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分析個人經(jīng)驗和國內外的調查資料認為：“工程實踐中結構物的裂縫原因，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)澆混凝土結構在正常使用前，即在施工期間經(jīng)常產生裂縫，此時，結構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)天或十幾天的時間段內，也有在澆筑完畢的幾個月后仍主要因間接作用產

2、生裂縫的，但與后續(xù)正常使用狀態(tài)的長時期相比，施工期間間接裂縫可稱作“早期裂縫”。 導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90年代推廣商品混凝土以及相應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整；粗骨料（石子）減少粒徑也大幅度減??；細骨料（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） 水泥漿膠體只有結晶固化而形成水泥石，并將粗、細骨料粘結而形成受力骨架以后，才能承受力。在此膠凝（結晶）過程中混凝土體積大幅度減小。有關研究測試表明，水泥凈漿硬結后收縮應變?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。在配合比設計時所確定的用水量，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、運輸、泵送、振搗時拌合物和易性（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，有些通過毛細作用泌水蒸發(fā)；另一部分則被吸附作用束縛在混凝土內供長期水化之用；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孔內水的表面張力，均造成了混凝土的體積收縮。干燥收縮多發(fā)生在結構的表面，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：國內模式王鐵

5、夢教授模式 ACI美國混凝土學會 CEB-FIB歐洲混凝土委員會/國際預應力聯(lián)合會 B-PBazant-Panuala BS5400英國模式該模式主要考慮了水泥品種、水泥細度、骨料種類、水灰比、水泥漿量、初期養(yǎng)護時間、使用環(huán)境濕度、構件尺寸、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)境中的風速與溫度對混凝土收縮的影響，而這兩個因素在實際的施工環(huán)境中是無法忽略的，在王鐵夢教授的建議與指導下，本文對風速與環(huán)境溫度給混凝土早期收縮所造成的影響展開試驗研究。 同時，基于已有的試驗資料及工程現(xiàn)象顯示，混凝土收縮的主要驅動力在于混凝土內部濕度的變化。研究混凝土內部濕度隨著時間的變化規(guī)律是

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

7、靠室內空調進行控制，本次試驗室內溫度設計為12、22、32三個不同溫度。為了保證兩個房間的濕度一致，利用溫濕度計進行測量并通過每個房間內的除濕機對室內濕度進行調控，每日早中晚各進行一次。 試件組設計 由于試驗場地及試驗設備數(shù)量有限，本次試驗分為兩次進行。根據(jù)普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準（GB/T500822009），測試混凝土收縮的標準條件為溫度（20+2）、相對濕度為（60+5）%的恒溫恒濕環(huán)境，結合王教授計算公式的試驗環(huán)境，第一批試件組環(huán)境條件設計如表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即可進行多個試件的測試，因此，本試驗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在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護3天，達到3天齡期（從混凝土攪拌加水時算起）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。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方法標準（GB/T500822009），收縮試驗試件尺寸的要求為100mm100mm515mm的棱柱體，每組應為3個試件。u試件強度設計以工程實際應用為出發(fā)點，混凝土強度和和易性（主要體現(xiàn)為坍落度）是我國當前結構安全和施工性能的兩個最主要指標，試驗在固定強度和和易性的基礎上開展試驗研究。在強度和和易性一定的情況下，試驗、分析單個因素（風速、溫度）對混凝土收縮性能的影響，得出的試驗數(shù)據(jù)對指導工程實踐具有更大和更直接的意義。本次試驗的混凝土強度等級選擇在工程實踐中使用較多的C40，而泵送混凝土坍落度通?？刂圃?00mm左右，故對試驗的混凝土坍落

10、度要求為200+20mm。 圖圖4.13 13 第一批試件試驗場景實況第一批試件試驗場景實況 圖圖4.14 14 第二批試件試驗場景實況第二批試件試驗場景實況風速與環(huán)境溫度對混凝土早期收縮影響的試驗結果分析風速與環(huán)境溫度對混凝土早期收縮影響的試驗結果分析n 基礎力學性能試驗 根據(jù)試驗所得的混凝土立方體抗壓強度繪制強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度伴隨著齡期的增長而增大，特別在前面7天，強度發(fā)展尤其迅速。標準養(yǎng)護組第3天、7天的混凝土抗壓強度分別達到28天強度的44.6%、81.2%；無風環(huán)境下，第3天、7天的混凝土抗壓強度分別達到28天強度的40.2%、89.

11、1%；風速3m/s環(huán)境下，第3天、7天的混凝土抗壓強度分別達到28天強度的33.5%、92.8%；風速6m/s環(huán)境下，第3天、7天圖圖5.1 5.1 混凝土立方體強度發(fā)展曲線混凝土立方體強度發(fā)展曲線的混凝土抗壓強度分別達到28天強度的34.3%、74.2%；風速9m/s環(huán)境下，第3天、7天的混凝土抗壓強度分別達到28天強度的29.6%、72%?？梢娫撐褰M試塊的第7天強度均在28天強度值的70%以上，證明了前7天是混凝土水化反應的最活躍時期，混凝土強度快速增長。因此，混凝土早齡期（尤其是前7天）是其抗壓強度發(fā)展的關鍵時期，在施工中應給予充分重視。 對比標準養(yǎng)護與風速0m/s兩組的抗壓強度值，可發(fā)

12、現(xiàn)處于標準養(yǎng)護環(huán)境下的強度比后者要大，這是由于前者所處的環(huán)境濕度比后者高，其水化反應更充分，則混凝土強度則越高。同時，比較風速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度值，能得出風速越大，28天的抗壓強度值越低的結論。原因在于風越大，在相同時間內從混凝土中帶走的水分越多，對其早期水化反應影響越大。所以，在有風的施工環(huán)境下，混凝土澆筑完畢后應及時進行覆蓋養(yǎng)護，防止水分大量散失，確?；炷聊軌蛴凶銐蛩诌M行充分的水化反應。 不同風速對混凝土不同風速對混凝土28天自由收縮的影響天自由收縮的影響圖圖5.10 5.10 有風環(huán)境下各組試件收縮對比有風環(huán)境下各組試件

13、收縮對比 綜合對3m/s、6m/s、9m/s風速對混凝土28天自由收縮影響的分析，可以得出風速對混凝土早期收縮是有影響的結論。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，而有風的情況下收縮發(fā)展更迅速，這是由于在風的作用下加快了混凝土試件水分的揮發(fā)，造成其內部濕度下降，而混凝土收縮的主要驅動力就在于其內部濕度的減小，這就解釋了在有風的環(huán)境下混凝土試件28天總收縮值比無風環(huán)境下的大。同時，在3m/s、6m/s、9m/s風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，風速越大，混凝土第28天的收縮

14、值越大，3m/s、6m/s、9m/s風速組第28天總收縮值分別是參照組的1.04倍、1.11倍、1.14倍。而當溫度上升到32時，9m/s風速組第28天總收縮值是其參照組的1.09倍，相對于22時略有減小，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，造成其內部的水化反應快慢不同

15、。當溫度較高時，混凝土內部前3天的各種化學反應速度較快，則使自收縮發(fā)展更快，同時，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，混凝土內部的各種化學反應結束或逐步減弱，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，可以預測后期收縮更為緩慢。當溫度較低時，混凝土化學反應及與外界的濕交換率較慢，則導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算模式考慮施工期的混凝土收縮值時，建議增加考慮溫度修正系數(shù)M12。當t=12時，M12=0.84；t=22時，M12=1；t=32時，M12=1.35。當環(huán)境溫度處于上述值之間時，可以采用插值法求M12?；炷潦湛s與其內部濕度關系研究測量混凝土收縮的同時記錄混凝土內部濕度值，由于有部分探頭在28天試驗過程中失效，只完整測試到參照組、6m/s風速組及32組的數(shù)據(jù)。以混凝土收縮為縱坐標，其內部對應濕度為橫坐標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部濕度關系圖參照組混凝土收縮與其內部濕度關系圖5.17 6

17、m/s5.17 6m/s組混凝土收縮與其內部濕度關系圖組混凝土收縮與其內部濕度關系圖5.18 325.18 32組混凝土收縮與其內部濕度關系圖組混凝土收縮與其內部濕度關系圖混凝土收縮與其內部濕度密切關聯(lián)，已有資料顯示，兩者之間呈良好的線性關系，相關性較強。從圖5.16可以看到，在測試混凝土收縮標準環(huán)境下的混凝土試件收縮與其內部濕度具有良好線性關系，與已有結論是相符的。但從圖5.17、5.18可以發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境條件改變時，混凝土收縮與其內部濕度的線性相關度下降，而在有風條件下，擬合度最小。同時，可以得到以下結論，28天齡期混凝土收縮值越大，其內部濕度值越小?；炷猎嚰炔繚穸鹊慕档褪腔瘜W反應消耗了水和水分散失共同造成的結果?；炷聊Y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，其內部水分充足，因而內部濕度接近100%。