混凝土的自縮及其控制措施

　　近年來，隨著混凝土科學的發(fā)展，尤其是高效減水劑和礦物摻合料在混凝土中的廣泛應用，混凝土的水灰比（或水膠比）大大降低。這種低水灰比的混凝土（水灰比不大于0.40）有很高的強度和很低的滲透性，在不發(fā)生裂縫的前提下是十分耐久的。但在低水灰比的情況下，強烈的水化會促使混凝土中毛細管彎月面快速向內(nèi)推進和相對濕度的很快下降，在混凝土中出現(xiàn)自干燥現(xiàn)象（self-desiccation）。混凝土的自干燥必將引起混凝土宏觀體積的減小，這種現(xiàn)象被稱為混凝土的自縮（self-desiccation shrinkage or autogenous shrinkage）。在低水灰比的情況下，混凝土在硬化的早期就會產(chǎn)生很大的自縮。在實際的混凝土工程中，混凝土又不可避免地受到約束的作用。在約束存在的情況下，這種高自縮的混凝土發(fā)生開裂的可能性大大增加。由于混凝土的自縮與混凝土的早期開裂現(xiàn)象關系緊密，因此有必要對混凝土的自縮性能加以研究。

　　本文通過總結近年來國際上對水泥凈漿、砂漿和混凝土自縮性能的研究成果分析混凝土自縮的起因及影響因素，并總結一些減小混凝土自縮的途徑。

　　1、混凝土的自縮及產(chǎn)生機理

　　混凝土的自縮是指混凝土硬化階段（終凝以后），在恒溫、與外界無水分交換的條件下混凝土宏觀

　　體積的減小。自縮和干縮不同，它在混凝土體內(nèi)相當均勻地發(fā)生，而不僅僅在混凝土表面發(fā)生。

　　一般認為，混凝土自縮是混凝土中水泥水化形成的混凝土內(nèi)部空隙產(chǎn)生的毛細管張力造成的。其具體過程如下:水泥和水發(fā)生水化作用時，所形成的水化產(chǎn)物的體積小于水泥和水的總體積，在混凝土具有較大流動性時，混凝土通過宏觀體積的減小來補償水泥水化產(chǎn)生的體積變化，隨著水泥水化的進行，混凝土的流動性逐漸降低，混凝土不能完全靠宏觀體積的減小來補償水泥水化產(chǎn)生的體積變化，這時混凝土通過形成內(nèi)部空隙和宏觀體積減小兩種形式補償水泥水化產(chǎn)生的體積變化。隨著水泥水化的進一步發(fā)展，混凝土產(chǎn)生一定的強度，這時混凝土主要通過形成內(nèi)部空隙來補償水泥水化產(chǎn)生的體積變化。在混凝土終凝以后，雖然水泥水化產(chǎn)生的體積變化主要通過形成內(nèi)部空隙來補償，但由于內(nèi)部空隙的形成而產(chǎn)生的毛細管張力將使混凝土的宏觀體積收縮。在水灰比較高的情況下，混凝土內(nèi)部的毛細管較粗，由于內(nèi)部空隙的形成而產(chǎn)生的毛細管張力很小，混凝土的自縮值也很小。但在水灰比很低的情況下混凝土中的毛細管很細，由于內(nèi)部空隙的形成而產(chǎn)生的毛細管張力很大，混凝土的自縮值也將很大。在早期混凝土強度較低時，混凝土自縮的發(fā)展速度將很大。

　　2、影響混凝土自縮的因素

　　2.1水泥對自縮的影響

　　根據(jù)e·tazawa等人的實驗結果，不同種水泥凈漿的自縮能力是不同的。鋁酸鹽水泥和早強水泥的自縮值較大，而中熱、低熱水泥的自縮值較小，礦渣水泥后期的自縮值較大（21d齡期時的自縮值大于普通水泥的自縮值）。水泥的細度對自縮值也有影響，較細的水泥在早期表現(xiàn)出較大的自縮速度。

　　2.2外加劑對自縮的影響

　　摻加高效減水劑來增大流動度時，高效減水劑可稍微降低自縮值，但不同類型、不同摻加量的高效減水劑對自縮的作用差別很小。干縮減少劑可減小自縮值50%，這可能與干縮減少劑可減小毛細水的表面張力有關。膨脹劑對自縮的作用取決于它的種類，某些氧化鈣型的膨脹劑可以減小自縮；而其他類型的膨脹劑雖在早期有膨脹，但隨后的收縮速度與空白樣相同。引氣劑對混凝土的自縮沒有影響口。

　　2.3礦物摻合料對自縮的影響

　　在水泥中加入比表面積在400平方米/千克以上的礦渣時，其120d的自縮值隨礦渣的摻量（不大于70%）增大而增大；而在水泥中加入比表面積為338平方米/千克的礦渣時，其120d的自縮值不隨礦渣的摻量（不大于70%）改變而增大。在水泥中摻加硅灰將便混凝土的自縮值增大；硅灰的摻量越大，水泥漿自縮值越大。混凝土的自縮值隨粉煤灰摻量的增大而降低，特別是早期自縮值降低得非常明顯。3d齡期后摻加粉煤灰混凝土的自縮增長速度高于空白混凝土。粉煤灰摻量超過20%后，減小自縮的效果并不顯著。在水泥中加入偏高嶺土，在偏高嶺土（比表面積為12平方米/克）含量為10%時，水泥漿（水膠比為0.55）的自縮值最大。在水泥中加入經(jīng)過防水處理的粉末，可以減少自縮。經(jīng)過防水處理的偏高嶺土對自縮的減小作用在后期消失了；而經(jīng)過防水處理的硅質粉末對自縮的減小作用能保持很長時間，其取代量為10%時就對自縮有明顯的減小作用。

　　2.4其他因素對自縮的影響

　　溫度對水泥漿體的自縮影響很大，在15～40℃范圍內(nèi)，水泥漿體的自縮值和自縮速度隨溫度的增加而增加。水灰比對自縮值的影響比較大，隨水灰比減小，混凝土的自縮值和自縮速度增大。隨養(yǎng)護齡期的增加，自縮值逐漸增大，早期自縮值增加得非?？欤院蟀l(fā)展比較緩慢引。混凝土中骨料的含量對混凝土自縮值的影響很大，隨著骨料的含量增加，混凝土的自縮值減小。骨料的種類對混凝土的自縮也有影響，人工輕骨料混凝土的自縮值比普通混凝土小，且輕骨料混凝土的自縮值隨著輕骨料的含濕量和干密度的增加而減小。在混凝土中摻加6%體積分量的鋼纖維，可以降低自縮值20%左右。

　　3控制自縮的方法

　　綜上所述，混凝土的自縮是在混凝土硬化階段中由于水泥水化產(chǎn)生的毛細管張力作用的結果，自縮值的大小受到原材料的種類、配合比以及外界條件的影響。綜合水泥、礦物摻合料對自縮的影響，可將其影響分為材料的活性和材料的細度兩個方面。

　　在材料活性相近的情況下，同樣齡期時較細的材料引起的自縮值較大，正如較細的水泥或礦渣產(chǎn)生較大的自縮。這是由于（1）較細的材料水化較快，產(chǎn)生較大的水的消耗；（2）較細的材料使毛細管細化，較細的毛細管失水時產(chǎn)生較大的張力。

　　在材料細度相近的情況下，在同樣齡期時，活性較高的材料引起較大的自縮。就不同品種的水泥而言，鋁酸鹽水泥和早強水泥的活性較普通硅酸鹽水泥大，其自縮值也較大；中熱、低熱水泥的活性較普通硅酸鹽水泥小，其自縮值也較小。

　　就使用的礦物摻合料而言，硅灰和偏高嶺土均屬于特細的材料，其中硅灰更細一些，若二者的活性相近，硅灰的自縮值應更大一些。但由于偏高嶺土中含有大量鋁的氧化物，其活性遠高于硅灰。因此，在10%偏高嶺土取代量的情況下，普通硅酸鹽水泥的水化和偏高嶺土的火山灰反應能達到匹配，達到最大自縮值；而摻加硅灰時的自縮值則隨其摻量的增加而增大。

　　就比表面積相近的礦渣和粉煤灰礦物摻合料而言，礦渣的活性要大于粉煤灰，因而摻加粉煤灰可以減少自縮而摻加礦渣則不能減少自縮。而由于礦渣水泥中礦渣的顆粒很粗，活性較小，所以礦渣水泥的自縮值小于普通硅酸鹽水泥的自縮值。加入經(jīng)防水處理的粉末能減小自縮值，其原因可能有以下兩點：（1）這種憎水性物質的活性很低，就相當于加入了惰性材料，減少了活性材料；（2）這種物質的加入使毛細管的管徑變粗。

　　通過上述分析，從原材料的種類、配合比來綜合考慮控制混凝土的自縮的方法。減少混凝土自縮的途徑大致可分為以下幾點。

　?。?）盡量避免使用高細度的水泥和礦渣。

　　（2）硅灰和礦渣的摻量不要太大；使用偏高嶺土做礦物摻合料時，避免使用10%的取代量。

　　（3）在混凝土中摻加一定量的粉煤灰作為礦物摻合料。

　　（4）考慮使用于縮減少劑或經(jīng)防水處理的硅質粉末。

　?。?）考慮使用有吸水性的人工或天然骨料，并在使用前吸足水分。

　?。?）在情況許可的情況下，適當加大骨料的含量以及水膠比。