混凝土结构早期收缩裂缝的试验研究与收缩应力场的理论建模

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1、摘要本文围绕混凝土早期收缩裂缝这一主题，从形成机理、试验研究、工程现状、理论探索四个方面对这一当前pi t 待解决的课题进行了深入广泛的剖析研究。 从试验角度对减水剂、减缩剂、膨胀剂、水灰比及养护条件等对早期收缩的影响进行了对比分析;从工程现状的角度对当前围绕混凝土早期裂缝这一问题中暴露的问题与急需改善的方面进行了必要的阐述，强调了早期养护的重要性与对膨胀剂应用需具各的清晰认识;对早期收缩致裂现象的理论模型的建立进行了尝试与努力，形成了混凝土早期收缩应力场及现浇钢筋混凝土结构的收缩应力时程分析方法的基本理论，对后续的深入研究提供了方向。本文的 研究表明早期养护对混凝土早期收 缩性能影响很大，

2、通过良 好的早期养护，可应避免绝大部分早龄期千缩，且对延缓自 收缩开裂也有显著的作用。减水剂的掺入极大地增加了混凝土早岭期的干燥收缩，对自 收缩也有增大趋势。由于减水剂掺用，使得混凝土在较高的水灰比条件下便显示出了明显的自收缩。对这一现象的机理进行了剖析，认为减水剂的掺用加剧了混凝土内部孔隙的相对湿度的降低，从而导致收缩增大。减缩剂对混凝土早期的自 收缩与干燥收缩均有良 好的减缩效果，但对于w / c 3 0 . 4 7 的普通混凝土 ( 无论掺与不掺减水剂)而言，只要早期保湿养护做到位，则其掺用的意义不大，因为占收缩绝大部分的干缩可以通过养护得以避免。然对于w / c 5 n m 的毛细孔与

3、0 . 5 -2 . 5 n m 的凝胶孔) ， 这些微细孔中 储存有水化未消耗的多余水分。 混凝土干燥的时候， 水的蒸发速度可能 超过混凝土向外泌水的速度， 因此， 表层的水面降低， 并随着蒸发的继续， 水分的失 去从表层逐渐向混凝土内部不断发展， 毛细孔与凝胶孔中的吸附水相继失去。 这些微 细孔内水分的失去将在孔中产生毛细管负压， 并促使气液弯月面( m e n i s c u s ) 的形成， 从而对孔壁 ( 也即C - S - H 凝胶骨架)产生拉应力，造成水泥浆体收缩。这一过程通过图2 . 4 可以有比较清晰加以描述。从图2 . 4 a 中可以看到，混凝土 处于干燥环境下时， 泌水在

4、混凝土表面被蒸发，当表层水分的蒸发较快，内部水分迁 移来不及补充时， 或者说当泌水速率低于水分蒸发速率时， 在气液界面的外表面 ( 气 相) 形成毛细孔负压，即毛细孔内溶液表面蒸气压与液压 ( 水压)的压力差O P( 图 2 . 4 . c ) ， 由于这一压力差的存在， 促使凝胶颗粒间产生一个气液弯月面。 如图2 . 4 . c 所示，这一弯月面在毛细孔负压与固 ( 凝胶颗粒) 液 ( 毛细孔水溶液)界面处的表面1 6 第二章混凝土早期收编裂缝成因 机理探析张力。 的共同作用下形成短暂的动态平衡。 随着水分的继续蒸发， 内部水分向 外迁移 的速度越来越慢， 从而毛细孔负压越来越大， 弯月面的

5、受力平衡被打破， 导致液面整 体不断下降，这也使得弯月面的曲率随之增大( 曲 率半径即毛细孔液面处的孔半径随 之减小) ，固液表面的接触角B 随之减小， 使得表面张力的竖向 分力增大 ( 图2 . 4 b ) , 于是弯月面再次受力平衡，如此反复。如图2 . 4 c 所示，表面张力实际上构成了凝胶颗粒与弯月面之间的作用力与反作 用力。 凝胶颗粒通过对弯月 面提供表面张力。 使其受力得以平衡， 而弯月 面则将表面 张力， 反作用于凝胶颗粒，根据力的平衡可知，这一反作用力的合力在数值上、方 向 上 均与毛细管负压相同， 从而促使凝胶颗粒向内 部运动。 这即所谓的收缩拉力， 它 是造成水泥浆体收缩的

6、直接驱动力。 在垂直向的蒸发过程中， 这一收缩力还与凝胶颗 粒的自 重叠加，加速浆体的收缩。千燥作用干澡作用蒸发卜 子爪f卜1卜混凝土a . 混凝土表层在千燥作用下毛细孔内气液弯月面生成过程示意图( 蒸发速率超过泌水速率时产生， 并逐渐向 混凝土内部发展)千焕作用干澡作用一P ， 毛细孔蒸气压。立城冷召会P 选./ 固相 气液弯月面 液 相毛细孔水压b . 毛细孔组成及气液弯月面受力示意图c . 气液弯月面在毛细孔负压与表面张力作用下达到动态的受力平衡图2 . 4 干燥作用时混凝土收缩拉力形成机理示意图混 凝土结构早期收缩裂缝的试验研究与收缩应力场的理论建模2 . 3 . 2收缩拉力 ( 毛细

7、孔负压)推导根据以 上干燥机理分析， 收缩拉力a s 也即毛 细孔负压，在数值上应该等于表面张力竖向分量 的合力。假设弯月面是球冠形的，则将图2 . 4 . b 所示的弯月面向水平面垂直投影得到如图2 . 5 所 示的受力单元，其中表面张力取其竖向 分量 a - c o s 9 ， 作用域为图示的阴影部分的单位宽度圆 环，而毛细孔负压4 P的作用域为整个弯月面的 投影圆，; 为毛细孔弯月面处的孔径。则取图中 角度为d ,6 的 微元， 根据竖向的受力平衡有如下等式成立:毛细孔负压作用域 厂砚一、 公 六竖向投影圆o “ c o s o屹 泛豆支之单位宽度表面张力 作用域竖向投影环图2 . 5弯

8、月面垂直投影面受力示意图v- c o s 6 - r - d 刀= A P 丝.d ,6( 2 . 1 )对上式中刀角从0 -2 二 积分得到 r l a .c o s O .r .d /8 = CZ 二 .牟. d /j( 2 . 2 )县 p : a- c o s O - r - 2 g= 口1 - 7 r r 2( 2 . 3 )从而 。 ; = A P 一 P , 一 P C 一 竺c o s o( 2 . 4 )另外， 收缩拉力 ( 毛细孔负压) 也可以用孔隙内的相对湿度 ( R H ) 来表征。 K e l v i n方程给出了如下孔隙相对湿度与孔径的关系:I n 护二一2 cr

9、M冰 T r( 2 . 5 )式中:沪 = 相对湿度;M二 水的摩尔质量 ( 1 8 k g / K m )P 二 水的密度 ( 9 9 8 k g / m z ) oR = 气体常数 ( 8 . 2 1 4 ) / ( K m o l 0 K ) ) ;T = 温度 ( 0 K ) ; = 孔半径 ( m ) . 上式也可变化为:2 aIn功mP P-MRT( 2 . 6 )第二幸混凝土早期收缩裂缝成因机理探析于是代入 ( 2 . 4 )即可得到毛细孔负压与相对湿度的关系:尸=I n 护 R 勒 . c o s 8M( 2 . 7 )上述理论公式的推导也证明了毛细管负压随内部相对湿度的降低而

10、降低。根据 C . H u a 等7 . B 对硬化水泥石收缩模型的 研究， 当水泥浆体中内 部相对湿度由1 0 0 % 降 低 到8 0 % 时，毛细孔负压将从 0增加到 3 0 M P a 。当降至 6 0 % 以下时，毛细孔负压将错发 展 到l 0 0 M P a 以 上 幻 。2 . 3 . 3干缩与孔径分布的关系从上述机理可以看出，当混凝土内部浆体孔隙的孔径越小时，这些孔中失去水分 时候形成的收缩拉应力 ( 毛细管负压) 也更大，然而，从整体看，由于浆体内部的孔 隙大小不是固定的，而是不同孔径按一定比 例分布的，其中毛细孔的尺寸在 0 . O 1 l u m 之间，孔径小的毛细孔失水

11、产生的收缩拉力固然大，但其占有的百分比却不大， 因而对收缩来说这类细小毛细孔并不是决定性的因素， 而真正能决定浆体在千缩时收 缩量值的是那些孑 L 径相对来说不很大而所占的比例却很大的毛细孔。 当然这是作者的 推测，目 前尚未有相关的研究可以 证实， 相关文献中也未发现。 那么， 是否混凝土越 密实，毛细孔径越小， 干燥时候产生的收缩越大呢?比如， 在一些掺了硅灰的低水胶 比 混凝土中，大部分毛细孔径在偏向O . O l u m的一侧， 但事实上观测到的干缩反而较 小，为什么?这是因为这类混凝土中内部多余水分并不多， 换句话说， 含水的毛细孔 率相应大幅减小了， 因此造成最终表现出来的干缩小了

12、， 但这并不意味着其开裂趋势 减小了， 因为其局部的毛细管负压下的收缩应力增大了， 而收缩时候的约束作用由 于 强度发展较快，也相应增加了，因此开裂趋势在局部反而增加了。2 . 3 . 4影响干缩的重要因素从上述分析可以 看出， 影响干缩的3 个重要因素是水灰比、 水化程度、 失水速率， 其中 前两者是决定孔隙 分布的主要因素。 根据 P o w e r s 12 1 的研究， 水泥完全水化的水 灰比 在 0 . 4 2左右，用水量直接影响孔径分布与孔隙率，水灰比 越高，孔径与孔隙率 也越大。因此， 低水灰比混凝土的孔隙水越低， 相应的干缩也越低， 但当水灰比 过低 时 ( 0 . 2 当 水

13、胶比为 0 . 1 7 时， 掺1 0 % 硅灰的混凝土自 收缩与 干缩大致相等。可见当水胶比小于0 . 4 时，自 收缩对混凝土体积收缩的贡献率越来越 大， 后文试验部分也将证实这一结果。 水胶比 很低时， 混凝土的密实度高、 渗透性低， 即 使放在水中 养护， 外部的 水汽也很难渗透到混凝土内 部， 混凝土内 部仍然会发生自干燥和自 收缩现象。混凝土试件1 0 O X 1 0 O X 1 2 0 0;!一4 0 % 5 0 %产尹尹/，尹1 0 0 %自 收缩对干缩 的贡献率600500八U0月任甲。工X300200 蠕邻峨十1 0 0 t乙产 厂-价寿 ，W / ( C + S F )

14、- S F ( % ) - S P ( % ) 0 . 1 7 一1 0 一2 , 2 ，0 . 2 3 一 1 0 一 1 . 5 . 0 . 3 0 一 0 一0 , 3 .0 . 4 0 一0 一 0 . 12 0 0 3 0 0 4 0 0自 收缩 ( X1 0 - 6 )图 2 . 7 不同配合比的 混凝土自 收缩与干缩的关系F i g . 2 . 7 R e l a t i o n b e t w e e n a u t o g e n o u s s h r i n k a g e a n d d r y i n g s h r i n k a g e f o rc o n c

15、r e t e w i t h d i f f e r e n t m i x i n g p r o p o r t i o n .。2 2 第二章混凝土 早期收缩裂 缝成因 机理探析2 . 4 . 4自收缩的形成机理自 收缩的形成机理可以通过混凝土的自 干燥现象加以 解释。 大家知道随着水泥水 化的进行， 在硬化水泥石中形成大量微细孔， 这些微细孔在有无外界水源的情况下都 会产生， 所谓自 千燥正是指在水泥水化过程中由于没有外界水供应或外界水通过毛细 孔迁移到体系内部的速度小于水化耗水的速度时，水化所需的水分将从毛细孔中吸 收， 于是在毛细孑 L 中形成气液弯月面， 同时水化反应绝对体积的

16、减小将以在内部形成 微细孔的形式得到补偿。 而毛细孔水的降低使混凝土内 部饱和蒸气压也随之降 低， 即 相对湿度将降 低， 但毛细孔水的 减少并没有使水泥石的质量发生损失， 这一现象被称为自干燥。自 干燥一般来说存在于任何混凝土中，只是随水胶比的大小以及其他因素的不 同， 程 度有 所不同 而已。自 千燥的 研究 最 早可以 追溯到2 0 世纪 初L e C h a t e l i e r 2 11 对 水 泥性能的 研究当中。 其后在N e v i l l e E“ , D a v i s (“ ) , P o w e r s 12 , 2 3， 等人于上世纪2 0 - 5 0年代的试验研究与理论分析后， 基本认为: 在足够高的水灰比 下，自 干燥不会发 生; 对于纯水泥浆，在密封水化下，自 干燥仅仅发生在W / C 低于。 . 4 0 -0 . 4 5 的 情况 下;并指出了由 水泥水化引起的自 干燥是自 收缩产生的主要因素。至于自 千燥引起自 收缩的机理与前文干燥收缩形成机理类似， 这里不再细述。