混凝土的体积变化机理

1、1混凝土的体积变化机理高性能混凝土的核心是耐久性。耐久性不足，将会对工程建设产生极严重的后果。 一般混凝土工程的使用年限约为50100年。混凝土工程不能满足耐久性要求的根 本原因，在于混凝土本身的内部结构。混凝土的体积不稳定性主要表现为不同形式 的体积变化，分为以下几种：1.1干燥收缩干燥收缩是由毛细水的损失而引起的硬化混凝土的收缩。这种收缩使拉应力增加， 可使混凝土在未承受任何载荷之前便出现裂纹。所有的水泥混凝土都随着龄期增长 产生干燥收缩或水化物体积的变化。干燥收缩受原材料性能、混凝土配合比、搅拌 方式、养护时的湿度条件、干燥环境和构件尺寸等因素影响。混凝土的配合比中用 水量影响最大。用水

2、量每增加1%，干燥收缩增加约3%。干燥收缩程度还与环境相 对湿度、温度和空气流通状况有关。1.2自收缩自收缩是由自干燥或混凝土内部相对湿度降低引起的收缩，是混凝土在恒温绝湿条 件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏观体积减少的现象。即未水化的水泥与水 发生化学反应时，生成物的体积小于前两者总和的现象。混凝土因干燥产生体积变 化的同时发生自收缩。混凝土自收缩的产生，主要是由于水泥硬化体空隙中的相对 湿度低，发生自干燥。水灰比越低，自收缩越大。1.3冷缩水泥水化过程中放出大量的热量，主要集中在前7天内，混凝土内部和表面的散热 条件不同，因而使混凝土内部温度较外部高，形成较大温度差，当温度应力超过混

3、凝土的内外约束应力时，产生冷缩裂缝。在大体积混凝土工程中，因散热降温引起 的冷缩比干缩更容易引起开裂，而且冷缩和干缩常常是同时出现。在大体积混凝土 工程中常常采取各种降温措施来降低温升的幅度，以减少冷缩。1.4碱-集料反应碱-集料反应(AAR)是混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的膨胀性化学反应， 具有较严重的破坏作用。AAR按活性组分类型可分为碱-硅酸反应(ASR)和碱-碳酸 盐反应(ACR)。混凝土发生AAR反应后，会在混凝土表面形成凝胶，干燥后为白色 的沉淀物。AAR反应由于水泥中有较高碱性，OH-使活性二氧化硅发生水解形成碱 -二氧化硅凝胶，水被凝胶吸附，使体积增大。AAR反应多在

4、混凝土浇筑几个月或 几年后发生，混凝土遭到破坏。2抗裂防渗剂作用机理2.1膨胀剂的作用膨胀剂由转窑煅烧的铝质熟料、硬石膏、明矶石等混合粉磨而成。掺人混凝土中后， 膨胀剂中铝质熟料中CA首先与CaSO、Ca (OH) 2水化生成水化硫铝酸钙即钙矶 石，而产生体积膨胀，其化学反应式为：3CA+3CaS04 2H2O+32H2OC3A 3CaSO4*32H2O+2 (A12O3*H2O)活性较低的明矶石在CaSO4、Ca （OH） 2的激发下生成钙矶石，在中后期又产生微膨胀，其反应式为：K2SO4*A12（SO4）3*4A1（OH）3+13Ca（OH）2+5CaSO4+78H2O3（C3A-3CaS

5、O4-32H2O）+2KOH水化早期铝质熟料中CA反应在前，膨胀量较大， 同时生成的钙矶石与水化氢氧化铝凝胶，使膨胀相与胶凝相合理匹配，既保证了膨 胀效能又保证了强度；明矶石反应生成的钙矶石在中后期有微量膨胀，使水泥石后 期具有微膨胀，改善了水泥-集料界面微区结构，有利于提高混凝土的性能。2.2抗裂防渗剂在混凝土中的作用抗裂防渗剂掺到水泥中形成的补偿收缩混凝土，在限制条件下产生的膨胀率为 0.02%0.04%，在钢筋等的约束下，可在混凝土中产生0.20.7MPa的预压应力。 这一预压应力大致可抵消混凝土硬化过程中产生的收缩拉应力，从而消除或减少裂 缝。混凝土膨胀作用主要处于14d以前，用于补偿

6、混凝土的干缩，产生的预压应力 抵消混凝土冷缩产生的拉应力，还可提高混凝土的强度。从抗裂防渗剂机理可知，掺入抗裂防渗剂的混凝土在水化硬化中，建立起了干缩 和冷缩的联合补偿模式，混凝土结构内部不断致密，最终达到超长混凝土结构无缝 施工的目的。抗裂防渗剂在大体积混凝土中降低水泥石的水化热，不会因过多的水 化热不能及时排出而破坏混凝土结构。抗裂防渗剂中的硫铝酸钙和石膏与石灰水化形成的氢氧化钙相化合而生成膨胀源 钙矶石，起到填充、切断混凝土中毛细孔缝作用，使其获得较好的致密性，从而提 高了混凝土的抗渗能力。2.3抗裂防渗剂作用微观分析2.3.1扫描电镜分析不同抗裂防渗剂掺量水泥经过7d水化后的微观结构见

7、图1图2,掺量分别为8% 和12% .在扫描电镜下可见到良好的晶体形态，其主要水化产物有水化硅酸钙凝胶、 氢氧化钙，不同抗裂防渗剂掺量的材料中可见相应的钙矶石晶体。钙矶石晶体主要 在材料的孔隙中形成，呈柱状或针状。单晶体的长度为45m，宽度仅0.2m左 右。钙矶石晶体和氢氧化钙结晶的析出，填充了原来由水溶液占据的孔隙，从而使 水泥石更加密实，并达到膨胀的效果。从图片显示，随着掺量和时间的增加，钙矶 石晶体晶体的数量明显增多，结晶也进一步变长变粗，孔隙比原来要密实得多。28d 的明显特征在于形成大量的水化硅酸钙凝胶体，有的区域水化硅酸钙凝胶体已将钙 矶石晶体包裹，材料结构的孔隙进一步缩小，水泥石

8、更加致密。在扫描电镜下可见到良好的晶体形态，材料的水化程度是比较高的。其主要水化产 物有水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙，各种抗裂防渗剂掺量的材料中可见相应的钙矶石 晶体。钙矶石晶体主要在材料的孔隙中形成，呈柱状或针状。单晶体的长度为4 5m，宽度仅0.2pm左右。氢氧化钙结晶也是从水溶液中析出的结晶。钙矶石晶体 和氢氧化钙结晶的析出，填充了原来由水溶液占据的孔隙，从而使水泥石更加密实， 并达到膨胀的效果。28d的明显特征在于形成大量的水化硅酸钙凝胶体，有的区域 水化硅酸钙凝胶体已将钙矶石晶体包裹，材料结构的孔隙进一步缩小，水泥石更加 致密。图3、图4分别为上述掺量材料28d的扫描电镜图片。从这些图片

9、可见，钙矶石晶 体晶体的数量明显增多，结晶也进一步变长变粗，孔隙比原来要密实得多。两者都 出现大量钙矶石结晶，前者具有较多的水化凝胶产物将钙矶石结晶包裹，氢氧化钙 晶体不如后者明显。在扫描电镜下可见到良好的晶体形态，材料的水化程度是比较高的。其主要水化产 物有水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙，各种抗裂防渗剂掺量的材料中可见相应的钙矶石 晶体。钙矶石晶体主要在材料的孔隙中形成，呈柱状或针状。单晶体的长度为4 5m，宽度仅0.2pm左右。氢氧化钙结晶也是从水溶液中析出的结晶。钙矶石晶体 和氢氧化钙结晶的析出，填充了原来由水溶液占据的孔隙，从而使水泥石更加密实， 并达到膨胀的效果。28d的明显特征在于形成大量的水化硅酸钙凝胶体，有的区域 水化硅酸钙凝胶体已将钙矶石晶体包裹，材料结构的孔隙进一步缩小，水泥石更加 致密。2.3.2 X-射线衍射分析在早期的水化产物主要是钙矶石、Ca(OH)2和CaCO3，CaCO3是由Ca(OH)2碳化 形成的。7d时CaCO3基本消失。水化28d后早期的产物全部转化为钙矶石，水 化产物与原来的设计比较相符。对比空白水泥样，掺F抗裂防渗剂水泥的Ca(OH)2、 C2S和C3S峰的衍射强度差别不大，钙矶石特征峰的强度得到明显增强，而没有 其他新特征峰出现。说明在硅酸盐