（材料学专业论文）高强混凝土内养护机制与控制技术研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 高强混凝土具有优异的力学性能，能大幅提高构件承载力，或在承载力 相同时，减小构件截面的尺寸，节省原材料，提高建筑的美学效果，在高层 建筑、大跨度桥梁等工程中得到了广泛的应用。制备高强混凝土通常采用的 技术方法是使用高效减水剂降低混凝土的水胶比、加入硅灰等高活性矿物掺 合料，这些技术的应用使混凝土强度得到显著改善，但增大了混凝土内水分 消耗，并由此产生较大的自收缩，成为高强混凝土易开裂的重要原因之一。 本文围绕高强混凝土的白干燥和自收缩等问题作了系统全面的研究。研究 了高强混凝土早期白干燥的规律，水胶比和矿物掺合料对混凝土内部相对湿度 与自收缩的影响规律，结果表明，降低水胶比、掺加硅灰会加快混凝土早期内 部相对湿度的下降。建立了混凝土内部相对湿度与自收缩的函数关系，为通过 调节混凝土内部相对湿度抑制自收缩提供了依据。 模拟混凝土内的相对湿度条件，研究了不同种类内养护材料的吸水、释水 规律，提出了内养护材料选择准则。研究了内养护材料的种类、掺量和掺加方 式对混凝土内部相对湿度与自收缩的影响规律。结果表明，不同种类轻集料和 高吸水性树脂对高强混凝土内部相对湿度调节作用各不相同，粘土陶粒和高吸 水性树脂的吸水和保水能力优于页岩陶粒，合理分配其引入的内养护水量，将 两者复合掺入混凝土中，对混凝土各龄期的白干燥均有较好的缓解作用，可明 显减小混凝土自收缩，获得比单掺一种内养护材料更好的养护效果。 研究了混凝土圆柱体在不同龄期的内部相对湿度的空间分布规律。结果表 明，高强混凝土内部各点的相对湿度相差很小，但靠近表面处的相对湿度低于 内部的相对湿度。内养护材料的引入可明显提高混凝土内部的相对湿度，缓解 白干燥，并对混凝土表面附近的水分蒸发也有一定的补偿作用。 利用约束可调式混凝土温度应力机研究了高强混凝土的抗裂性能，以及内 养护材料改善混凝土抗裂性能的效果，提出了适合内养护混凝土的抗裂性能评 价方法。结果表明，将粘土陶粒与高吸水性树脂作为内养护材料共同掺入混凝 土中，能减小混凝土的收缩与弹性模量，以及在约束条件下混凝土早龄期的拉 应力，提高其应力储备，改善抗裂性能。 关键词：高强混凝土，内部相对湿度，白干燥，自收缩，内养护 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ( h s c ) h a se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i tc o u l d i n c r e a s eb e a r i n gc a p a c i t yo fs t r u c t u r a lm e r n b e r , o rr e d u c et h es e c t i o na r e au n d e rt h e s a m eb e a r i n gc a p a c i t yc o m p a r e dt on o r m a ls t r e n g t hc o n c r e t e t i l i sc o u l ds a v er a w m a t e r i a l so rh e i g h t e na e s t h e t i ce f f e c to fc o n s t r u c t i o nw o r k s s oh s ci sw i d e l yu s e di n h i g h r i s eb u i l d i n g sa n dl o n g s p a nb r i d g e s b u tt h eh i 曲- s t r e n g t h e n i n gm e a s u r e so f c o n c r e t ea r et o1 0 w e rw a t e r b i n d e rr a t i o ( w br a t i o ) b ys u p e r p l a s t i c i z e ra n d i n c o r p o r a t eh i g h l ya c t i v em i n e r a la d m i x t u r e ss u c ha s s i l i c af u m e w h i c hg r e a t l y e n h a n c et h es t r e n g t ho fc o n c r e t eb u tl e a dt os e r i o u se a r l y - a g es e l f - d e s i c c a t i o na n d a u t o g e n o u ss h r i n k a g ec r a c k i n gd u e t ot h er a p i dc o n s u m p t i o no fw a t e r t l l i sp a p e rf o c u s e so ne a r l y - a g es e l f - d e s i c c a t i o na n da u t o g e n o u ss h r i n k a g eo f h s c ，w h i c hi n c l u d e st h ef e a t u r eo fs e l f - d e s i c c a t i o na n de f f e c to fw b r a t i oa n d m i n e r a la d m i x t u r e so ni n t e r n a lr e l a t i v eh u m i d i t y ( i r h ) a n da u t o g e n o u ss h r i n k a g eo f c o n c r e t e r e s u l t si n d i c a t et h a tl o w e r i n gw br a t i oa n di n c o r p o r a t i n gs i l i c af u m ec o u l d a c c e l e r a t et h ed e c r e a s eo fi r ha te a r l ya g e n l er e l a t i o n s h i po fi r ha n da u t o g e n o u s s h r i n k a g ei sa l s oe s t a b l i s h e d ，w h i c hc o u l dp r o v i d e t h eb a s i sf o rm i t i g a t i n ga u t o g e n o u s s h r i n k a g eb yc o n t r o l l i n gi r h o fc o n c r e t eu s i n gi n t e r n a lc u r i n gm a t e r i a l s w a t e ra b s o r p t i o na n dr e l e a s eo fi n t e r n a lc u r i n gm a t e r i a l sa r ed i s c u s s e du n d e rt h e c o n d i t i o nw h i c hi st h es i m u l a t i o no fc o n c r e t e t h e ni n t e m a lc u r i n gm a t e d a l sf o rt h e n e x ts t u d ya r es e l e c t e d t h ee f f e c to ft y p e s 。d o s a g e sa n di n c o r p o r a t i o nm e t h o d so f i n t e r n a lc u r i n gm a t e r i a l so ni r ha n da u t o g e n o u ss h r i n k a g ea r es t u d i e da n dr e s u l t s i n d i c a t et h a tw a t e rr e t e n t i o nc a p a c i t yo fe x p a n d e dc l a ya n ds u p e ra b s o r b e n tp o l y m e r i ss u p e r i o rt ot h a to fe x p a n d e ds h a l e c o m p o u n do fp r e s a t u r a t e de x p a n d e dc l a ya n d s u p e ra b s o r b e n tp o l y m e ri nc o n c r e t ec o u l dg r e a t l ym i t i g a t e s e l f - d e s i c c a t i o na n d r e d u c ea u t o g e n o u ss h r i n k a g ea td i f f e r e n ta g e sa n do b t a i nab e t t e ri n t e r n a lc u r i n g e f f e c tc o m p a r e dt oc o n c r e t ew i t ho n l yo n ek i n do fi n t e r n a lc u r i n gm a t e r i a l s p a c i a ld i s t r i b u t i o no fi r hi nc y l i n d r i c a ls p e c i m e na t d i f f e r e n ta g e si sa l s o d i s c u s s e d r e s u l t si n d i c a t et h a ti r hi sa l m o s tt h es a m ei nh s cb u ti r hn e a rt h e s u r f a c ei sl o w e rt h a nt h ei n n e ri r h i n t e r n a lc u r i n gm a t e r i a l sc o u l dn o to n l ym i t i g a t e s e l f - d e s i c c a t i o na n di n c r e a s ei r hi n s i d et h es p e c i m e n ，b u ta l s ot a k eac o m p e n s a t i o n e f f e c tf o re v a p o r a t i o no fw a t e rn e a rt h es u r f a c eo fc o n c r e t e e f f e c to fi n t e r n a lc u r i n gm a t e r i a l so nc r a c kr e s i s t a n c eo fh s ci ss t u d i e db y i l 武汉理工大学硕士学位论文 u n i a x i a lr e s t r a i n tt e s t i n gm e t h o d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，am o d i f i e d m e t h o df o r t h ee v a l u a t i o no fc r a c kr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ew i t hi n t e r n a lc u r i n g m a t e r i a l si sp u tf o r w a r d t h er e s u l t so fu n i a x i a lr e s t r a i n tt e s ti n d i c a t et h a ti n t e r n a l c u r i n gm a t e r i a l sm a d eu po fe x p a n d e dc l a ya n ds u p e ra b s o r b e n tp o l y m e rc o u l dr e d u c e t h es h r i n k a g ea n de l a s t i cm o d u l u sa sw e l la st h et e n s i l es t r e s su n d e rc o n s t r a i n ta te a r l y a g e a 1 1o ft h e s ee f f e c t sc o u l di n e r e a s et h es t r e s sr e s e r v ea n de n h a n c et h ec r a c k r e s i s t a n c eo fh s c k e y w o r d s ：h i 曲s t r e n g t hc o n c r e t e ，i n t e r n a l r e l a t i v eh u m i d i t y , s e l f - d e s i c c a t i o n ， a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ，i n t e r n a lc u r i n g i i l 独创性l 声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表获撰写过的研究成果，也 不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煎日期：丝! 呈：查 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：匿丝导师签名：邀日期： 沙昕j 武汉理丁大学硕十学位论文 l 。1 概述 第1 章绪论 高强混凝土是指采用常规的水泥、砂、石为原材料，使用一般的制作工艺， 主要依靠添加高效减水剂或同时添加一定数量的活性矿物材料，使新拌混凝土 具有良好的工季# 性，并在硬曩二惑具有高强高密实性能的水泥混凝- it 玎。以当前的 技术水平和应用规模而论，抗压强度超过5 0 , - , 6 0 m p a 的混凝土为高强混凝土， 8 0 m p a 以上者则称为超高强混凝土。 1 1 1 高强混凝土的发展 1 8 2 4 年英国工匠阿斯普丁发明硅酸盐水泥，为现代混凝土的诞生奠定了基 础，混凝土的强度也随硅酸盐水淀技术的进步而迅速提高。 早在上世纪4 0 年代，嚣本藏曾有抗压强度达到1 0 0 m p a 的混凝土用于工程 的报导。到上世纪6 0 年代，美囡已有强度相当于我国c 5 0 到c 6 0 的商晶混凝土 大规模应用于建筑工程。1 9 6 0 年前后，我国也曾用抗压强度高达1 0 0 m p a 的混 凝主在北京建成跨度为1 8 m 的预应力屋架，用于6 0 0 0 m 2 的工鲎厂房建筑。但是 这些赭强混凝土都是干硬性的，施工相当困难，无法大规模推广应用。 为解决高强混凝土工作性能较差的问题，各国纷纷研制开发了高效减水剂， 用高效减水斋| 配制普通工艺的高强混凝土是1 9 6 4 年在日本酋先兴起的。到上世 纪7 0 年代末期，瞬本已能生产强度相当于c 8 0 , - , c 9 0 的高强混凝土。1 9 7 2 年起 德国等西欧国家也陆续应用高效减水剂，但更多的是用来配制流态混凝土而不 是高强混凝土。大约从1 9 7 6 年起，北美国家采用高效减水剂，成功配制出高强 混凝主，用于当时兴建的蒙持利尔奥棘匹壳体育馆的5 0 0 0 个预制构件中，以后 则广泛地用于高层建筑中【l 】。 以硅灰为代表的高活性矿物掺合料的应用使混凝土的强度不断刷新纪录， 使用礁灰著掺加高效减水荆，可在普通工艺下颦可制各抗压强度1 0 0 m p a 以上豹 混凝土。日本学者t a c h i b a n a 用1 0 的硅灰替代水泥，在水胶比o 2 2 的条件下， 制备出坍落度2 0 e m ，2 8 d 抗压强度1 2 0 m p a 以上的混凝土。法国在1 9 9 1 年修建 了一座预应力混凝土桥，跨度为5 3 0 m ，混凝主中掺入了一定量的硅灰，其2 8 d 武汉理工大学硕七学位论文 强度达到1 0 0 m p a 以上t 嚣。 过去，我国混凝土的强度一直低于世界平均水平。美囡在上世纪8 0 年代初 的混凝土平均强度已超过4 0 m p a ，其中预应力构件的混凝土平均强度已达到 7 0 m p a ；前苏联在同一时期的湿凝平均强度也已超过3 0 m p a ，5 0 q s o m p a 的混 凝土也已得到大量应用；德国的混凝土平均强度为4 0 m p a 左右；日本应用的混 凝土强度也普遍高于3 0 m p a ，而我国当时应用的混凝土平均强度仅有2 0 m p a 左 右，落蜃于发达国家承平h j 。 近些年来，随着国民经济的发展与混凝土技术的进步，我国混凝土平均强 度有了显著提高，目前商品混凝土企业生产的混凝土强度等级多为c 3 0 一c 5 0 ， 部分桥梁、高层建筑等重要工程应用的混凝土强度等级已达到c 6 0 乃至c 8 0 以 上。鞴翦，我国灞凝土的平均强度已接近世界平均水平。 从混凝土的发展历程可见，高强混凝土强度的界定并非一成不变，随着混 凝土技术的进步，高强混凝土的强度下限也将不断提高。 值得注意的是，随着水泥基材料制备技术熬不断进步，近年来出现的三静 超高强胶凝材料： d s p 水泥( d e n s i f i e ds y s t e m sc o n t a i n i n gh o m o g e n e o u sa r r a n g e du l t r a f i n e p a r t i c l e ) ：均匀排列高致密超细颗粒 m d f 水泥( m a c r od e f e c tf r e ec e m e n t ) ：无宏观缺陷水泥 r p c 活性粉术混凝土( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ) 。 这些先进材料的力学性能更优于建筑结构用高强混凝土，但其原材料、制 备工艺与用途都与本文新涉及的高强混凝土桷距甚远，因此不在本文的讨论范 围之内。 1 1 2 高强混凝土的特点 高强混凝土的重要特点是高耐久、高强度，能适应现代工程结构向大跨、 重载发展和承受恶劣环境条件的需要。用高效减水剂配制的高强混凝土般具 有坍落度大和早强的性能，因而便于浇注和加快模板周转速度。 高强混凝土的抗压强度很高，能使钢筋浞凝土柱和拱壳等受压构件的承载 能力大辐提高，或在相同的荷载下使构件的截面减小。对于预应力钢筋混凝土 构件，使用高强混凝土可以施加更大的预应力，或更早地施加预应力，高强混 2 武汉理工大学硕士学位论文 凝土较小的徐变还可减小预应力损失。 对于结构物来说，减小截面尺寸意味着降低结构自重。当结构物自重占全 部荷载的主要部分时，应用高强混凝土就有重要的意义，能减轻地基基础的负 担。减小截面尺寸，对房屋建筑来说还意味着增加使用面积或有效空间；对桥 梁建筑则意味着增加桥下净空或降低两岸路堤标高；对地下建筑来说意味着减 少岩土开挖量。另外，在工程中同时使用不同强度混凝土，可以尽量统一构件 尺寸，为统一施工模板提供了条件。所有这些间接的好处远比节约结构本身的 材料用量或降低造价更为重要。 高强混凝土材料致密坚硬，抗渗、抗碳化和抗冻性能均优于普通强度混凝 土。所以露天的、遭海水侵蚀的、受高速流体冲刷的、或易遭碰撞损害的工程 构筑物，均宜采用高强混凝土。尤其是基础设施工程，有的需要有1 0 0 年以上 的使用寿命，常选用高强混凝土作为结构材料【l 】。 1 1 3 高强混凝土的应用 高强混凝土优异的力学性能使其在建筑工程中得到了广泛而大量的应用， 表1 1 和表1 2 是国外高强混凝土在桥梁工程和高层建筑中的应用实例，表l 一3 是我国高强混凝土的应用实例【1 1 。 表1 1桥梁工程应用高强混凝土的实例 武汉理t 大学硕士学僚论文 棱湘复线红水潭大桥 衡广复线武永大桥 东莞中堂大桥 广东洛溪大桥 京津塘高速公路凉水河大桥 首都机场新航站楼 沈阳皇朝万鑫大厦 1 9 7 9主跨9 6 m 1 9 8 7主跨6 4 m 1 9 8 2主跨4 5 m 1 9 8 7全长1 9 1 6 0 4 m 1 9 9 0预制零型梁2 0 m 跨度 2 0 0 0 。_ _ 2 0 0 5高度2 6 0 m 6 0 m p a 6 3 m p a 6 7 m p a 6 0 m p a 5 3 m p a ( 3 d ) 6 5 m p a 1 0 0 m p a 除了大跨度桥梁和高层建筑外，高强混凝土还广泛用于以下工程： 高架结构高强混凝土在高架道路礅台和单轨墩台中能发挥重要的作 用。如用于城市中的高架交通结构物以及渡槽等，可减少支柱数量或尺寸。 大跨蓬盖主要用于空间结构体系，持别是用于悬挑的看台屋盏。例如 阿联酋首都的国庆检阅台，混凝土强度为7 0 m p a 。 防护工程建造抵抗武器作用的高抗力工事，用于导弹发射井，工事头 部以及防护门等。 4 武汉理丁大学硕士学位论文 隧道、矿井等地下工程高强混凝土可用于地下隧道的衬砌，尤其是用 作隧道的预制管片。高强混凝土持别适用于深层矿井，英国有两个煤矿用强度 达1 0 0 m p a 的高强混凝土建造井壁，用来抵抗很高的地下水压力。用高强混凝土 修建岩石中的地下工程，出于壁犀减薄，麓够减少毛漏尺寸。 水厂结构用于有高速水流冲刷的水坝溢洪道、泄水洞和消力池以及水 电厂的护壁等。美国宾夕法尼亚州有一个水坝的消力池混凝土遭受严重消蚀， 后来魇强度相当予c ll o 、坍落度达2 3 c m 的高强混凝土枣 强获得成功。 保险库已有用高强混凝土建造银行保险库的不少实例。 车库和重型厂房主要用于面层，增强结构抗腐蚀和抗磨能力。 筒仓挪威1 9 8 2 年曾建二个直径2 7 m 、高2 8 m 的菘强混凝土篱仑，后张 筒壁厚2 7 c m ，用滑模法花工，用于贮藏亚磷酸钙肥料，混凝土中掺入礁灰，强 度达6 5 m p a ，并且提高了材料的防化学腐蚀性能。1 9 8 5 年另一个贮仓建立直 径3 2 5 m ，高1 0 0 m 厚2 6 c m 。 路面工程挪威曾试焉离强混凝土修建公路路面，提高路面抵抗轮胎防 滑铁链磨损的能力。此外，高强混凝土也被用来作为已有路面的修补材料和修 建机场跑道。 离强混凝与钢管组合作成的钢管高强混凝土柱是兼具高强和高延性的理 想构件，除用于桥粱外，瑞士瞥篇内填8 0 m p a 混凝土的钢管柱作5 层地下停车 场的柱子。 l 。2 高强混凝的开裂敏感性及其原因 高强混凝土具有优异的力学性能，被大量用于建筑工程，但人们很快发现， 高强混凝土比普通强度的混凝土更容易开裂，尤其是早期开裂现象十分普遍， 甚至已出现高强混凝土早期- 歼裂造成的工程事故，这雩| 越了学术界和工程界的 高度关注，并对此做了大量研究工作。 h o l l a n d t c 等人研究发现：修复大坝消能池所用的超高强混凝土，施工后 2 - - 3 d 内就产生贯穿裂缝【3 。1 9 8 0 年，在德露斯图加特黑玻璃纤维增强混凝土修 建的跨度3 1 m ，厚度1 5 m m 的花园顶棚，在混凝土硬化期间即开裂【4 】。w i t t m a n t 习 等人对强度分别为3 5 m p a 和7 0 m p a 混凝土在同样的干燥环境中进行干燥试验， 研究结果表明：受约束高强混凝只有1 3 d 就出现非稳定性裂缝，面普遥混凝土 5 武汉理t 大学硕士学位论文 则需要5 0 髓。 收缩往往是导致混凝土开裂的直接原因，混凝土收缩包括以下几种类型 6 】： ( 1 ) 化学收缩。它是指水泥矿物在水化时，由于反应体系的体积产生绝对 豹减小而弓| 超的混凝土体积收缩。纯学收缩是水泥胶凝材料永化的固有特征， 因水泥各种矿物的化学收缩不同，因此不同的水泥其化学收缩的大小不一样。 ( 2 ) 自收缩。它是混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起 的体积变形，普通混凝土的自收缩值一般在( 4 0 - - 1 0 0 ) x 1 0 范围志，如果以混凝 土线膨胀系数为1 0 1 0 计，相当于温峰和l o 所弓l 起的温度变形，这充分说 明混凝土自收缩的严重性。自收缩是由混凝土的白干燥引起的。在混凝土水化 过程中，混凝土内的自由水由于水化的进行被水泥颗粒结合发生水化反应，混 凝肉部相对湿度随之降低，混凝土内帮毛细孔内的水蠢饱和状态变为不饱和 状态，产生毛细管拉应力，水泥石在此拉应力作用下产生收缩。 ( 3 ) 冷缩。混凝土随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩变形，简称 为冷缩。对于大体积混凝土，裂纹的产生主要是由于温度变化弓| 起的，因此， 如何尽量减少其温度变形是一个极其重要的问题。 ( 4 ) 干燥收缩。置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小 变形，称为干燥收缩变形。 ( 5 ) 碳化收缩。大气中的c 侥在有水分的条件下，与水泥的东化产物发生 化学反应产生c a c 0 3 和游离水等，从而引起收缩。 ( 6 ) 沉缩。扇于颗粒沉降而产生的收缩。在短期外葡载作用下，混凝土有 弹性变形、塑性交形、假塑性交形及极限拉伸变形等四种变形。另外还有长期 载荷作用下的徐变变形。 国内外学者的大量研究表明，对于高强混凝土，自收缩是其早期开裂的一 个重要原因。所谓囱收缩，是指在与外界没有水分交换的条件下，由于水泥的 不断水化及矿物掺合料的二次水亿作用，在混凝土内部产生一系列复杂的物理、 化学及力学变化，从而使混凝土在宏观上表现出来的一种体积缩小的现象【7 】。 “自收缩”一词首次由l y m a n 8 】在1 9 3 4 年提出，并定义如下：“通常认为， 随着凝胶水纯铝酸钙与水讫硅酸钙的生成，其服款凝胶形成规律产生体积减缩。 自收缩这种类型的收缩很容易同其它因热因素或向空气中湿度的损失弓f 起的收 缩区别开来”。1 9 4 0 年，h e d a v i s 9 】定义自收缩为“混凝土的自身体积变形应定 义为嚣其内部本身的物理和化学转化焉弓| 起的体积变形，两非下列因素弓| 起： 6 武汉珲i 大学硕+ 学似论文 ( 1 ) 与周围大气的湿度侵入与蒸发：( 2 ) 温度的升降：( 3 ) 因外部荷载或限制 物造成的应力”。事实上，自收缩主要是由混凝土的自干燥引起，即胶凝材料水 化大量消耗混凝土中的水，导致混凝土c ”毛细孔严重失水，孔溶液与空气界面 处形成新月形液面，产生由孔壁指向孔中心的力，在宏观上表现为混凝土的体 积收缩。 在高效减水剂出现以前，为达到施工所需的和易性要求混凝土通常具有 较高的水胶比，用水量大于胶凝材科水化所需的最大水量，即使在胶凝材料完 全水化的隋况下，毛细孔也不会严重失水因此自收缩极小，收缩量相对于总 收缩可以忽略。然而，随着高效减水剂和高活性矿物掺台料的普及混凝土水 胶比不断降低，在强度得到提高的同时，白收缩现盈也变得十分严重。 n 本学者田泽荣一”研究了水胶比和矿物掺台料对混凝土白收缩的影响规 律。结果表明，水胶比为0 1 7 日，水泥砂浆的1 d 臼收缩达到2 5 0 0 x 1 0 4 ，l5 d 时达到4 0 0 0 x 1 0 + ，且随龄期的增长仍有继续增大的趋势，掺有砖灰的混凝土白 收缩也大1 普通混凝土：宫泽申吾1 的试验结果表明，水扶比为0 4 时，混凝土 自收缩占总收缩的4 0 ：水扶比为03 时自收缩占总收缩的5 0 ，而水胶比为 01 7 ，并掺有1 0 硅扶的混凝土，其自收缩占总收缔的1 0 0 。普通混凝土自【 5 缩般在4 0 x 】0 4 到1 0 0 、1 0 6 之间，而通过使用高教减水剂和硅扶，水胶比降到 0 1 7 时，从初凝时丌始测量，混凝土到2 8 d 时白收缩可达到7 0 0 x 1 0 一。 国内学者对高强混凝土的白收缩也做了大量研究。革维祖| j “的研究结果表 明低水胶比混凝土的自收缩远大于普通水胶比的混凝土，并且常规养护和掺入 膨胀荆并不能有敬地减小混凝土的自收缩。他还指出，自收缩产生的微裂纹u j 能会导致混凝土2 8 天强度倒缩，制约其强度的进一步发展。图1 1 【l ”是水灰比 03 0 并掺1 0 硅灰的水泥砂浆存硬化过程中由于自收缩产生的微裂纹。 懑 图1 1 水泥浆硬化过程中形成的微裂纹( 水扶比o3 0 ，硅扶掺量1 0 武汉理工大学硕士学位论文 臼收缩的增大，与混凝土高强化的技术路线密切相关。众所周知，水泥强 度、水胶比和矿物掺合料的活性是影响混凝土强度的主要因素。因此，为提高 混凝土强度，采取的相应措施是加入高效减水剂降低水胶比：使用高强度水泥 和离活性矿物掺合料，这些措施极大建改善了混凝土孔结构和密实性，提高了 混凝土强度。但美国学者t c p o w e r t m 】在研究水泥水化机理后提出，水泥水化的 理论水灰比应不低予o 4 2 ，在充分养护的情况下，也不应低于0 3 6 ，甭则水泥 将无法完全水化，导致混凝内部相对湿度迅速下降，产生旱絮鲁- y - 燥现象。 随着高效减水剂的大规模应用，混凝土的水灰比常低于0 4 2 。此外，诸如 粒化高炉矿渣粉，硅狄等高活性矿物掺合料的广泛应用，其二次水化反应又进 一步加大了混凝土内的水分消耗，加剧了混凝土的早期套干燥，使混凝产生 严重的自收缩。与普通强度的混凝土相比，高强混凝土的弹性模量显著增大， 在相同的收缩率下，高强混凝土受到的拉应力远大于普通强度的混凝土，但其 抗拉强度却没有明显提高，因此，高强混凝土的早期开裂问题比普通强度的混 凝土更为严重。瀑凝土高强化措施对混凝性能的影响见表l - 4 。 表1 4 混凝土高强化措施对混凝土性能的影响 盘此可见，低水胶比和高活性矿物掺合料在赋予混凝高强、高密实度等 优良性能的同时，也带来了自身体积稳定性方面的问题，为混凝土的早期开裂 埋下了隐患。自收缩被证明是导致高强混凝土早期开裂的重要因素。 s 武汉理l 。太学硕+ 学位论文 13 国内外混凝土内养护理论与技术的研究现状 混凝土的养护方法分为外部养护和内部养护两种，以色列的k o v l e r “1 对养 护方法作了如图1 2 的分类。 画匡亘 应一亘应亘 “篙。j j - _ _ _ _ 一 幽1 2 混格土弁伊万话分_ 宪 高强混凝土结构较密史，外界水分难以扩散到混凝上内部，冈此常规的外 部养护并不能有效缓解其白干燥。针对该问题，国外学者t cp o w e r s ”“在深入 分析水泥水化过程的基础上，于1 9 4 8 年提出了内养护的理论模型p o w 盯s 模 型。罚麦的o mj e n s e n 在总结p o w e r s 模型的基础上，结台大量试验数据，提出 了内养护需水量的讣算公式，为内养护技术的实现奠定了理论基础。以色列的 ab e n t u g ”l 在低水胶比混凝土中掺入预湿轻集料，利用轻集料对高强混凝土进行 葛 武汉理工大学硕士学位论文 内养护，在降低自收缩方面取得一定成果。美国的d e b e n t z 玎】通过计算认为， 为达到更好的养护效果，应使内养护材料的颗粒半径应尽可能地小，以提高其 与水泥浆体的接触面积，提高养护效率。l u r a 1 8 】和日本的s h i n - i c h ii g a r a s h i l l 9 】在 混凝土中掺入平均粒径数百微米，吸水率隽囊身重量数西倍的高吸本性树脂， 显著降低甚至消除了低水胶比混凝土的自收缩。 在工程应用方面，美国和欧洲还制定了有关内养护的标准。 荑国混凝土学会制定的标准s 曰心d a 酞pp r a c t 玲ef o rc u r i n g c o n c r e t e ) ) 1 2 0 ( a c i3 0 8 2 0 0 1 ) 将自养护定义为“由存在于混凝土中额外的水 而非拌和用水引起的水泥水化过程”。 r i l e mt c i c c2 0 0 3 2 l 】对内养护( i n t e r n a lc u r i n g ) 作了更具体的定义，即 “向混凝中弓| 入可以 乍为养护因子的组分”，与普通混凝土的水养护与密封养 护类似，r i l e m 将内养护也分为两种类型： ( 1 ) 内部水养护( i n t e r n a lw a t e rc u r i n g ，或称引水养护，w a t e r - e n t r a i n m e n t ) ： 养护嚣子作为释水源，在混凝土硬化过程中有规律地释出水分。 ( 2 ) 内部密封( i n t e r n a ls e a l i n g ) ：利用养护因子减小或避免混凝土硬化过 程中的水分散失。 但是，从养护高强混凝土的危度分析，内部密封无法避免或缓解混凝土的 自予燥，丽内部水养护所用的释水医子可在混凝土硬化过程中释放水分，有效 地缓解混凝土的早期自干燥，对减小自收缩非常有利，是目前主要的内养护方 法。 按内养护会质的不同，内部水养护可分为两类： ( 1 ) 利用预吸水轻集料作为养护介质：该方法缓解酝干燥的效果已被 p h i l l e o 2 2 1 、v a y s b u r d 2 3 1 、w e b e r 和r e i n h a r d t 2 4 】等多位学者证实。w e b e r 和r e i n h a r d t 又将该方法命名为皇养护。上述学者对轻集料混凝以及用部分轻集料替代碎 石的混凝土的自干燥与自收缩进行了研究，结果表明，上述两种混凝土的鲁收 缩远低于未掺轻集料的普通混凝土。图1 3 是用作养护介质的轻集料。 ( 2 ) 利用高吸水性聚合物作为养护介质：该方法由丹麦学者j e n s e n 和 h a n s e n 在2 0 0 1 2 5 】年提出，其关键是在混凝中掺入可吸收相当于自身重量数百 倍的高吸水性聚合物，在混凝土硬化过程中，高吸水性聚合物将水分释放，缓 解混凝土的自干燥，进而减小自收缩。图1 - 4 是用作养护介质的高吸水性聚合物。 1 0 武汉理i 人学硕+ 学 t 论文 ( a ) 粘土陶牲 ( a ) 吸水前 ( b ) 页岩陶粒 幽i 3 用作内养护介质的轻集料 ( b ) 吸水后 图1 4 用作内养护介质的高吸水性聚合物 上述两种方法与向混凝土中引气改善其耐久性的过程相似，因此又被称为 “ i 水养护”。 在我国，东南大学的钱春香i ”1 等研究了预湿轻集料作为混凝土内养护材料 对混凝土抗裂性能的影刖，队为预湿轻集料对自收缩有较好的抑制作用，可以 显著改善高强混凝土的抗裂性能。华南理工大学的叶华口”等在低水胶比混凝土 中掺入高吸水性树脂在缓解白干燥，减4 、自收缩方面也收到定成效。武汉 理工大学的胡曙光i ”i 等研究了饱水页岩陶粒与膨胀剂复台应用对高强微膨胀钢 管混凝土体积稳定性的影响，在减小混凝士自收缩，改善钢管混凝土膨胀性能 方面取得了重要进展。 一_函一 一 一鼬i 武汉理工大学硕士学能论文 1 4 本文的主要研究内容与方法 本文研究工作涉及的高强混凝土是指用水泥和其它胶凝材料、砂石集料、 减水荆和水在普通工艺下拌制藤成的，大量用于建筑结构的高强混凝土。论文 依托武汉市青年晨光计划项目( 2 0 0 5 5 0 0 3 0 5 9 8 ) ，研究了低水胶比、掺有硅灰的 高强混凝土内部相对湿度和自收缩的变化规律，以及内养护材料在抑制混凝土 自收缩的方面的效果，研究结果对于寻求解决高强混凝土謦收缩麓方法，制备 性能优良内养护材料具有重要意义。 具体研究方法与内容如下： ( 1 ) 混凝土内部相对湿度与自收缩的变化规律 利用湿度测试仪与混凝土收缩测试仪研究水胶院、矿物掺合料对混凝土内 部相对湿度与自收缩的影响规律，建立内部相对湿度与自收缩的函数模型。 ( 2 ) 内养护零季料对高强的湿凝土的养护律焉 内养护材料的吸水、释水规律，内养护材料的种类，掺加方式对混凝土内 部相对湿度与自收缩的影响规律，利用混凝土裂缝观测仪研究水在内养护材料 与胶凝材料基体之间的传输机制。 ( 3 ) 混凝土内部相对湿度的空间分布 圆柱形混凝土构件内部湿度的分布规律，内养护材料对混凝土内部湿度空 闻分布的影响规律。 ( 4 ) 内养护材料养护效果的评价 剩用单轴抗裂试验全面研究内养护材料对混凝土的养护作用，结合内养护 材料对湿度场与自收缩的影响效果，提出内养护材料养护效栗的评价方法，对 其养护效果做出综合评价。 1 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第2 章高强混凝土的内部相对湿度与自收缩 2 。l 高强混凝土中胶凝材料的水化 2 1 1 硬化胶凝材料浆体的强度来源 混凝是一种复杂的复合材料。从宏观尺度讲，它是盘集料嵌入水化镌胶 凝材料浆体中组成的。就微观尺度而言，水化的水泥浆体主要由c s _ h 凝胶、 c a ( o h ) 2 和其它的次要相和未水化的水泥粒子组成，此外还有毛细孔网络。因此， 即使不考虑集料，仅从胶凝材料浆体的焦度讲，要分析其结构与强度之闻的关 系，是极为复杂的。 关于硬化水泥浆体的强度来源，传统的学术观点认为有两种结合力【2 9 】： ( 1 ) 离子共价型的化学结合力。 ( 2 ) 范德华结合雩| 起的颗粒表面闻的物理吸雩| 力。 该观点为多数学者所认同，但在哪种力是硬化水泥浆体强度的主要来源的 问题上，存在很大争议。b r u n a u a r e 3 0 】提出：颗粒内部的结合主要是化学结合，而 粒子闻的结合主要是物理结合，p o w e r s 3 1 】也赞同该观点。丽c h a t t e r j i t 3 2 】煲l 认隽， 刚开始水化时，原子间距较大，很少会产生真正的化学结合。w i t t m a n n 提出， 范德华力和化学结合力对硬化水泥浆体的强度贡献各占5 0 。k r o k o s k y 3 3 】认为 胶凝系统主要还是靠化学结合力固定在一起。 经过学术赛长期的研究与总结，i d o r n 3 薅l 将硬化水泥浆体的强度来源羟结于 四个方面： ( 1 ) 各个颗粒的水化产物之间的内部原子力； ( 2 ) 原子力把各个颗粒彼此糙结在一起，并把迸未水优的粒子粘结在一起； ( 3 ) 水化产物的尺寸、形态以及它们的互相生长和结豳； ( 4 ) 显微结构的发展，即水化产物的几何排列和密集分布。 多年来，各国学者试图把这些参数与硬化水泥浆体的强度联系起来，但一 直未笺雩导毒令人满意的理论。 为解决硬化水泥浆体强度来源的理论问题，p o w e r s 和b r o w a n y a r d t 3 5 将强度 模型做了简化。他们指出：硅酸盐水泥砂浆的抗压强度增长是直接与胶空比的 增大成正比，焉与龄期、水泥的性质等因素无关。 武汉理工大学硕士学位论文 胶空比的定义是：水泥的固体产物与这些水化产物能占据的有效空隙之比。 它代表了硬化水泥的毛细孔隙率。他们提出硬化水泥浆体的强度符合下面的经 验公式： 萨。= a x 靠 ( 式2 - 1 ) 式中：a _ 常数，代表水泥的固有强度； 犷屯6 - 3 0 ，通常取3 0 。 尽管式2 1 未能揭示硬化水泥浆体强度来源的本质，但长期的实践证明，对 于化学成分基本相同的硅酸盐水泥，强度与孔隙率存在良好的相关性，因此该 公式长期以来一直被人们所接受，即孔隙率是控制强度的主要因素。 2 1 2 水泥水化的理论最低水灰比 从上节的分析可知，孔隙率是决定强度的主要因素，水胶比又是决定孔隙 率的最主要因素。降低水胶纥必然会降低孔隙率，进而提嵩硬化水泥浆体的强 度，或混凝土的强度。混凝土强度设计的最重要依据保罗米公式( 即水灰 比公式) 中，强度和水灰比近似成线性关系，通过降低水灰比提高混凝土强度 也是懑今混凝土高强化的最主要方法，这也很好地验证了减小孔隙率对提高混 凝强度的重要性。 尽管降低水灰比对提高混凝土强度十分有利，但是，水是胶凝材料水化不 可缺少的部分，降低水灰比虽然可以减小孔隙率，提高硬化水泥浆体的密实程 度，倦也可麓导致本泥无法完全水化，从而对混凝土性熊产生一些负面影响。 关于水泥水化的理论最低水祆比，学者p o w e r s 和b r o v c n y a r d 经过多年的深 入研究，于1 9 4 8 年提出了一个经验模型，称为p o w e r s 模型。在该模型中，p o w e r s 将硬化水泥浆傣中的水分为三部分【3 蜘： 化学结合水与水泥矿物发生反应的水，约占硬化水泥浆体的2 3 ； 凝胶水填充在凝胶孔中的水，约占硬化水泥浆体的1 9 ； 毛细水填充在毛细孔中的水，依据水灰比的大小丽不同。 化学结合水稳定存在于硬化水泥浆体中，仅在1 0 5 以上才有可能挥发；凝 胶水存在于平均直径约几a 的c 。s h 凝胶孔中，水的性质与普通状态下的液态 水有很大区别，凝胶水也可以稳定存在于硬化水泥浆体中【3 7 1 ；毛细水存在于硬 化水泥浆的毛缨孔中，是普通的液态水，环境相对湿度的降低可加速其挥发。 武汉理工大学硕士学位论文 对于硬化水泥浆体丽言，化学结合水是水泥矿物水化所必需的，凝胶水是 c s h 凝胶生长所必需的，水泥完全水化所需的水量必须满足水泥矿物水化和 c s _ h 凝胶生长。据p o w e r s 研究，化学结合水占硬化水泥浆体的2 3