孔溶液對水泥石干燥收縮的影響及其機理

王春蘭

（重慶建工新型建材有限公司 重慶 400074）

1 緒論

混凝土是當前世界上用量最大的主要建筑結構材料，如何最大限度地克服其性能缺點，尤其如何增強其耐久性已成為當前研究的熱點。變形開裂引起的耐久性問題是最為復雜的問題之一，干燥收縮貫穿于建筑物使用期，是引起變形開裂的重要因素，比較難控制，常引起建筑物外觀乃至結構質量問題。

混凝土的收縮變形主要有：沉降收縮、自縮、碳化收縮、溫度收縮、干燥收縮，另外還有兩個常用的收縮概念是化學收縮和塑性收縮。在五種收縮變形中，干縮是時刻存在的，這是由于混凝土所處的環境相對濕度是不飽和且隨時間變化的，所以混凝土自澆筑完成后就會有干縮發生。

混凝土中的水分存在于各種孔隙之中，水泥石中的水大致可以分為自由水、毛細孔水、凝膠水、結晶水四種形態。在RH變化時，自由水、毛細孔水和凝膠水都可能失去，從而帶來水泥石的收縮。

本課題通過試驗手段改變水泥石中孔溶液的性質，進而測量其干燥收縮和重量損失，研究水泥石收縮變形規律，探求水泥石收縮變形的本質，認知水泥石收縮的機制和機理，為尋找方法抑制混凝土的開裂，提高混凝土的耐久性提供依據。

2 試驗原材料

2.1 水泥

試驗中所用水泥為重慶地維42.5R級普通硅酸鹽水泥，其水泥化學成分和物理性能見表1。

表1 42.5R級普通水泥的性能

2.2 化學試劑

試驗中用于配制恒定相對濕度的試劑有化學純的鹽 （或者其結晶水合物）LiBr、CH3COOK、MgCl2、Mg(NO3)2、NaNO3、KCl試劑。

試驗中用于置換孔溶液的試劑均采用分析純的試劑有：Ca(OH)2、CaCl2、NaCl。

用于配制飽和溶液以及試件成型都采用去離子水。

3 孔溶液對水泥石收縮的影響

3.1 置換孔溶液的水泥石收縮、重量損失特點及參考系

置換孔溶液的水泥石的收縮和重量損失大致可以分為三個階段，如圖1所示。

圖1 置換孔溶液的水泥石收縮和重量損失示意圖

為了使所有孔溶液置換試驗結果有一個合理的參照體系，試驗中設計了一組用氫氧化鈣的“置換”試驗，把這一試驗結果作為以下真正的孔溶液置換試驗結果的基準試驗。

水灰比為0.3、0.4、0.5的三種水泥石 （編號分別為1、2、3），室溫下在飽和氫氧化鈣溶液中養護28d和180d后，置換結束后分別在RH=84%、74%、54%、33%、22%、8%六個相對濕度下干燥，然后將水泥石試件回泡到飽和氫氧化鈣溶液中，測定整個過程中水泥石的直徑和重量變化。

對試驗結果分析如下：

1號水泥石的試驗結果表明，養護28d的試件在置換過程中，沒有明顯的體積和重量變化，這一試驗結果證明了此時水泥石中孔溶液應為飽和氫氧化鈣溶液。在干燥過程中，試件所處的環境相對濕度越低，失去的水量越多，水泥石的干燥收縮就越大。在再潤濕過程中，水泥石吸水飽和后，重量與干燥前的重量幾乎能夠完全相等；高相對濕度下干燥產生的干燥收縮也在再潤濕過程中基本能夠完全恢復，低相對濕度下干燥產生的干燥收縮有少量不可恢復收縮。

養護180d的水泥石試件與養護28d的水泥石試件經過上述試驗過程重量損失和收縮表現出類似的規律。與養護28d的水泥石試件相比，養護180d的水泥石試件在干燥過程中的相應的重量損失都變小了，除RH=8%之外，相應的長度損失也變小。在再潤濕過程中，不可恢復收縮也變小了，重量損失變化不大。這些可以解釋為水泥石后期的水化使得水泥石更加密實。

2號、3號水泥石經過上述試驗過程，重量損失及收縮變形規律與水灰比為0.3的水泥石表現的規律相同。

3.2 飽和置換溶液置換孔溶液的水泥石收縮行為

本文采用飽和NaCl溶液、飽和CaCl2溶液作為置換溶液，置換實驗方法與參照體系相同。

3.2.1 置換溶液為飽和NaCl溶液的水泥石收縮行為

水灰比為0.3的水泥石“置換——干燥——再潤濕”過程，試驗結果分別如圖2所示。

圖2 W/C=0.3，28d齡期，飽和NaCl溶液置換水泥石不同濕度下的長度損失和重量損失

從圖2所示試驗結果可知，在置換階段，用飽和NaCl溶液置換出養護28d的水泥石的孔溶液，在置換過程中水泥石發生微小體積收縮，即圖形的第一段（0～1440min）。在干燥階段，用飽和NaCl溶液置換過孔溶液的水泥石的干燥收縮表現為與基準試件類似的干縮行為。

圖3 W/C=0.3，180d齡期， 飽和NaCl溶液置換水泥石不同濕度下的長度損失和重量損失

從圖3所示試驗結果可知，用飽和NaCl溶液置換的養護180d的水泥石與養護28d的水泥石經“置換——干燥——再潤濕”試驗過程所得規律基本相同。只是在置換過程中，水泥石的收縮變小。

水灰比為0.4和0.5的水泥石經過“置換——干燥——再潤濕”的試驗過程，與水灰比為0.3的水泥石相比：在置換階段收縮變化略有不同，干燥階段和再潤濕階段分別與之對應的階段水泥石的收縮變形規律一致，重量損失的規律則完全與之相同。

圖4 飽和NaCl溶液置換過程中不同水泥石的收縮和重量損失

從圖4可以看出，在置換過程中，水泥石重量損失為負值，這從側面說明了飽和NaCl溶液確實與水泥石的孔溶液發生了置換。隨著水灰比的增大而水泥石增重增大，齡期對重量損失的影響不明顯。水泥石的收縮與水灰比和齡期均有影響，且隨著水灰比的增大，收縮減小；而180d齡期的水泥石體積發生了膨脹。

圖5 干燥過程中不同水泥石的收縮和重量損失

從圖5可以看出，在干燥過程，干縮隨著干燥濕度的增大而減小，近似成線性相關，相同齡期不同水灰比對干燥收縮的影響不大，重量損失也隨著干燥濕度的增大而減小。

圖6 再潤濕過程中不同水泥石的可恢復收縮和重量損失

從圖6可以看出，在再潤濕過程中，可恢復的收縮隨著濕度的增大而減小。

3.2.2 置換溶液為飽和CaCl2溶液時的水泥石收縮行為

相同的實驗方法，把置換溶液換為飽和CaCl2溶液，進行“置換—干燥—再潤濕”的實驗，結果分別如以下所示(圖7）。

圖7 置換階段飽和CaCl2溶液中不同置換水泥石的收縮和重量損失

從圖7可以得知，置換階段，水灰比和齡期對飽和CaCl2置換的水泥石的收縮和重量損失影響都比較大。28d齡期時，在置換過程中，水灰比0.3、0.4的水泥石重量減小并伴隨較大的收縮，水灰比0.5的水泥石有明顯的增重，并伴隨著體積膨脹。180d齡期的水泥石，重量損失均為負值，即水泥石增重，且隨著水灰比的增大增重越明顯；收縮隨著水灰比的增大而減小，水灰比為0.5時，水泥石體積發生膨脹。

圖8 干燥過程中不同水泥石的收縮和重量損失

從圖8可以看出，在干燥階段，28d齡期的水泥石，隨著干燥濕度增大重量損失和收縮均減小；水灰比0.3和0.4的水泥石的規律相近，水灰比0.5水泥石收縮和重量損失比其他2個水灰比的要低，且隨干燥濕度增大變化更大，高濕度下變形太大使得水泥石翹曲、龜裂破壞。180d的水泥石，水灰比對收縮影響不大，重量損失隨著水灰比增大有所增大，高濕度下由于吸濕的緣故，重量損失有些偏離。

圖9 在飽和CaCl2溶液中再潤濕過程中不同水泥石的可恢復收縮和重量損失

從圖9可以得出，隨著干燥濕度的增大，可恢復的重量損失和收縮都減小，水灰比0.4的水泥石可恢復的重量損失和收縮比水灰比0.3的要大；水灰比0.5的水泥石，可恢復的收縮和重量損失比0.4的要大；高濕度干燥的，與水灰比0.3、0.4的相當或更小。

3.2.3 小結

用無機鹽置換孔溶液的水泥石，其收縮規律不盡相同。在置換階段，置換溶液對收縮和重量損失的影響較大，低水灰比的時候，置換過程相對比較簡單，而高水灰比的時候，置換過程則比較復雜，原因可能是水灰比較大時，孔徑較大的孔隙比較多，置換溶液在進入置換，經過一段時間又使水泥石孔結構發生了變化，如孔徑粗化，從而使得更多的溶液進入到水泥石的孔結構中，這種效果是遞減的，經過一段時間后最終可以達到平衡。這種效果在高水化時比較明顯。

4 結論

通過對置換孔溶液的水泥石進行干燥收縮試驗，因置換溶液的不同，水泥石置換過程收縮和重量損失千差萬別，干燥過程中水泥石的干燥收縮也異于用飽和Ca(OH)2溶液作為置換溶液的基準水泥石的干燥收縮，而在再潤濕過程中，可恢復的收縮和重量損失與干燥程度密切相關。

通過上述試驗研究與分析，得出如下結論：

（1）用溶液置換過的水泥石，在置換階段，發生了體積變形，變形有收縮，也有膨脹。倘若將膨脹看成“負收縮”，則水泥石的收縮隨著水灰比的增大而減小。180d齡期的水泥石收縮比28d的要小或基本相同。

（2）用溶液置換過的水泥石，再潤濕過程中，有恢復到置換平衡狀態的趨勢。

[1]黃國興，惠榮炎.混凝土的收縮[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[2]楊長輝，王海陽，王沖等.混凝土的自生變形及其測定方法評述[J].混凝土與水泥制品，2004，(1)：11-14.

[3]康志堅.水泥石干縮收縮及其微觀機理研究[D].重慶大學碩士論文，2007：21-28.

[4]楊長輝，王川，吳芳.水灰比對混凝土塑性收縮裂縫的影響[J].重慶建筑大學學報，2003，25(2)：77-81.

[5]劉濤，譚克鋒.不同水膠比混凝土的收縮性能研究[J].西南科技大學學報，2006，21(2)：16-18.

[6]Stacey Perron，The Application of A.C.Impedance Spectroscopy on the Durability of Hydrated Cement Paste Subjected to Various Environmental Conditions[D].Dissertation of University of Ottawa， June 2001：2-6.