影响混凝土体积变形的因素及机理摘要：通常，所考虑混凝土体积变化的对象是由温度和湿度的循环引起的线性膨胀和收缩 但是，化学作用如碳化收缩、硫酸盐侵蚀、碱集料反应也会引起混凝土体积的变化此外， 徐变也是一种由应力或荷载引起的体积变化或变形在荷载作用下，瞬时产生的弹性或非弹 性尺寸或形状的变化是同等重要的关键字：混凝土；体积变化；影响因素Abstract： Usually， the object of concrete volume changes considered was caused linear expansion and contraction by the circulation of the temperature and humidity．But，the chemical function such as shrinkage，sulfate erosion，alkali-aggregate reaction can also cause concrete volume change ．In addition，creep is also a kind of caused by stress or load volume change or deformation．Under the loads ，the instantaneous effects of elastic or the size or shape variation elasticity is equally important.Key words：concrete ；volume changes ；Influence factors1 前言混凝土体积会因为各种原因发生微小的变化，认识这种变化有助于进行混凝土工程的 计划与分析。
如果混凝土在没有约束的条件下自由变形，那么正常的体积变化几乎没有不良 的后果但是，实际工程中的混凝土通常受到基础、地基、钢筋或相邻构件的约束，因此会 产生显著的应力，特别是拉应力裂缝的发展主要由于混凝土抗拉强度相对较低而抗压强度 很高所致［1-2］通过控制影响体积变化的因素可以最大程度地减少高的应力与开裂体积变化只定义为体积的增大或缩小为方便起见，体积变化的量通常采用线性单位而 不是体积单位，混凝土体积的变化很小，长度变化幅度大约在百万分之10 到百万分之1000 之间混凝土在荷载作用下产生弹性与非弹性变形，干燥或冷却时呈现收缩应变，当变形受 约束时，收缩应变将导致复杂应力模式，常会引起开裂［3］2 早期体积变化混凝土浇注后不久就开始产生体积变形24 h 内的早期体积变化会影响硬化混凝土最终 体积变化（如干燥收缩）和裂缝的形成，特别对低水灰比的混凝土影响更大下面讨论不同 形式的早期体积变化2.1化学收缩化学收缩是指由于水泥水化，浆体中的固体和液体绝对体积的减少水化产物的绝对体积要小于水化前水泥与水的绝对体积塑性状态的水泥浆体这种体积变化情况可用图2.1a、2.1b中柱状图加以说明，这种体积变化不包括搅拌时混入的空气。
只要水泥水化，微观上 的化学收缩就会不断发生初凝后，水泥浆体的体积变形比其塑性状态的体积变形小，因此 进一步的水化和化学收缩可通过微观孔隙的形成来补偿（图2.1）大部分的体积变化是内在 的，并不会显著影响混凝土构件的外观尺寸［4-5ft'7 ft自收射RM小）图2.1新拌合硬化浆体的化学收缩和自收缩产生的体积变化，（a）浇注时的水泥浆体；（b）初凝时的水泥浆体；（c）终凝后的水泥浆体；（d）终凝后的水泥浆体Hsu）2.2自收缩自收缩是指水泥浆、砂浆、混凝土因水化引起的宏观体积减少（可见的体积变化）自 收缩减少的体积远小于化学收缩减少的绝对体积，这是因为硬化浆体结构的刚度较大化学 收缩会促进自收缩，图2.1、图2.2、图2.3给出的是自收缩和化学收缩两者之间的关系■1■ *水自雪单i图2.3沉降、泌水、化学收缩和自收缩之间的体积关系（Hsu）当有外来水补充时自收缩不会发生，而没有外来水时，水泥水化消耗孔隙水导致浆体 自身的干燥和体积的均匀减少自收缩随水灰比的降低和水泥浆量的增加而增加普通混凝 土的自收缩可忽略，然而混凝土的水灰比低于0.42时自收缩极其显著高强、低水灰比混 凝土的自收缩可达到（200〜400） X10- 6。
对于水灰比为0.30的混凝土自收缩可达到干燥收 缩的一半近来随着高性能、低水灰比混凝土在桥梁和其他结构中的应用，人们又重新开始 关注自收缩以控制裂缝的发展容易受到自收缩影响的混凝土应使用外部水源进行养护，养 护时间应不少于7d以控制裂缝的发展混凝土浇注后应尽可能快地进行喷雾养护⑸虽然 掺合料比波特兰水泥水化程度低，但掺合料的水化也会加大自收缩除调整浆体含量和水灰 比外，也可以使用减缩剂或内部养护技术来减少自收缩⑹2.3沉降沉降是指新拌胶凝材料初凝前在垂直方向上的收缩，是由泌水（固态相对于液态的沉 积）、气泡上升到表面和化学收缩而引起的，沉降也叫沉降收缩⑺泌水小且密实良好的混 凝土通常沉降很小沉降和其他收缩之间的关系如图2.3所示沉降过大通常是由新拌混凝 土密实不足引起的预埋件（如钢筋）上方的沉降过大，将导致预埋件上方的混凝土出现开 裂引气、足够细集料和低用水量的混凝土，可使沉降开裂的可能性最小2.4塑性收缩塑性收缩是指新拌混凝土没有硬化之前发生的体积变化通常在拌面修饰前或修饰过程 中可观察到塑性收缩裂缝，塑性收缩裂缝好像是表面的撕裂塑性收缩开裂是由化学收缩、 自收缩、表面水分的快速蒸发（大于泌水速度）等共同作用的结果⑻。
通过使用喷雾、挡风、 遮阳、塑料薄膜、湿麻布、喷洒助抹剂（减缓蒸发）和塑料纤维等措施可使表面的蒸发最小， 从而控制塑性收缩开裂2.5膨胀混凝土、砂浆、水泥浆在有外来水的情况下会发生膨胀化学收缩使毛细管失水，而外 来水分补充毛细管失去的水，混凝土的体积就会增大⑼由于没有自然干燥也就没有自收缩 外部水分来自于潮湿养护或浸水出现膨胀归因于晶体长大、吸水、渗透压力的共同作用， 膨胀并不大，在早期大约只有50X10- 6（图2.4）当外部水的来源除去时，自收缩和干燥收 缩将使得体积变化出现相反的趋势图2.4 100mmX 100mmX 375mm混凝土试件在水养护下的早期膨胀（Aitcin）2.6早期热膨胀水泥水化反应放出大量的热量在大的混凝土构件中，这些热量能保持较长时间，因此 没有较小混凝土构件的散热快［10］在最初的几个小时或几天出现的温度升高可能引起微小 的膨胀，这些膨胀可抵消自收缩和化学收缩3硬化混凝土的温度变化一般来说，固体都会出现热胀冷缩的现象与温度变化相关的应变取决于材料的热膨胀 系数和温度升降幅度除了在极端天气条件下，周围温度变化对普通混凝土结构的危害很小, 甚至没有危害［11-13］。
然而，在大体积结构中，由于水泥水化产生热量和散热条件不佳的共同 作用下，导致混凝土浇筑后的几天里温度大幅上升随后，在冷却至周围温度是常会引起混 凝土开裂由于实体混凝土的结构设计和施工中，首先关注的是建成结构的整体性，且没有 裂缝，所以需要通过选择适当原材料、配合比、养护条件和施工操作等各种措施来控制温升对于混凝土这样低抗拉强度的材料，冷却时产生的收缩应变比水泥水化产生的热膨胀更 为重要因为这是产生的拉应力可能很大，足以引起开裂，这也取决于弹性模量、约束程度 和徐变带来的应力松弛混凝土温度的变化可能由于周围环境的变化或水泥水化引起的可以观测到混凝土的热 膨胀系数在（6〜13） X 10- 6/°C之间变化，平均值在10X10- 6/°C混凝土温度升高或降低50°C 时每10m的长度变化将达到5mm混凝土的热胀冷缩随很多因素变化而变化，所有这些因 素中集料类型的影响最大［14］表3-1列出的是不同类型集料配制的混凝土热膨胀系数的一些 实验值这些数据是通过测试小的混凝土试件得到的，这些试件除集料类型不同外其他因素 都相同，每种情况下细集料与粗集料的材质相同表3-1集料类型对混凝土热膨胀系数的影响（采用不同来源的集料制备的混凝土的膨胀系数的值可能会较大的差异，特别是那些采用卵石、花岗岩和石灰石的混凝土）。
集料的类型（同一来源）热膨胀系数10-6/C石英11.9砂石11.7卵石10.8花冈岩9.5玄武岩0.6石灰石6.8钢筋的热膨胀系数大约为12X10-6/°C，与混凝土的膨胀系数相差不大钢筋混凝土的 膨胀系数可取为11X10-6/C，即为钢筋和混凝土膨胀系数的平均值当混凝土受到另一部分 混凝土或地面的严重约束时，温度变化引起的收缩可以使混凝土开裂［15］假设有一个比较长的受约束混凝土构件，试件浇注时没有设置收缩缝，在潮湿养护后温 度降低，由于温度的降低，混凝土要收缩，但是由于受到纵向约束而不能收缩，就会产生拉 应力而引起混凝土开裂混凝土抗拉强度和弹性模量都可假定与混凝土抗压强度的平方根成 比例［16］假设膨胀系数不随温度变化而且混凝土受到完全约束，那么不论龄期长短和强度 高低，已有计算显示温度降低过大将使混凝土开裂当混凝土一边冷一边热形成的温度梯度 时会产生弯曲，预制墙板、厚板、混凝土路面板易出现这种情况J =Z mm=2 irn图3.1素混凝土墙内外温度不均匀引起的弯曲3・1低温温度降到冰点以下，混凝土继续收缩冰点以下的体积变化量主要受含水率、水行为（物 理状态为固态和液态）和集料类型的影响。
在某一研究中，温度范围为24〜-17°C时，热膨 胀系数从轻集料混凝土的6X10- 6/C变化到砂卵石混凝土的8.2X 10- 6/C对于潮湿混凝土， 温度低于冰点会显著增加抗压强度和抗拉强度及弹性模量对于干混凝土低温不会影响其性 能［17］在同一研究中，湿混凝土在24C时的初始抗压强度为35MPa,而在-100C时抗压强 度超过117MPa,但相同的混凝土烘干或内部相对湿度为50%时，增加的强度大约只有20% 相对湿度为50%的砂卵石混凝土的弹性模量在-10C时只比24C时高8%,而湿混凝土的弹 性模量却增加了 50%，普通混凝土的导热系数也增加了，尤其是湿混凝土3.2高温如果温度高于95C的情况持续几个月甚至几小时，都会对混凝土产生显著的影响混 凝土总的体积变化量是水泥浆和集料体积变化量之和在高温时，水泥浆由于脱水收缩而集 料则膨胀对普通集料混凝土而言，集料的膨胀大于水泥浆的收缩，因而混凝土在总体上是 膨胀的［18］另一方面，一些集料在某特定温度时体积会大幅度或突然变化，导致混凝土破 坏除了体积变化，持续的高温还可能产生其他影响，这种影响通常是不可逆的，例如强度 的降低、弹性模量的减小和导热率的下降。
徐变随温度的增加而增加温度超过100C时， 浆体将开始脱水（失去结合水）而导致强度显著下降强度随温度的增加而下降直至强度完 全丧失［19］图3.2是高温对不同集料所配制的混凝土抗压强度的影响情况混凝土含水量、 集料类型和稳定性、水泥用量、暴露于高温环境的时间、温度上升的速度、混凝土龄期、约 束情况和残余应力等因素都将影响混凝土高温时的行为图3.2温度对不同集料混凝土残余强度的影响（Aitcin ）4硬化混凝土的干燥收缩硬化混凝土吸湿会出现微弱膨胀，干燥则收缩干湿循环对体积变化的影响如图4.1所 示，试件A表示混凝土浇注后一直在水中养护，试件B表示同样的混凝土先在干燥的空气 中养护，然后再干湿循环养护对比结果显示，连续几年在潮湿环境中养护的混凝土才会出 现膨胀，但膨胀不超过150X10-6,这。