高性能混凝土早期自收縮及其測試方法

陳志力

(浙江省嘉興市水利水電工程質量監督站，浙江 嘉興 314001)

混凝土建筑物由于收縮導致開裂的問題一直是結構安全與耐久性控制的重點和難點。近年來，由于混凝土技術的發展，摻礦物細摻料、使用超塑化劑、降低水灰比等使得兼具高強度、低滲透性等優點的高性能混凝土(high performance concrete，HPC)在工程實際中得到了廣泛應用。然而，與普通混凝土相比，這些措施在改善力學性能的同時，卻使得HPC存在體積穩定性差、早期易產生裂縫等問題。研究表明，自收縮是導致HPC開裂的主導因素。早齡期時，混凝土的拉應力低于約束自收縮所產生的內部應力時，裂縫過早形成，使一些有害物質，如氯離子、酸、CO2等更易進入，從而極大地損害了混凝土的耐久性和服役時間。

混凝土的自收縮主要發生在早期，特別是在HPC中，由于早期強度不夠，測量收縮的傳統方法無法測量，且目前各國對混凝土自收縮的測量尚無統一的標準。因此，研究自收縮的精確測試方法，有利于為控制混凝土早期開裂研究提供準確依據，從而提高HPC的耐久性。

1 HPC的自收縮特性

1934年，Lyman首次提出“自收縮”概念，定義如下：水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣凝膠的形成服從凝膠生成規律，使得體積變小，且該類收縮與外界溫度或濕度的變化無關，故稱為“自身收縮”。

日本混凝土協會研究認為，自收縮為水泥初凝后水化產生化學收縮而引起的表觀體積的減少，一般以體積的減小率(自收縮率)或一維長度的變化(應變)來表征自收縮的變化。國內學者大多數認為自收縮是由于水泥水化作用，使得內部水分被消耗的自干燥作用引起體積收縮變形，是在恒溫恒濕下宏觀上表現出的體積的減小，即認為自干燥收縮(self-desiccation shrinkage)等同于自收縮[1-2]。化學收縮是導致自收縮的主要原因，自收縮表現為外觀體積的減少，而化學收縮則由絕對體積的變化體現。

圖1為水泥基材料自收縮與化學收縮的體積變化體現示意圖。(a)為澆筑時的漿體體積，(b)為初凝時的漿體體積，(c)和(d)為終凝后的漿體體積。從圖(c)可以看出，自收縮包括凝縮(setting shrinkage)和自干燥收縮兩部分。凝縮是指加水拌和后到初凝以前，混凝土內由化學作用和沉降等產生的體積變形；而自干燥收縮則是指漿體內部結構形成后，由于繼續水化導致內部濕度降低產生的變形，自干燥收縮是組成自收縮的重要部分，由于漿體初始結構的形成時間無法精準確定，一般以初凝時間作為自干燥收縮測試起始點，凝縮則從漿體加水拌和即認為已開始。

圖1 水泥基材料自收縮與化學收縮的體積變化

2 HPC的自收縮機理

HPC的自收縮的形成機理比較復雜，許多研究表明，HPC的早期自收縮與內部毛細孔的水彎液面形成有關，通常表現為內部相對濕度的降低，毛細孔壓力與內部相對濕度的關系由Kelvin公式和Laplace方程聯合可得，見式(1)。

(1)

式中：σcap為毛細管壓力，kPa；RH為相對濕度，%；ρw為水的密度，kg/m3；R為理想氣體常數；T為開爾文溫度，k；M為水的摩爾質量，mol。

HPC在加水拌和后，其膠凝材料顆粒外部包裹著一層水膜，孔內充滿著相互連通的液態水，此時內部相對濕度為100%；隨著水化反應的進行，水化產物在膠凝材料顆粒表面形成，占據原來由水膜所占據的空間，而由于固體體積減少，受硬化漿體骨架的限制化學減縮逐漸表現為基體內毛細孔形式，此時自由水仍能相互連通，漿體內部濕度為臨界狀態。隨著水化反應的繼續進行，生成的水化產物堵塞了液態水的連通通道，使液態水只能存在于毛細孔中，而在完全密封的情況下，水泥水化的耗水作用使得毛細孔中的水濕度下降，且為了與大孔中的水保持熱力學平衡而出現彎液面，此即為由于自干燥效應引起自收縮變化的階段，由式(1)可知，當HPC內部相對濕度<100%時，內部濕度越小，由自干燥作用產生的毛細管壓力越大，當壓力大到某個數值時，自收縮就會在HPC形成，而壓力繼續增大到比水泥漿體的抗拉強度大時，裂縫便產生了。

3 HPC自收縮的測試方法

3.1 體積法

自收縮通常伴隨漿體宏觀體積的減少表現，因而，通過直接測量漿體宏觀體積的變化來表征自收縮的方法就稱為體積法。對于體積變化率法，通常是將新拌的試樣注入到韌性容器中，在液體中浸沒，體積的變化率由浸沒在液體中的試件的重量變化計算得到。但此種方法試樣很難與韌性容器緊密結合，且攪拌成型后的泌水、韌性容器的滲透性等可能導致測量誤差。

3.2 長度法

當水泥基材料由于自收縮作用體積變小時，從理論上來看，水泥基材料在各個維度的尺寸都會減小，但當材料的縱向尺寸遠小于橫向尺寸時，縱向變形可以忽略不計，只需考慮橫向變形，即用橫向變形來衡量自收縮的大小，此即為長度法測水泥基材料自收縮的原理。

Tazawa[4]針對自收縮問題做了大量研究，其提出一種可用于測量混凝土拆模前自收縮的測試裝置，如圖2所示。終凝后拆模，并立即密封好，待基準長度測定后轉入塑料袋中養護，至相應齡期后取出，置于混凝土收縮測定儀中測量。該裝置可有效用于混凝土早期無強度的自收縮測定，但存在試件測頭與收縮測定儀測頭不易對中問題，影響測量的準確性，且后期的自收縮變化很小，不容易測出。

圖2 Tazawa拆模前自收縮測定裝置示意圖1—混凝土;2—密封板;3—測頭;4—千分表架;5—支架立柱;6—橡膠墊;7—千分表;8—熱電阻;9—緊固螺絲;10—特富綸板;11—有機玻璃襯板;12—高度調節螺絲

安明哲等人[5]對上述裝置提出了改進，如圖3所示，將千分表固定在支架上，長方向的側板可插拔，短方向留有預留孔供探頭伸出，且同時測定溫度的變化，實現了混凝土的早期自收縮的連續測量，但測試需在凝結后進行，忽略了塑性階段的變形，與體積法測得的數據相比較小，且試驗過程較為繁瑣。巴恒靜等[6]采用非接觸式傳感器測試混凝土早期自收縮，實現了對數據的自動采集和處理，且方便靈活的進行實驗，但是否真實反映混凝土的變形還有待探討。

圖3 安明哲等自收縮測定裝置示意圖

由于水泥基材料的收縮自加水拌和成型后就可能開始，國內外學者提出采用一種波紋管模具，可以實現在塑性階段測長度的變化，將體積應變轉換成長度應變，有效地避免了重力、溫度變化及模具約束對測試的影響，且實現了從加水成型后的連續測量。

4 結 論

自收縮是影響HPC耐久性的重要因素，準確統一的自收縮測量方法有助于為提高HPC的服役性能研究提供依據。綜合以上測試方法，自收縮測試需滿足的條件有：(1)水泥基材料處于密封狀態，與外界不發生水分交換和物質交換；(2)環境溫度保持恒溫，必要時需要測定體系的溫度變化，根據材料的熱膨脹系數計算得到因溫度引起的變形，修正測試結果；(3)試件處于無外力作用狀態，外力的存在會干擾水泥基自收縮結果。

參考文獻：

[1] 安明喆，朱金銓，覃維祖.高性能混凝土的自收縮問題[J].建筑材料學報，2001(2)：159-166.

[2] 馬冬花，尚建麗，李占印.高性能混凝土的自收縮[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2003(1)：82-84.

[3] 孫振平，楊輝，水亮亮，等.高效減水劑對水泥砂漿早期自收縮的影響[J].建筑材料學報，2013，16(6)：1020-1024.

[4] Tazawa E I, Miyazawa S, Kasai T. Chemical shrinkage and autogenous shrinkage of hydrating cement paste [J]. Cement & Concrete Research, 1995, 25(2): 288-292.

[5] 安明哲，覃維祖，朱金銓.高強混凝土的自收縮試驗研究[J].山東建材學院學報，1998(S1)：141-145.

[6] 巴恒靜，高小建，楊英姿.高性能混凝土早期自收縮測試方法研究[J].工業建筑，2003(8)：1-4.