收缩对高强混凝土短期变形行为的影响

刘晔琴

(吕梁高速公路有限公司，山西吕梁 033000)

0 引言

高强度材料的应用越来越普遍，导致长跨度小刚度的混凝土结构体频繁变形，已经将其作为标准设计的重要考虑因素。外部负载，环境条件，以及有害反应可能会导致在结构体中产生应力。对于高强混凝土结构，本身抗断裂应力能力低，内应力因素通常会导致其龟裂，并降低其结构耐久性。混凝土收缩的抑制对高强混凝土结构的开裂和变形有重要的作用，但是经常被忽视。在一般实践中，蠕动收缩［1-3］是在预加应力的损失或长期的变形分析中经常被考虑。然而，即使在第一次加载，无收缩混凝土的应变程度可能是远远超过了开裂应变。由于钢筋或特殊性结构体系的制约作用，混凝土的收缩引起应力可能会显著降低抗裂性和提高高强混凝土构件的变形。由于这种影响效果通常被忽视，因此，利用传统的本构物理模型［4］预测短期变形和裂缝宽度可能产生错误。

早在20世纪下半叶，斯坎伦和其他研究人员在研究钢筋混凝土的变形行为的实验中就指出收缩影响的重要性。由于第一次尝试评估钢筋混凝土结构设计中的收缩效果，调查主要从两个独立的方面进行。一方面，收缩被认为是混凝土的材料属性。材料科学家认为混凝土中混合物的组合物和化学添加剂对收缩变形起着重要的作用，忽略结构性问题。另一方面，结构的研究，认为对结构行为的收缩对整体收缩起关键的作用，主要摒弃了经验公式中所涉及的简单开裂和变形分析中拉伸或弯曲应力的影响。

1 混凝土的收缩

混凝土的收缩即随着时间的延长混凝土体积减小。收缩效应可以看作是一个复杂的物理现象，涉及几个过程:水泥水化形成内结构，物理机械性能的变化，水分的运输。收缩变形的四个主要来源是塑性收缩，自体收缩，碳化收缩和干燥收缩。

1)塑性收缩即水分从混凝土内部结构散失到周围环境中。

2)自体收缩是混凝土的最早期收缩，水从毛细管孔损失和水化引起而不含水的环境损失。在较低的水灰比(W/C)或较高的水泥含量情况下，自体收缩增加明显。自体收缩发生主要是由两个因素引起的，第一是化学反应，即在混凝土中内部水发生水化反应而体积减小，第二是自干燥(水的内部消耗)作用，水分显著减少(0.2 ＜W/C ＜0.42)。

3)碳化收缩是由各种水泥水化产物与环境中的二氧化碳发生化学反应引起的。

4)干燥收缩是由于水分在混凝土硬化过程中的损失，进而导致了体积变化。为了使内部与外界环境湿度达到平衡，所以内部水分在毛细管压力的作用下，从内部流动到外表面而导致干燥收缩。由于混凝土较薄的结构(具有较高的表面积与体积比)中水的快速损耗，因此干燥收缩相比其他上述因素可能成为最显著的因素。

一般情况下，干燥收缩和自体收缩在混凝土收缩中起着重要的作用，是两个主要组成部分。虽然自体收缩在20世纪初进行了相关报道，但是对于其对结构性能的影响被忽略，被认为只有在水灰比高的情况下才更加明显。当钢筋在低水灰比的高强度混凝土(HSC)结构应用条件下，自收缩才开始引起了关注。对于普通强度混凝土，自收缩作用不太明显，不必区分自体收缩和干燥收缩，可以认为随时间均匀收缩。在高强混凝土中，自体和干燥收缩应加以区别，因为这些收缩不同的时间段将显著不同。

有些学者指出影响收缩的最实质的因素是水灰比。另外，收缩还取决于该混合物的比例，聚合性能，固化的方法，环境温度和湿度条件。影响收缩的其他因素包括:

1)水泥的特性。在研磨过程中，加入到熟料中石膏的比例对混凝土收缩有关键作用。

2)粘土状骨料将增加干燥收缩。

3)集料的种类，高吸水性的集料将增加变形收缩率。

4)干燥收缩率正比于集料的绝对体积。收缩率与单位水含量存在一定的关系。尺寸较小的集料，需要更多的水分，收缩率增加。

5)在混合过程中，混凝土温度的提高将增加收缩率以确保水的需求的供应。

6)有些化学外加剂如水缓凝剂可能会显著提高干燥收缩。

电网信息化水平评价体系建设过程主要包括评价体系框架设计、评价体系指标设计、评价指标权重设计和评价指标评分标准设计四个环节，最终研究制定一套切实可行的电网信息化水平评价指标体系。具体原则如下：

集料的变形特性也对混凝土的干燥收缩影响显著。已经报道，如果增加集料的变形性能，收缩率会增加2.5倍。不同于干燥变形，自收缩的变形特性实际上不依赖于粗骨料，只要粗骨料体积不变，其种类对自收缩的影响非常小。

收缩引起的应力可能是难以量化的，由于松弛效应，不等于弹性应力。虽然应力松弛类似于蠕变，蠕变可以被看作在恒定负荷下随时间变化的变形，而应力松弛指恒定的变形条件下，应力逐渐减小。

2 减小收缩对混凝土的变形影响

正如上述指出的，收缩的幅度取决于混凝土配合比和材料特性，固化的方法，环境温度，湿度条件及构件的几何形状。克劳斯认为，若集料的弹性模量低、热膨胀系数低、热导率高，将减小收缩应力和热应力。高弹性模量的集料将增加混凝土的弹性模量，从而减小干燥收缩变形。

Miller报道了提高桥梁结构的抗裂性的建议，通过以下措施可降低收缩效应:

1)通过增加减少水泥的量，比如骨料粒径。

2)使用缓凝剂(例如飞灰)，从而降低了需水量和水化温度。

3)确保浇筑和混凝土养护质量。

4)减小水与水泥之比。

5)添加收缩补偿外加剂。

收缩引起的裂缝扩展可以通过减小变形的结构性限制得到控制。具体可以在设计阶段通过减少结构间距来实现。利用饱和轻质骨料替代部分砂进而释放更多的水和水泥水化，减少了内部干燥。

罗素提供了一些做法可减少钢筋混凝土桥梁的甲板开裂:

1)减少横向杆尺寸和间距;

2)降低混凝土强度;

3)尽量减少预制混凝土表面蒸发;

4)完成表面后立即应用湿固化方法;

5)应用湿固化后的固化化合物。

延长固化时间可以降低渗透性，导致了水泥水化更充分，减少游离水含量和收缩。此外，在收缩开始时增加拉伸强度，提高抗裂性。其中提高钢筋混凝土结构的耐久性的最好方法之一是将纤维作为添加剂。已经证明，在混凝土中应用纤维能够降低收缩混凝土的变形。与普通混凝土相比，掺杂了1%纤维的高强混凝土其收缩率减少了10%［5］。研究还发现，收缩率的减少不仅依赖于强度而且还与纤维形状有关。另外，掺杂0.5%纤维(按体积计)可以降低90%裂缝宽度。纤维增强稳定增长的有效性随着纤维含量从0.3%增加到1.0%，若超过一定限制，纤维的有效性降低［6，7］。

3 结语

混凝土收缩和蠕变对抗裂性和结构变形有重要的影响。为了提高高强混凝土的养护性能，在设计阶段可注意以下几个方面的问题:

1)混凝土配合比;2)集料的机械性能;3)固化的方法;4)环境温度和湿度条件;5)结构体的几何形状。

为了减轻高强混凝土中裂纹的发展，可以减少水泥含量或用膨胀的粘合剂代替它，使用具有较高的弹性模量的集料，在满足和易性的要求情况下尽量减少水灰比。减少混凝土内部结构约束和增加纤维的应用，降低加强体的弹性模量，从而减小收缩引起的开裂。

［1］姜永东，鲜学福.巷道岩体蠕变断裂失稳区预测研究［J］.岩土工程学报，2008，30(6)：906-910.

［2］黄炳香.温度影响下北山花岗岩蠕变断裂特性研究［J］.岩土力学，2006，24(S2)：203-206.

［3］杨挺青.含裂纹体蠕变断裂理论及其应用研究［J］.力学进展，1999，29(2)：178-183.

［4］王正东.蠕变断裂局部损伤方法的有限元模型［J］.材料工程，1998(4)：6-8.

［5］Gribniak V，Kaklauskas G，Bacinskas D，et al.Investigation of shrinkage of concrete mixtures used for bridge construction in Lithuania.Baltic J Road Bridge Eng，2011(6)：77-83.

［6］Beygi MHA，Kazemi MT，Nikbin IM，et al.The effect of water to cement ratio on fracture parameters and brittleness of self-compacting concrete.Mater Des，2013(50)：267-276.

［7］Gribniak V，Kaklauskas G，Kwan AKH，et al.Deriving stressstrain relationships for steel fibre concrete in tension from tests of beams with ordinary reinforcement.Eng Struct，2012(42)：387-395.