論混凝土體積變形的影響因素

郝 晉 高

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原　030006)

1　概述

如果混凝土產(chǎn)生過大的收縮或膨脹，會直接影響混凝土建筑物的抗?jié)B性、抗凍性等，影響結(jié)構(gòu)的使用功能。所以，由收縮而產(chǎn)生的裂縫，對水泥混凝土的耐久性會產(chǎn)生不利影響[1]。一般來說，混凝土的變形大致分為三種類型：彈性變形、收縮變形、徐變。本文主要闡述水泥混凝土收縮變形。

2　收縮變形

混凝土的收縮變形通常分為：化學(xué)收縮、塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮、自收縮、碳化收縮。

2.1　化學(xué)收縮

1)定義。化學(xué)收縮：由于水泥水化引起的收縮。在水泥水化的整個過程，隨著水泥水化產(chǎn)物的增加，水泥和水的體積減少，但水泥水化產(chǎn)物(固體)增加的絕對體積要比水泥—水體積減小的絕對體積要小，導(dǎo)致整體的水泥—水體系的絕對體積減小，從而形成水泥石的收縮。研究表明，水泥水化完成后，體積減小約7%～9%[2]，從而形成內(nèi)部孔隙。

2)影響因素。化學(xué)收縮與水泥的組成有關(guān)。水泥中主要礦物的收縮率見表1[3]。

表1　水泥中主要單礦物的收縮率

由表1可知，水泥的四種礦物成分，鋁酸三鈣(C3A)的收縮最大，硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)收縮相當(dāng)，鐵鋁酸四鈣(C4AF)收縮最小，僅為C3A的1/5。所以在水泥礦物組成中，如果C3A的含量越高，水泥的收縮就越大。礦物摻合料對水泥的化學(xué)收縮也有一定影響，如粉煤灰可以通過影響水泥的水化速率從而減小水泥的化學(xué)收縮，而且水泥的化學(xué)收縮隨著粉煤灰摻量的增加而顯著減小。

2.2　塑性收縮

1)定義。塑性收縮一般出現(xiàn)水泥混凝土澆筑后幾個小時內(nèi)，發(fā)生在混凝土的塑性階段。由于混凝土澆筑后，混凝土內(nèi)部濕度與外界空氣濕度不一樣，導(dǎo)致混凝土水分蒸發(fā)，當(dāng)混凝土表面的失水速率大于混凝土內(nèi)部供水速率時，表面混凝土?xí)纬筛稍餇顟B(tài)，從而發(fā)生收縮開裂。

2)影響因素。引起混凝土塑性收縮的直接原因就是水分蒸發(fā)太快。引起塑性開裂的外部因素是施工環(huán)境和條件(如風(fēng)速、溫度和濕度)、養(yǎng)護條件、混凝土的抹平工藝等。內(nèi)部因素是水泥的摻量品種、細摻料、礦物摻合料、漿集比、外加劑、混凝土的溫度和凝結(jié)時間、水灰比等。美國波特蘭水泥協(xié)會指出：當(dāng)水分蒸發(fā)速率每小時超過1 kg/m2時，則必須采取防止混凝土塑性收縮而開裂的技術(shù)措施[5]。

2.3　干燥收縮

1)定義。混凝土在硬化過程中由于失去水分而引起體積減小，稱為干燥收縮變形。當(dāng)相對濕度低于平衡濕度時，就會引起干燥收縮。干燥收縮會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因為收縮很容易產(chǎn)生裂縫，影響混凝土的耐久性。

2)影響因素。影響混凝土干燥收縮的因素很多，也較為復(fù)雜。主要包括環(huán)境溫濕度、集料特性、水灰比、干燥時間等，其中集料的特性、混凝土的配合比對混凝土干燥收縮的影響較大。

集料對混凝土干燥收縮的影響主要體現(xiàn)為抑制作用。集料的剛性決定集料對混凝土干燥收縮抑制作用的大小。因為集料的彈性模量直接影響了混凝土的彈性變形，而混凝土的彈性變形與干縮之間有密切的相關(guān)性。實驗表明：用低彈模的集料配制的混凝土，其收縮率比高彈模集料配制的混凝土可增加2.5倍[4]。

在混凝土的配合比設(shè)計中，對于干縮的影響首先反映在集料的體積含量。當(dāng)集料體積含量由71%增加到74%時，在水灰比相同的情況下，混凝土的收縮可降低約20%[5]。

2.4　溫度收縮

1)定義。溫度收縮在國內(nèi)習(xí)慣稱之為冷縮。根據(jù)混凝土熱脹冷縮的特性，當(dāng)外界環(huán)境溫度下降時，混凝土將產(chǎn)生收縮的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度時，裂縫就會形成。

2)影響因素。根據(jù)溫度收縮的定義，如果混凝土內(nèi)部溫度較高，和外界溫差較大，溫度收縮就會更嚴重，所以在大體積混凝土中應(yīng)注意溫度收縮的控制。水泥水化會放出大量熱，所以減小水泥用量、使用低熱水泥(如礦渣水泥)會降低水泥水化的水化熱，減小溫度收縮裂縫的發(fā)生。在混凝土配合設(shè)計中，盡可能使用摻合料(如粉煤灰、礦渣、硅灰等)替代部分水泥，以降低混凝土的水化熱，減小溫度收縮裂縫的發(fā)生。

2.5　自收縮

1)定義。在混凝土硬化期間，當(dāng)不提供外界水對混凝土進行養(yǎng)護，即使混凝土水分不向外界流失，混凝土內(nèi)部也會干燥，成為自收縮。混凝土的自收縮主要是由水泥的水化引起的，水泥水化引起的是化學(xué)減縮(收縮)，而水泥水化消耗的水，使得混凝土內(nèi)部相對濕度[6,7]隨水泥水化的進展而降低，形成自收縮。

2)影響因素。混凝土的自收縮的大小與水灰比、細摻料的活性、水泥細度等因素有關(guān)。

水泥繼續(xù)水化是自收縮的根本原因。水灰比越小，自收縮越大；不同的摻合料對混凝土自身相對濕度的影響也不同：硅灰使得相對濕度的下降增大，而磨細礦渣使得混凝土后期的相對濕度的下降增大。混凝土中的水泥細度越細，自收縮越大。

2.6　碳化收縮

1)定義。空氣中含CO2約0.04%，在合適的相對濕度下，CO2在混凝土表面與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，稱為碳化。需要注意的是，混凝土發(fā)生碳化時，CO2與Ca(OH)2的反應(yīng)是通過水作為媒介發(fā)生的，并不是直接的氣固接觸。當(dāng)相對濕度為100%時，混凝土的毛細孔中水是飽和的，CO2傳輸受到影響，碳化不會發(fā)生；當(dāng)相對濕度較低時，毛細孔中的水分不足，難以形成碳酸，碳化也會受到抑制；研究表明，碳化適宜的相對濕度為55%～70%。

2)影響因素。影響混凝土碳化收縮的因素有混凝土的水灰比、水泥品種用量和細摻料等因素。水灰比越低，碳化的速度越慢。摻入礦物細摻料后，在相同水灰比下，碳化速率增加。

3　結(jié)語

1)相同因素對混凝土收縮有不同影響，如水灰比越低，碳化收縮越小，而自收縮越大。2)外界環(huán)境條件對混凝土的收縮有著重要影響，如外界濕度低時，會加快塑性收縮；混凝土內(nèi)外溫差大時，會加劇溫度收縮。