混凝土收缩专题

1、混凝土收缩专题我国著名裂缝控制专家王铁梦教授总结分析个人经验和国内外的调查资料认为：“工程实践中结构物的裂缝原因，属于变形变化(温度、收缩、不均匀沉陷)引起的约占80%以上；属于由荷载引起的约占20%左右”。现浇混凝土结构在正常使用前，即在施工期间经常产生裂缝，此时，结构通常尚未承受正常使用情况下的全部荷载，这种裂缝多因间接作用如，非荷载变形(收缩、温度等)引起，属于王铁梦教授所谈及的80%裂缝。则将这种在施工期间主要因间接作用(收缩、温度等)引起的裂缝称作混凝土“施工期间间接裂缝”。混凝土施工期间间接裂缝多发生在混凝土浇筑后的数天或十几天的时间段内，也有在浇筑完毕的几个月后仍主要因间接作用产

2、生裂缝的，但与后续正常使用状态的长时期相比，施工期间间接裂缝可称作“早期裂缝”。 导致施工期间间接裂缝出现的一个主要原因在于混凝土的收缩。自20世纪90年代推广商品混凝土以及相应的混凝土泵送施工工艺以来，收缩量已增大到400500微米；免振的自流平混凝土甚至已达到8001000微米，甚至更大；而传统混凝土的总收缩量不超过300微米。造成收缩量大幅增加的原因在于为了满足泵送、免振等新的施工工艺对混凝土的原材料及配合比作了很大的调整；粗骨料（石子）减少粒径也大幅度减小；细骨料（砂）、粉剂（水泥、矿粉等）含量大大增加；大量使用掺合料、外加剂等。组成成分的变化，造成了混凝土体积稳定性变化，收缩量大幅度

3、增加。u胶凝收缩（自收缩） 水泥浆胶体只有结晶固化而形成水泥石，并将粗、细骨料粘结而形成受力骨架以后，才能承受力。在此胶凝（结晶）过程中混凝土体积大幅度减小。有关研究测试表明，水泥净浆硬结后收缩应变为（15006000微米），平均约为3000微米，由此而引起混凝土体积减小，就形成了混凝土内部的裂缝。这种裂缝大多分布在沿骨料的周边，也可能发生在水泥石中。但由于这种裂隙比较细小，而且互相不连通，因此大多数呈弥散状态分布。u 干燥收缩 水泥水化所需的真正耗水量并不多。在配合比设计时所确定的用水量，除水化作用需要而消耗掉的部分以外，其余的多是为了满足搅拌、运输、泵送、振捣时拌合物和易性（工作度）的要求

4、。这部分未被水化消耗掉的水，在浇筑振捣完成以后，有些通过毛细作用泌水蒸发；另一部分则被吸附作用束缚在混凝土内供长期水化之用；其余部分在长期干燥环境中逐渐逸出挥发。失水造成的空隙以及毛细孔内水的表面张力，均造成了混凝土的体积收缩。干燥收缩多发生在结构的表面，这也是混凝土形成表面裂缝的原因之一。u碳化收缩 混凝土中的氢氧化钙与空气中的水、二氧化碳反应而生成碳酸钙，这个过程称为混凝土的“碳化”。碳化过程长期、持续地由混凝土表面向内发展，最终将消除钢筋表面碱性的钝化膜而使其锈蚀，同时碳化作用本身也引起表层混凝土体积的缩小而可能造成收缩。各种可能的影响因素及各收缩模式考虑的因素如表所示注释：国内模式王铁

5、梦教授模式 ACI美国混凝土学会 CEB-FIB欧洲混凝土委员会/国际预应力联合会 B-PBazant-Panuala BS5400英国模式该模式主要考虑了水泥品种、水泥细度、骨料种类、水灰比、水泥浆量、初期养护时间、使用环境湿度、构件尺寸、操作方法及配筋率十种影响因素。但是该估算模式没有考虑到施工环境中的风速与温度对混凝土收缩的影响，而这两个因素在实际的施工环境中是无法忽略的，在王铁梦教授的建议与指导下，本文对风速与环境温度给混凝土早期收缩所造成的影响展开试验研究。 同时，基于已有的试验资料及工程现象显示，混凝土收缩的主要驱动力在于混凝土内部湿度的变化。研究混凝土内部湿度随着时间的变化规律是

6、探讨混凝土收缩的基础，因此本文在测量试件收缩的同时亦测量了其内部湿度。 试验重点研究不同的风速和温度对混凝土早期收缩的影响，为了保证试验结果的准确性，需要在试验的过程中严格控制环境条件，排除环境因素的干扰。同时，从施工学科的角度出发，不将收缩变形进行严格划分，只考虑宏观收缩。风由砂浆抗裂测试室内的三个大功率电风扇提供，调整试件组距离电风扇的档数和距离可获得不同的风速。利用风速仪对风扇的风速进行测试，结果显示每台风扇所能提供的最高风速达9m/s，即国家风力等级中的五级风。为了研究不同风速对混凝土收缩所产生的影响，将风扇风速进行划分为三个等级，即3m/s、6m/s、9m/s。而室内环境温度则主要依

7、靠室内空调进行控制，本次试验室内温度设计为12、22、32三个不同温度。为了保证两个房间的湿度一致，利用温湿度计进行测量并通过每个房间内的除湿机对室内湿度进行调控，每日早中晚各进行一次。 试件组设计 由于试验场地及试验设备数量有限，本次试验分为两次进行。根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T500822009），测试混凝土收缩的标准条件为温度（20+2）、相对湿度为（60+5）%的恒温恒湿环境，结合王教授计算公式的试验环境，第一批试件组环境条件设计如表4.1所示。u 混凝土收缩测试方法 混凝土收缩测试方法包括非接触法和接触法。由于非接触法收缩变形测量仪在测试过程中始终处于监测状

8、态，如果采用此方法来测试混凝土28天收缩，则难以做到一对位移传感器在短期内即可进行多个试件的测试，因此，本试验测试方法选择接触法，即利用千分表测量试件在长度方向的变化量。接触法适用于测定在无约束和规定的温湿度条件下硬化混凝土试件的收缩变形性能。规范中使用接触法要求试件应在标准养护室养护3天，达到3天龄期（从混凝土搅拌加水时算起）后开始测量试件的收缩值，即以3天龄期混凝土的收缩值为测量起点。利用接触法测得的收缩值主要是混凝土干燥收缩值，显然忽略了绝大部分的自收缩。而现代商品混凝土前3天的自收缩值已不容忽视，因此，本试验为了测试到大部分的自收缩，试件自混凝土搅拌加水算起到24小时则拆模开始测量试件

9、收缩值。u试件尺寸根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T500822009），收缩试验试件尺寸的要求为100mm100mm515mm的棱柱体，每组应为3个试件。u试件强度设计以工程实际应用为出发点，混凝土强度和和易性（主要体现为坍落度）是我国当前结构安全和施工性能的两个最主要指标，试验在固定强度和和易性的基础上开展试验研究。在强度和和易性一定的情况下，试验、分析单个因素（风速、温度）对混凝土收缩性能的影响，得出的试验数据对指导工程实践具有更大和更直接的意义。本次试验的混凝土强度等级选择在工程实践中使用较多的C40，而泵送混凝土坍落度通常控制在200mm左右，故对试验的混凝土坍落

10、度要求为200+20mm。 图图4.13 13 第一批试件试验场景实况第一批试件试验场景实况 图图4.14 14 第二批试件试验场景实况第二批试件试验场景实况风速与环境温度对混凝土早期收缩影响的试验结果分析风速与环境温度对混凝土早期收缩影响的试验结果分析n 基础力学性能试验 根据试验所得的混凝土立方体抗压强度绘制强度随龄期变化曲线图5.1。从图5.1可以看到，混凝土立方体抗压强度伴随着龄期的增长而增大，特别在前面7天，强度发展尤其迅速。标准养护组第3天、7天的混凝土抗压强度分别达到28天强度的44.6%、81.2%；无风环境下，第3天、7天的混凝土抗压强度分别达到28天强度的40.2%、89.

11、1%；风速3m/s环境下，第3天、7天的混凝土抗压强度分别达到28天强度的33.5%、92.8%；风速6m/s环境下，第3天、7天图图5.1 5.1 混凝土立方体强度发展曲线混凝土立方体强度发展曲线的混凝土抗压强度分别达到28天强度的34.3%、74.2%；风速9m/s环境下，第3天、7天的混凝土抗压强度分别达到28天强度的29.6%、72%。可见该五组试块的第7天强度均在28天强度值的70%以上，证明了前7天是混凝土水化反应的最活跃时期，混凝土强度快速增长。因此，混凝土早龄期（尤其是前7天）是其抗压强度发展的关键时期，在施工中应给予充分重视。 对比标准养护与风速0m/s两组的抗压强度值，可发

12、现处于标准养护环境下的强度比后者要大，这是由于前者所处的环境湿度比后者高，其水化反应更充分，则混凝土强度则越高。同时，比较风速0m/s、3m/s、6m/s、9m/s四组处于相同温度与湿度环境下的混凝土抗压强度值，能得出风速越大，28天的抗压强度值越低的结论。原因在于风越大，在相同时间内从混凝土中带走的水分越多，对其早期水化反应影响越大。所以，在有风的施工环境下，混凝土浇筑完毕后应及时进行覆盖养护，防止水分大量散失，确保混凝土能够有足够水分进行充分的水化反应。 不同风速对混凝土不同风速对混凝土28天自由收缩的影响天自由收缩的影响图图5.10 5.10 有风环境下各组试件收缩对比有风环境下各组试件

13、收缩对比 综合对3m/s、6m/s、9m/s风速对混凝土28天自由收缩影响的分析，可以得出风速对混凝土早期收缩是有影响的结论。4组混凝土试件在前7天的收缩值均占其28天收缩总值的50%以上，而有风的情况下收缩发展更迅速，这是由于在风的作用下加快了混凝土试件水分的挥发，造成其内部湿度下降，而混凝土收缩的主要驱动力就在于其内部湿度的减小，这就解释了在有风的环境下混凝土试件28天总收缩值比无风环境下的大。同时，在3m/s、6m/s、9m/s风速条件的试件组与参照组的收缩差值最大值均出现在前7天，之后随着龄期发展收缩值减小。从图5.10可以发现，在相同温度与湿度的环境下，风速越大，混凝土第28天的收缩

14、值越大，3m/s、6m/s、9m/s风速组第28天总收缩值分别是参照组的1.04倍、1.11倍、1.14倍。而当温度上升到32时，9m/s风速组第28天总收缩值是其参照组的1.09倍，相对于22时略有减小，但在第28天收缩差值仍有增大的趋势。则利用所得数据拟合混凝土在有风环境下收缩修正系数M11公式5.1。 n 不同环境温度对混凝土不同环境温度对混凝土28天自由收缩的影响天自由收缩的影响图图5.15 5.15 不同温度环境下各组试件收缩对比不同温度环境下各组试件收缩对比综合上述分析与图5.15，可以发现环境温度越高，混凝土收缩越大。各组混凝土试件在不同的温度环境下，造成其内部的水化反应快慢不同

15、。当温度较高时，混凝土内部前3天的各种化学反应速度较快，则使自收缩发展更快，同时，混凝土与周围环境的水分交换速率在高温的作用下得到提升，进而令干燥收缩值增大，因此，混凝土早期收缩速率较大。随着龄期的发展，混凝土内部的各种化学反应结束或逐步减弱，其水化相减少，即孔隙水大部分散失，故混凝土从第7到第28天的收缩速率相对于前7天减小许多，可以预测后期收缩更为缓慢。当温度较低时，混凝土化学反应及与外界的湿交换率较慢，则导致其早期混凝土收缩也较缓慢。在12、22(参照组）、32的环境温度下，各组试件的28天混凝土总收缩值分别为170m、202m、273m，则12、32环境条件下的28天收缩值是参照组的0

16、.84倍、1.35倍。则使用王铁梦教授收缩计算模式考虑施工期的混凝土收缩值时，建议增加考虑温度修正系数M12。当t=12时，M12=0.84；t=22时，M12=1；t=32时，M12=1.35。当环境温度处于上述值之间时，可以采用插值法求M12。混凝土收缩与其内部湿度关系研究测量混凝土收缩的同时记录混凝土内部湿度值，由于有部分探头在28天试验过程中失效，只完整测试到参照组、6m/s风速组及32组的数据。以混凝土收缩为纵坐标，其内部对应湿度为横坐标绘图并线性拟合如图5.16、5.17、5.18。5.16 5.16 参照组混凝土收缩与其内部湿度关系图参照组混凝土收缩与其内部湿度关系图5.17 6

17、m/s5.17 6m/s组混凝土收缩与其内部湿度关系图组混凝土收缩与其内部湿度关系图5.18 325.18 32组混凝土收缩与其内部湿度关系图组混凝土收缩与其内部湿度关系图混凝土收缩与其内部湿度密切关联，已有资料显示，两者之间呈良好的线性关系，相关性较强。从图5.16可以看到，在测试混凝土收缩标准环境下的混凝土试件收缩与其内部湿度具有良好线性关系，与已有结论是相符的。但从图5.17、5.18可以发现，当环境条件改变时，混凝土收缩与其内部湿度的线性相关度下降，而在有风条件下，拟合度最小。同时，可以得到以下结论，28天龄期混凝土收缩值越大，其内部湿度值越小。混凝土试件内部湿度的降低是化学反应消耗了水和水分散失共同造成的结果。混凝土凝结后，由胶凝材料的水化作用引起的体积收缩部分表现为宏观体积收缩。在混凝土搅拌成型初期，其内部水分充足，因而内部湿度接近100%。