周圍環(huán)境的水分交換速率在高溫的作用下得到提升，進(jìn)而令干燥收縮值增大，因此，混凝土早期收縮速率較大。隨著齡期的發(fā)展，混凝土內(nèi)部的各種化學(xué)反應(yīng)結(jié)束或逐步減弱，其水化相減少，即孔隙水大部分散失，故混凝土從第7到第28天的收縮速率相對于前7天減小許多，可以預(yù)測后期收縮更為緩慢。當(dāng)溫度較低時(shí)，混凝土化學(xué)反應(yīng)及與外界的濕交換率較慢，則導(dǎo)致其早期混凝土收縮也較緩慢。在12、22(參照組）、32的環(huán)境溫度下，各組試件的28天混凝土總收縮值分別為170m、202m、273m，則12、32環(huán)境條件下的28天收縮值是參照組的0

16、.84倍、1.35倍。則使用王鐵夢教授收縮計(jì)算模式考慮施工期的混凝土收縮值時(shí)，建議增加考慮溫度修正系數(shù)M12。當(dāng)t=12時(shí)，M12=0.84；t=22時(shí)，M12=1；t=32時(shí)，M12=1.35。當(dāng)環(huán)境溫度處于上述值之間時(shí)，可以采用插值法求M12?；炷潦湛s與其內(nèi)部濕度關(guān)系研究測量混凝土收縮的同時(shí)記錄混凝土內(nèi)部濕度值，由于有部分探頭在28天試驗(yàn)過程中失效，只完整測試到參照組、6m/s風(fēng)速組及32組的數(shù)據(jù)。以混凝土收縮為縱坐標(biāo)，其內(nèi)部對應(yīng)濕度為橫坐標(biāo)繪圖并線性擬合如圖5.16、5.17、5.18。5.16 5.16 參照組混凝土收縮與其內(nèi)部濕度關(guān)系圖參照組混凝土收縮與其內(nèi)部濕度關(guān)系圖5.17 6

17、m/s5.17 6m/s組混凝土收縮與其內(nèi)部濕度關(guān)系圖組混凝土收縮與其內(nèi)部濕度關(guān)系圖5.18 325.18 32組混凝土收縮與其內(nèi)部濕度關(guān)系圖組混凝土收縮與其內(nèi)部濕度關(guān)系圖混凝土收縮與其內(nèi)部濕度密切關(guān)聯(lián)，已有資料顯示，兩者之間呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)性較強(qiáng)。從圖5.16可以看到，在測試混凝土收縮標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的混凝土試件收縮與其內(nèi)部濕度具有良好線性關(guān)系，與已有結(jié)論是相符的。但從圖5.17、5.18可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，混凝土收縮與其內(nèi)部濕度的線性相關(guān)度下降，而在有風(fēng)條件下，擬合度最小。同時(shí)，可以得到以下結(jié)論，28天齡期混凝土收縮值越大，其內(nèi)部濕度值越小?；炷猎嚰?nèi)部濕度的降低是化學(xué)反應(yīng)消耗了水和水分散失共同造成的結(jié)果?；炷聊Y(jié)后，由膠凝材料的水化作用引起的體積收縮部分表現(xiàn)為宏觀體積收縮。在混凝土攪拌成型初期，其內(nèi)部水分充足，因而內(nèi)部濕度接近100%。