混凝土的自缩性研究

高文龙;张兴刚

摘要:混凝土的自干燥必将引起混凝土宏观体积的减小,这种现象被称为混凝土的自缩(self-desiccation shrinkage or autogenous shrinkage)。由于混凝土的自缩与混凝土的早期开裂现象关系紧密,因此有必要对混凝土的自缩性能加以研究。

Abstract:The self-drying of the concrete may cause the shrinkage of the volume, and this is called the self-desiccation shrinkage or autogenous shrinkage. Since the self-desiccation shrinkage is closely related with the early cracking, research should be done on the self-desiccation shrinkage of the concrete.

关键词:水灰比;自缩;矿物掺合料

Key words:water-cement ratio;self-desiccation;mineral admixtures

中图分类号:TU74 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0202-01

1 综述

近年来,随着混凝土科学的发展,尤其是高效减水剂和矿物掺合料在混凝土中的广泛应用,混凝土的水灰比(或水胶比)大大降低。在低水灰比的情况下,混凝土在硬化的早期就会产生很大的自缩。在实际的混凝土工程中,混凝土又不可避免地受到约束的作用。在约束存在的情况下,这种高自缩的混凝土发生开裂的可能性大大增加。

2 混凝土的自缩及产生机理

混凝土的自缩是指混凝土硬化阶段(终凝以后),在恒温、与外界无水分交换的条件下混凝土宏观体积的减小。自缩和干缩不同,它在混凝土体内相当均匀地发生,而不仅仅在混凝土表面发生。

一般认为,混凝土自缩是混凝土中水泥水化形成的混凝土内部空隙产生的毛细管张力造成的。其具体过程如下:水泥和水发生水化作用时,所形成的水化产物的体积小于水泥和水的总体积,在混凝土具有较大流动性时,混凝土通过宏观体积的减小来补偿水泥水化产生的体积变化,随着水泥水化的进行,混凝土的流动性逐渐降低,混凝土不能完全靠宏观体积的减小来补偿水泥水化产生的体积变化,这时混凝土通过形成内部空隙和宏观体积减小两种形式补偿水泥水化产生的体积变化。在早期混凝土强度较低时,混凝土自缩的发展速度将很大。

影响混凝土自缩的因素:(1)水泥对自缩的影响。根据E·Tazawa等人的实验结果,不同种水泥净浆的自缩能力是不同的。铝酸盐水泥和早强水泥的自缩值较大,而中热、低热水泥的自缩值较小,矿渣水泥后期的自缩值较大(21d龄期时的自缩值大于普通水泥的自缩值)。水泥的细度对自缩值也有影响,较细的水泥在早期表现出较大的自缩速度。(2)外加剂对自缩的影响。掺加高效减水剂来增大流动度时,高效减水剂可稍微降低自缩值,但不同类型、不同掺加量的高效减水剂对自缩的作用差别很小。干缩减少剂可减小自缩值50%,这可能与干缩减少剂可减小毛细水的表面张力有关。膨胀剂对自缩的作用取决于它的种类,某些氧化钙型的膨胀剂可以减小自缩;而其他类型的膨胀剂虽在早期有膨胀,但随后的收缩速度与空白样相同。引气剂对混凝土的自缩没有影响。(3)矿物掺合料对自缩的影响。在水泥中加入比表面积在400平方米/千克以上的矿渣时,其120d的自缩值随矿渣的掺量(不大于70%)增大而增大;而在水泥中加入比表面积为338平方米/千克的矿渣时,其120d的自缩值不随矿渣的掺量(不大于70%)改变而增大。在水泥中掺加硅灰将使混凝土的自缩值增大;硅灰的掺量越大,水泥浆自缩值越大。混凝土的自缩值随粉煤灰掺量的增大而降低,特别是早期自缩值降低得非常明显。3d龄期后掺加粉煤灰混凝土的自缩增长速度高于空白混凝土。粉煤灰掺量超过20%后,减小自缩的效果并不显著。在水泥中加入偏高岭土,在偏高岭土(比表面积为12平方米/克)含量为10%时,水泥浆(水胶比为0.55)的自缩值最大。在水泥中加入经过防水处理的粉末,可以减少自缩。经过防水处理的偏高岭土对自缩的减小作用在后期消失了;而经过防水处理的硅质粉末对自缩的减小作用能保持很长时间,其取代量为10%时就对自缩有明显的减小作用。(4)其他因素对自缩的影响。温度对水泥浆体的自缩影响很大,在15～40℃范围内,水泥浆体的自缩值和自缩速度随温度的增加而增加。水灰比对自缩值的影响比较大,随水灰比减小,混凝土的自缩值和自缩速度增大。随养护龄期的增加,自缩值逐渐增大,早期自缩值增加得非常快,以后发展比较缓慢。混凝土中骨料的含量对混凝土自缩值的影响很大,随着骨料的含量增加,混凝土的自缩值减小。骨料的种类对混凝土的自缩也有影响,人工轻骨料混凝土的自缩值比普通混凝土小,且轻骨料混凝土的自缩值随着轻骨料的含湿量和干密度的增加而减小。在混凝土中掺加6%体积分量的钢纤维,可以降低自缩值20%左右。

3 控制自缩的方法

综上所述,混凝土的自缩是在混凝土硬化阶段中由于水泥水化产生的毛细管张力作用的结果,自缩值的大小受到原材料的种类、配合比以及外界条件的影响。综合水泥、矿物掺合料对自缩的影响,可将其影响分为材料的活性和材料的细度两个方面。

3.1 材料细度的影响。在材料活性相近的情况下,同样龄期时较细的材料引起的自缩值较大,正如较细的水泥或矿渣产生较大的自缩。这是由于:(1)较细的材料水化较快,产生较大的水的消耗;(2)较细的材料使毛细管细化,较细的毛细管失水时产生较大的张力。

3.2 材料活性的影响。在材料细度相近的情况下,在同样龄期时,活性较高的材料引起较大的自缩。就不同品种的水泥而言,铝酸盐水泥和早强水泥的活性较普通硅酸盐水泥大,其自缩值也较大;中热、低热水泥的活性较普通硅酸盐水泥小,其自缩值也较小。

就比表面积相近的矿渣和粉煤灰矿物掺合料而言,矿渣的活性要大于粉煤灰,因而掺加粉煤灰可以减少自缩而掺加矿渣则不能减少自缩。而由于矿渣水泥中矿渣的颗粒很粗,活性较小,所以矿渣水泥的自缩值小于普通硅酸盐水泥的自缩值。加入经防水处理的粉末能减小自缩值,其原因可能有以下两点:(1)这种憎水性物质的活性很低,就相当于加入了惰性材料,减少了活性材料;(2)这种物质的加入使毛细管的管径变粗。

3.3 减小混凝土自缩的方法。通过上述分析,从原材料的种类、配合比来综合考虑控制混凝土的自缩的方法。减少混凝土自缩的途径大致可分为以下几点:(1)尽量避免使用高细度的水泥和矿渣。(2)硅灰和矿渣的掺量不要太大;使用偏高岭土做矿物掺合料时,避免使用10%的取代量。(3)在混凝土中掺加一定量的粉煤灰作为矿物掺合料。(4)考虑使用于缩减少剂或经防水处理的硅质粉末。(5)考虑使用有吸水性的人工或天然骨料,并在使用前吸足水分。(6)在情况许可的情况下,适当加大骨料的含量以及水胶比。

4 结束语

对混凝土自缩性的研究对具体工程而言有重大的现实意义。它能使我们对混凝土这种在现阶段应用最广泛的建筑材料更深刻的掌握其本质,同时也丰富了混凝土的理论基础。