高性能混凝土的耐久性-高性能混凝土体积稳定性

第二节高性能混凝土的体积稳定性一、概述

低水胶比与矿物外加剂的大量掺入使高性能混凝土的硬化结构与普通混凝土相比有着很大的差异，结构的差异在带来高性能混凝土诸多性能上的突破的同时，随之带来了它的一些本质上的缺点，如收缩，特别是自收缩大。混凝土产生收缩的主要原因：混凝土中所含水分的变化；化学反应；温度变化等因素引起的体积缩小。

（一）混凝土的收缩的种类：

化学收缩自收缩温度收缩（冷缩）塑性收缩干燥收缩碳化收缩

1.化学收缩（水化收缩）水泥水化后，固相体积增加，但水泥——水体系的绝对体积则减小。所有的胶凝材料水化以后都有这种减缩作用。大部分硅酸盐水泥浆体完全水化后，体积减缩总量为7%~9%。在硬化前，所增加的固相体积填充原来被水所占据的空间，使水泥石密实，而宏观体积减缩；在硬化后，则宏观体积不变而水泥——水体系减缩后形成内部孔隙。

因此，这种化学减缩在硬化前不影响硬化的混凝土性质，硬化后则随水灰比的不同形成不向孔隙率而影响混凝土的性质。影响化学收缩的因素：（1）化学收缩与水泥的组成有关

C3A的收缩最大，约为C3S和C2S收缩的3倍，约为C4AF的4.5倍。C3A的含量越大，水泥的收缩越大。

（2）化学收缩与水泥中的石膏含量有关即SO3含量也影响水泥的体积变化，SO3含量需要根据水泥中C3A和含碱量(R2O)进行调节。（3）化学收缩与矿物外加剂有关

掺用矿物细掺料时，水泥的化学减缩和细掺料的活性有关。例如，磨细矿渣越细，活性越高，化学减缩细大。因此磨细矿渣不宜过细，以避免增加混凝土的总收缩量。

2.自收缩

体系与外界没有水分交换的情况下，由混凝土内部自干燥作用所引起的宏观体积收缩换称为自收缩。自干燥：除搅拌水以外，如果在混凝土成型后不再提供任何附加水，则即使原来的水分不向环境散失，混凝土内部的水也会因水化的消耗而减少。密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。

自干燥造成毛细孔中水分不饱和而产生压力差：△P——毛细孔水内外压力差；

σ——毛细孔水表面张力；

α——水和毛细孔孔壁的接触角；

r——毛细孔水水力半径(水力半径＝孔体积／孔内表面积)。压力差△

P为负值，因而引起混凝土的自生收缩。自干燥是体系在恒温恒重下产生的。在水灰比较高的普通混凝土中，这部分收缩较小，包括在总的收缩之内。

低水灰比的高强混凝土和高性能混凝土自收缩比普通混凝土的自收缩大得多。

原因：高性能混凝土的水灰比很低，能提供水泥水化的自由水分少，早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快。在外界水分供应不足的情况下，水泥水化不断消耗水分而自干燥产生原始裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。混凝土自干燥的大小与水灰比、矿物外加剂的活性、水泥细度等因素有关。自收缩主要发生在早期。

3.温度收缩（冷缩）

是由于温度变化引起的收缩变形。温度收缩主要是混凝土内部温度由于水泥水化放热导致混凝土温度升高，水化基本完成后混凝土逐步降低到环境温度，伴随温度降低会产生收缩。其大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。混凝土的在高性能混凝土中温度收缩较大，温度收缩出现的时间提前。高性能混凝土的早期收缩大会导致高性能混凝土(特别是高强混凝土)的早期抗裂性差。

4.塑性收缩混凝土在新拌状态下，拌和物中颗粒间充满着水，如养护不足，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，则会造成毛细管中产生负压，局部产生应力，使浆体产生塑性收缩。

塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段，在塑性阶段混凝土由于表面失水而产生的收缩，由它引起的开裂是工程建设阶段最常见混凝土裂纹，一般发生在混凝土浇注后2-10小时。

高性能混凝土的水灰比很低，自由水分少，矿物外加剂对水有更高的敏感性，在工程中容易发生塑性收缩而引起表面开裂。影响因素：外部因素：风速、环境温度和相对湿度等；内部因素：水灰比、矿物外加剂、浆集比、混凝土的温度和凝结时间等。预防：降低混凝土表面的失水速率。采取防风、降低混凝土的温度、延缓混凝土凝结速率等措施都能控制塑性收缩。最有效的方法是终凝(开始常规养护)前保持混凝土表面的湿润，如在表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等。

5.干燥收缩：干燥收缩是指混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩。它不同于干湿交替引起的可逆收缩。随着相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大。影响混凝土干燥收缩的因素：混凝土的水灰比和水化程度水泥的组成和水泥用量矿物外加剂和化学外加剂集料的品种和用量等。

6.

碳化收缩：

大气中的CO2与水泥的水化物发生碳化反应而引起的收缩变形。碳化反应首先发生于Ca(OH)2，反应生成CaCO3，体积收缩。由于水泥中的其他水化物必须在一定浓度的Ca(OH)2溶液中才能稳定存在。Ca(OH)2碳化的结果是水泥浆体中的碱度下降，继而其他水化物也可发生碳化反应，并伴有水分的损失，也引起体积收缩。

如果混凝土有足够的密实度，碳化就只限于表面层，很难向内部进行。而在表面层，干燥速率也是最大的。干缩和碳化收缩的叠加受到内部混凝土的约束，可能会引起严重的开裂。

（二）高性能混凝土的收缩碳化收缩：高性能混凝土结构致密，碳化收缩值很小，可在干缩测量时一并考虑；塑性收缩：可采用早期保温和调整配合比等方法加以控制；干燥收缩：高性能混凝土水灰比小，水分含量少，干燥收缩远比普通混凝土小；因此，自收缩就成为影响高性能混凝土产生裂缝的最主要因素：早期产生较大的自收缩，弹性模量增长迅速，受约束的高性能混凝土构件容易产生较大的拉应力，导致裂缝出现。

二、高性能混凝土的自收缩自收缩是混凝土浆体内部孔隙的干燥过程导致孔隙体积收缩引起的收缩。它从混凝土初凝后就开始产生。自收缩与水化收缩有关，又不同于水化收缩。混凝土初凝后的水化收缩，使混凝土内部无水的孔隙增加，在无外界供应水的条件下，混凝土内部会产生自干燥现象，引起收缩。

（一）高性能混凝土自收缩的特点普通混凝土水灰比大，自收缩率只有50×10-6～l00×10-6，与其干燥收缩相比几乎小一个数量级，再加上实测的干燥收缩中已包括了混凝土的自收缩，因此普通混凝土的自收缩问题一直没有得到重视。高性能混凝土水灰比小，自收缩不容忽视。

水灰比0.40.30.17自收缩占总收缩的比例（％）40501001.自收缩与水灰比的关系根据宫泽伸君等的实验结果：因此，在高强高性能混凝土中，自收缩比在普通混凝土中大得多，特别是早期自收缩占到很高的比例。

2.矿物外加剂对高性能混凝土自收缩影响

矿物外加剂的矿物组成、活性和细度与混凝土自收缩大小有密切关系。不同矿物外加剂对自收缩的影响不同。

（1）高性能混凝土自收缩与硅灰的关系硅灰由于其超细颗粒和很高的活性，掺用硅灰会引起混凝土的较大自收缩，在低水灰比的高性能混凝土中，硅灰引起的自收缩较为显著。

粉煤灰掺量（％）0102030ld的自收缩值211×10-6140×10-671×10-644×10-628d的自收缩值273×10-6220×10-6163×10-6l51×10-6ld的自收缩值占到28d自收缩的比例（%）77644429（2）高性能混凝土自收缩与粉煤灰掺量的关系(水胶比为0.29，胶凝材料用量为550kg／m3)：混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增大而减小。

（3）高性能混凝土自收缩与磨细矿渣的关系磨细矿渣对混凝土自收缩的影响与其细度有关：矿渣细度小于400m2／kg时，混凝土自收缩可随矿渣掺量的增加而稍有减小；当细度大于400m2／kg时，矿渣活性明显提高，引起自收缩增大，这时，混凝土自收缩随其掺量的增大而增大；但当掺量大于75％时，因为胶凝材料活性减低过多而使得混凝土自收缩减小。

3.高性能混凝土自收缩与水泥品种的关系凡是水化速率快的水泥，自收缩都会较大，如早强水泥、铝酸盐水泥。硅酸盐水泥的矿物组成中，水化速率快的C3A和C4AF影响最大。4.高性能混凝土自收缩与集料的关系集料的弹性模量＞水泥浆体的弹性模量，故在混凝土中起限制变形的作用。集料对混凝土自收缩的控制作用与集料用量、集料品种有关。

5.影响高性能混凝土自收缩的其他因素水泥细度：水泥越细，混凝土自收缩越大；养护温度和湿度：养护温度高，早期自收缩值大，但长龄期时，40℃养护的混凝土比20℃养护的自收缩小；配合比相同时，密封养护的比暴露的自收缩小；水养护的比密封养护的自收缩小。外加剂：掺入超塑化剂，自收缩减小，且随掺量的增加而减小；掺入膨胀剂时，可由早期膨胀而补偿自收缩；试件尺寸：试件尺寸越大，自收缩越大。

（二）高性能混凝土的自收缩测定方法目前，自收缩的测量各国尚无统一标准，只是研究者根据不同的研究内容进行选择。常用的测定方法有以下几种：

1．埋入应变计法可获得较高的精度；无法准确测定早期自收缩：该方法不适用于高性能混凝土。2．千分表法千分表是测量小变形最常用的设备，价格低，使用方便，在收缩和膨胀测量中广为使用。这种装置不能实现自动控制和自动数据采集处理。

3．电容式测微仪法这是一种非接触式的位移测量装置。特点：工作时无磨损，免维修；稳定性和精度高，测量精度可以达到10-6；传感器对试件没有作用力，与被测体导电性能无关；能够测到早期混凝土的变形；但该方法需配以相应的计算机软件(设备制造商提供)对测量结果进行数据采集和数据处理。

4．新型非接触感应式混凝土早期自收缩测量法是一种新型非接触感应式混凝土早期自收缩测量方法。其特点是可以实现使用一对传感器对多个试件的进行测量。还有一些测试混凝土早期自收缩的方法。各种测量早期自收缩的方法都还处于不断完善之中，需要在大量实践中不断完善，不仅要保证试件在恒温绝湿的条件下，避免塑性收缩、化学收缩与干缩的影响，同时要保证试件的自收缩不因外部因素而限制，并达到实现对全过程的自动和准确测量。

（三）高性能混凝土自收缩的抑制措施产生自收缩的必要条件是内部存在未水化的胶凝材料，充分条件是混凝土中外界水无法满足内部水化需要，充分认识混凝土自收缩产生的条件是避免自收缩危害的有效手段。只要选用合适的原材料与采用水养护等方法，高性能混凝土自收缩产生的开裂等危害是可以避免和控制的。通常可以采取的抑制高性能混凝土自收缩的措施主要有以下几个方面：

1．选择矿物外加剂文献和实践都表明，掺人粉煤灰可以降低高性能混凝土的自收缩。

2．使用减缩剂减缩剂通常为表面活性剂，可降低水表面张力及凹液面的接触角，因而降低因自干燥产生的应力，减缩剂同样可以降低混凝土因干燥产生的自收缩。

3．充分水养护水养护不仅影响混凝土的自收缩，同样影响混凝土的力学性能与耐久性。充分的水养护对保证水分渗透是有益的。

4．选择适宜的水泥品种从材料角度出发，选用低C3A和C4AF、高C2S的水泥可以降低自收缩。5．使用轻集料掺入浸水的轻集料，通过轻集料内部水分向水泥石体系的供应，可以有效降低高性能混凝土的自收缩，而不降低强度等其他性能。

（四）高性能混凝土自收缩研究方向1.早期自收缩有效测量方法的开发；2.明确低水胶比混凝土的长期强度和内部裂纹与自收缩的关系;3.水胶比不同、矿物外加剂品种和掺量不同的各强度等级的低水胶比高性能混凝土自收缩规律，为高性能混凝土的结构设计提供参数。4.明确自收缩机理，建立高性能混凝土自收缩力学模型与预测模型。

三、高强高性能混凝土的塑性收缩

（一）混凝土的塑性收缩及塑性收缩开裂

在高温或风速较大的季节，大面积暴露的新鲜混凝土表面，在混凝土终凝之前容易产生收缩裂缝。由于这种裂缝是由混凝土塑性收缩引起的，所以称之为塑性收缩裂缝。当新鲜混凝土表面水的蒸发速度大于混凝土的泌水速度时，水的蒸发面由表面深入到新鲜混凝土浆体表面以内，使蒸发面形成凹液面，凹液面产生的毛细管压力使固体颗粒之间产生引力。

1.塑性收缩开裂机理

计算毛细管压力的计算公式（Powers

公式）：式中P——颗粒之间的毛细管压力；

γ——水的表面张力；

S——颗粒的比表面积；

W／C——混凝土的水胶比。

水泥基材料毛细管压力随时间的变化趋势可分为三个阶段：第一阶段，颗粒之间距离较大，形成的毛细管压力较小第二阶段，颗粒之间的水形成弯液面而且曲率半径不断减小，毛细管压力P也随之显著增大，并达到最大值，此时的毛细管压力称之为临界压力(或突破压力)第三阶段，由于水泥水化的不断进行，混凝土表面的水不能填充所有空隙而呈非连续状态，毛细管压力迅速降低。

这种颗粒之间的毛细管压力引起拉应力而使混凝土表面收缩，当混凝土处于塑性状态时，混凝土表面抗拉强度很低，在P值大于混凝土表面的抗拉强度时，则产生塑性收缩裂缝。

2.塑性收缩裂缝形式

塑性收缩裂缝和干缩裂缝不同。干缩裂缝：主要是由于混凝土终凝后内部水泥石的孔隙(气孔、毛细孔、凝胶孔)水蒸发而产生，干缩量随龄期逐渐增长，形成的干缩裂缝一般垂直于长度方向或在边角呈45°；塑性收缩裂缝：是由于混凝土终凝以前表面失水引起毛细管压力而产生的表面收缩，裂缝在混凝土终凝之前形成，一般分布不规则，易出现龟裂状。

塑性收缩裂缝常出现于混凝土板、路面、粱等大面积暴露的结构表面，多呈直线形，长度可达l～2m，深度可能局限于混凝土表面较浅区域，也可能贯穿整个结构。

塑性收缩而产生的表面不规则网

3.塑性收缩裂缝的危害性影响混凝土外观质量当裂缝产生在配筋附近时，还会加快钢筋锈蚀，影响混凝土结构的耐久性

（二）影响高强高性能混凝土塑性收缩开裂的因素1．外加剂对混凝土塑性收缩的影响不同种类外加剂对塑性收缩裂缝的影响各不相同。高效减水剂：高效减水剂大幅度增加混凝土终凝之前表面的毛细管压力和收缩应力。缓凝剂：混凝土中添加的缓凝剂在延缓水泥水化的同时，也降低了终凝前混凝土表面的抗拉强度，延长了表面失水的时间，增加了出现塑性收缩裂缝的可能性。所以在夏季或大风季节使用缓凝型高效减水剂应注意防止出现塑性收缩裂缝。我国现阶段大量使用的泵送剂基本上都有减水和缓凝功能，因此在高温或大风季节应注意采取措施，防止在暴露面积比较大的泵送混凝土表面出现塑性收缩裂缝。

2．养护方法对混凝土塑性收缩的影响正确的混凝土养护是防止混凝土上表面出现裂缝的关键。在表面积比较大的混凝土工程施工时，可以采用塑料布封闭养护的方法。根据环境温度还要适当的调整养护方法，高温季节要浇水养护，低温季节要通过热工计算，增加保温材料的覆盖厚度。

3．水胶比对混凝土塑性收缩的影响Powers公式和实验都表明：降低水胶比，增加了塑性收缩开裂的可能性。较低的水灰比下，混凝土中最初出现裂缝的时间也稍微提前，裂缝最大宽度增加，长度5cm以上的裂缝变多，总数量较多。

4．水泥用量和胶凝材料总量对混凝土塑性收缩的影响

实验表明：增加胶凝材料用量，塑性裂缝的总数量增加，长度5cm以上的裂缝数量也有所增加。5．矿物外加剂品种对高性能混凝土塑性收缩的影响粉煤灰、磨细矿渣以及硅灰的使用使混凝土浆体内部固体颗粒堆聚更加密实，表面部分细小颗粒的存在使毛细管压力增大，颗粒之间的引力也随之增大，增加了出现塑性收缩裂缝的可能性。

6．温度和湿度对混凝土塑性收缩的影响环境因素对混凝土表面水的蒸发起着关键性的作用。温度提高、相对湿度降低后，混凝土的塑性收缩开裂情况明显加重，初裂时间提前、裂缝的宽度加大、裂纹长度增加、裂缝总量增加。因此，工程中如果混凝土浇筑后处在高温、低湿度的环境中应该注意预防塑性收缩开裂。

（三）工程中预防塑性收缩的措施由于塑性收缩应力是由混凝土表面的毛细管压力引起，所以减少和预防塑性收缩裂缝应该从减少混凝土的早期毛细管压力和增加混凝土表面的抗拉强度着手。预防措施：

采用优质原材料；优化配合比；加强养护；加入短纤维增强阻裂；采用减缩防裂剂。

在实际工程中还可以采取的有效措施有以下几方面：

①减少混凝土表面水的蒸发速度。尤其在高温、多风天气中，注意减少或避免混凝土表面的阳光直射，降低混凝土表面的风速。②缩短凝结时间。混凝土凝结时间越长，则暴露在空气中非养护的时间延长，相应混凝土表面总的失水量也越大，出现塑性收缩裂缝的可能性也增大。③在混凝土配合比设计中，尽量避免或减少用硅灰和高细度的矿渣等矿物外加剂。

④养护前注意及时进行表面收光。应该及时进行混凝土表面收光，在初凝至终凝这段时间内留意观察表面状况，并根据需要（如环境、经济等因素的限制，无法避免混凝土表面的阳光直射，降低风速以及减少配合比中粉煤灰用量，或者由于技术上的要求需要使用缓凝型外加剂并掺加粉煤灰以延长混凝土的凝结时间等情况），需要进行多次收光。⑤及时养护。在初凝以后，如果在混凝土表面洒水而水泥浆不流失，则可尽早洒水养护，有条件的情况下可覆盖土工布、草帘等进行保湿养护。

四、高强混凝土早期收缩开裂的影响因素和改善措施

本节所指的混凝土早期总收缩包括混凝土的自收缩和干燥收缩。（一）高强混凝土早期收缩开裂分析模型和测试方法导致混凝土的开裂原因除了收缩，混凝土的弹性模量和徐变性能对混凝土收缩开裂趋势的影响也不能忽视。因此，综合分析混凝土的收缩性能、弹性模量和徐变性能对混凝土收缩开裂趋势的影响非常必要。

1.混凝土收缩开裂影响因素的分析模型(1)总收缩：

混凝土初凝后就会由于内部的自干燥作用而引发自收缩；同时当环境的相对湿度小于100％时，混凝土内孔中的水分就会向环境迁移，从而发生干燥收缩；这两种收缩的大小都与混凝土早期的孔结构密切相关。自干燥作用孔结构环境作用自收缩干燥收缩总收缩

(2)弹性模量混凝土的弹性模量受强度的影响，但其关系是非线性的，弹性模量随强度的增加而缓慢增加。我国规范中规定了测试弹性模量与抗压强度关系的方法。当混凝土收缩受到约束时，混凝土的收缩在开裂前并不以应变的形式表现出来，而是在混凝土内部引发拉应力，拉应力的大小与此时混凝土的弹性模量有关。自干燥作用孔结构环境作用自收缩干燥收缩总收缩抗压强度弹性模量弹性拉应力约束

(3)徐变

混凝土的徐变是指硬化后的混凝土在恒定荷载的长期作用下随时间而增加的变形。混凝土是一种弹塑性体，具有徐变性能，在持续拉应力的作用下，混凝土会发生应力松弛，使混凝土内部由于收缩引发的拉应力减小。当混凝土内部的实际最大拉应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土从内部开始引发裂纹，并逐步向外表面扩展。因此，徐变是混凝土的重要性质。

混凝土收缩开裂影响因素的分析模型自干燥作用孔结构环境作用自收缩干燥收缩总收缩抗压强度弹性模量弹性拉应力约束徐变性能应力松驰混凝土配合比实际拉应力开裂抗拉强度

注意，在这里时间具有双重的作用：一方面，随着龄期的发展，混凝土的收缩和弹性模量增大，从而在混凝土内部引发的拉应力增大，对混凝土环的开裂有促进作用；另一方面，混凝土的抗拉强度及应力松弛能力也随着龄期的发展而增加，从而对混凝土开裂有抑制作用。

2.高强混凝土早期收缩开裂的测试方法

（1）混凝土限制收缩开裂试验方法

圆环法可直接评价高强混凝土的收缩开裂性能。

（2）混凝土自由收缩试验方法

混凝土的自由收缩试验方法有两种：①标准干燥收缩方法；②圆环同步测长法

（3）早期徐变在一般试验室条件下，研究混凝土抗裂性能时可通过研究混凝土在压应力下的徐变性能，来间接得到混凝土对应力的松弛能力。

（二）高强混凝土与普通混凝土收缩性能的对比

1．圆环法试验

从圆环试验结果可以看出：高强混凝土的收缩开裂趋势明显大于普通混凝土；各种矿物外加剂对收缩开裂趋势的影响各不相同：

●硅灰明显增大高强混凝土的收缩开裂趋势；●比表面积800m2／kg的磨细矿渣高强混凝土的收缩开裂趋势比基准高强混凝土的收缩开裂趋势大；●粉煤灰高强混凝土的收缩开裂趋势比基准高强混凝土的收缩开裂趋势小。

2．混凝土自由收缩采用标准方法测试混凝土自由收缩，结果表明：高强混凝土与普通混凝土的早期收缩性能无明显的差别。采用圆环同步方法测试混凝土自由收缩，结果表明：在90d龄期内，高强混凝土的早期总收缩明显大于普通混凝土。

3．高强混凝土早期弹性模量由于混凝土抗拉弹性模量与抗压弹性模量随龄期发展规律具有一致性，所以通过研究混凝土早期受压弹性模量，可分析出混凝土早期抗拉弹性模量的相对大小。有研究表明：高强混凝土与普通混凝土相比，早期的抗压强度高、发展快，因此高强混凝土早期弹性模量高、增长快。

4．混凝土劈裂抗拉强度混凝土抗拉强度一般可以采用劈裂抗拉试验间接研究混凝土的抗拉强度。

劈裂抗拉试验结果表明：劈裂抗拉强度随龄期的增长而增长，但增长缓慢；高强混凝土的劈裂抗拉强度明显大于普通混凝土；无论是高强混凝土还是普通混凝土，抗拉强度都很低，而且抗压强度的增长幅度远大于抗拉强度增长的幅度。所以，单纯依靠提高抗压强度来提高混凝土的抗拉强度，效果有限。

综合对比高强混凝土与普通混凝土的早期力学性能，可以看出：高强混凝土的早期抗压强度高、增长快，高强混凝土早期弹性模量明显高于普通混凝土；虽然高强混凝土的劈裂抗拉强度大于普通混凝土，但由于混凝土的抗拉强度增长幅度远小于抗压强度的增长，所以它的增加对混凝土抗裂能力的贡献并不明显。

5．高强混凝土早期的徐变性能

研究结果表明：矿物外加剂能明显降低混凝土的徐变性能；高强混凝土在早龄期有较小的徐变能力，这使它在早期收缩受约束时的应力松弛能力较普通混凝土的小，从而增大了高强混凝土的收缩开裂趋势。

6．高强混凝土和普通混凝土微观结构分析微观结构的观察表明：微观形貌

●对于高强混凝土，界面区Ca(OH)2晶体结晶较小，内部微结构中孔洞小、孔隙少，基本看不到长大的钙矾石针状晶体，大部分空间已被水化产物填充，这说明高强混凝土的微结构比较致密；●对于普通混凝土，界面区存在六方板状Ca(OH)2晶体，晶体的尺寸较大，微观结构的空隙中，可观察到针状的钙矾石晶体呈簇生长，这说明普通混凝土的微结构比较疏松。

孔径结构

●高强混凝土的孔隙率明显小于普通混凝土；

●对于孔径在1100～70nm之间的孔含量，高强混凝土明显小于普通混凝土；对于70～3.2nm之间的孔含量，高强混凝土明显大于普通混凝土。高强混凝土的孔径曲线明显向小孔方向偏移。这也是高强混凝土自收缩大的原因之一。综上可见，微观结构致密、粗孔少、细孔多、孔隙率小是高强混凝土微观结构的主要特征。

7.小结通过对比高强混凝土与普通混凝土收缩开裂趋势，可以发现高强混凝土与普通混凝土收缩性能差别很大：①高强混凝土早期总收缩明最增大；②高强混凝土弹性模量明显升高；③高强混凝土徐变变形能力明显减小，应力松弛能力降低；④高强混凝土抗拉强度略有增加，但增加的幅度远小于抗压强度的增长。

高强混凝土早期较大的收缩性能与影响混凝土收缩开裂的其他因素之间有着内在的关系，高强混凝土的较大收缩开裂趋势是上述各种性能综合作用的结果；具有不同水化特性的矿物外加剂使以上关系更加复杂。

(三)高强混凝土收缩开裂的因素

高强混凝土通过降低水胶比、掺加矿物外加剂来提高混凝土中水泥石的密实度，改善混凝土界面薄弱区，从而达到高强的目的。

因此，低水胶比和掺加矿物外加剂是高强混凝土的重要特征。

水胶比以及磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等矿物外加剂对高强混凝土收缩开裂有着不同的影响规律。

1．水胶比对高强混凝土收缩开裂的影响

砂浆的收缩试验表明：当水胶比在0.30～0.40之间变化时，水胶比越大，砂浆的收缩率越小，即增大水胶比对降低砂浆的收缩有利。

自由收缩试验结果表明：水胶比大的高强混凝土的收缩略偏小，这种差别在7d龄期前表现得较为明显。

圆环试验结果表明：

●水胶比低的混凝土初裂时间早；

●水胶比低的混凝土各龄期最大裂纹宽度大。

●水胶比在0.30～0.40之间时，水胶比越低，混凝土的开裂趋势越大。

●当混凝土的其他条件相同时，降低高强混凝土的水胶比能明显增加高强混凝土的早期白收缩及总收缩。

●降低高强混凝土的水胶比能使混凝土的弹性模量增大，应力松弛能力降低，即降低高强混凝土的水胶比使混凝土的收缩开裂增大。

2．磨细矿渣对高强混凝土收缩开裂的影响砂浆的收缩试验结果表明：当掺量为30％时，各种细度的矿渣都能明显降低砂浆的收缩率，其中掺加比表面积800m2／kg磨细矿渣的砂浆效果最明显。圆环试验结果表明：掺入过细矿渣不仅提前了混凝土的初裂时间，而且增加了高强混凝土各龄期的最大裂纹宽度。

综合上述试验结果，当矿渣掺量为30％时，磨细矿渣增加了高强混凝土的收缩开裂趋势，其中矿渣细度越大，表现越明显。矿渣的加入使混凝土早期弹性模量偏高，徐变能力明显降低。几种因素的综合作用，使掺加磨细矿渣的高强混凝土的收缩开裂趋势略高于基准混凝土，其中细度较大的磨细矿渣(比表面积800m2／kg)表现明显。因此，在工程中选择矿渣时，必须注意矿渣掺量和细度对收缩性能的影响，在满足强度和工作性的前提下，尽量降低矿渣的掺量和所用矿渣的细度。

3．粉煤灰对高强混凝土收缩开裂的影响圆环试验并同步进行自由收缩试验结果表明：粉煤灰对高强混凝土的收缩都有明显的降低作用。粉煤灰高强混凝土引发初裂纹的时间比基准高强混凝土晚很多，各龄期的最大裂纹宽度也明显小于基准高强混凝土。

因此，粉煤灰能明显降低高强混凝土的收缩开裂趋势。

原因：水化反应：粉煤灰早期较少参与水化反应，混凝土中掺加大量的粉煤灰相当于在早期用水量不变的情况下，降低水泥用量，从而使早期单位体积混凝土中水化产物量少，水泥石硬化体结构相对疏松。粉煤灰高强混凝土早期的微结构特点：特别是3.2～l00nm孔径范围的孔含量的降低，使粉煤灰混凝土早期的自收缩明显降低，同时由于粉煤灰高强混凝土总体上的致密性，使混凝土早期的干燥收缩较小，从而使粉煤灰高强混凝土的早期总收缩明显低于基准混凝土。

粉煤灰加入混凝土中使早期弹性模量略低，从而在收缩受约束时引发的弹性拉应力较低。粉煤灰使混凝土早期的徐变能力降低，但这种混凝土的收缩发展慢，混凝土环部弹性拉应力发展慢，从而使混凝土有足够的时间发挥徐变性能，松弛弹性应力。因此，几种因素的综合作用使粉煤灰高强混凝土的收缩开裂趋势明显低于基准混凝土。4．硅灰对高强混凝土收缩开裂的影响硅灰加入混凝土中后，混凝土的早期收缩明显增加，后期收缩有降低的趋势；掺加硅灰的混凝土的开裂时间比基准高强混凝土早，各龄期的最大裂纹宽度也明显大于基准高强混凝土。

因此，硅灰使高强混凝土的收缩开裂趋势明显增加。

原因：填充能力：硅灰颗粒比水泥小很多，因此，硅灰对水泥颗粒之间及水泥颗粒与集料之间空隙的填充能力特别强。这样，硅灰加入混凝土拌和物中后不仅能提高混凝土拌和物的黏聚性，降低泌水量，而且使混凝土的微结构得到充分的密实。

微观形貌：高强混凝土中加入硅灰后，无论是在水泥石内部还是混凝土的界面区，3d龄期时都存在大量的C-S-H凝胶，而没有粗大的Ca(OH)2或钙矾石晶体出现。孔径结构：硅灰在混凝土中的较大水化活性及硅灰高强混凝土早期致密的微结构使混凝土早期的粗毛细孔含量少，细毛细孔含量多，从而使混凝土内部早期的自干燥作用明显。

加硅灰混凝土内部孔体系的临界半径迅速降低，引发较大的自收缩，而对混凝土早期的干燥收缩有降低作用，但在早期由于自收缩占主导地位，因此硅灰的加入使混凝土的早期总收缩增大。后期(7d龄期后)由于自收缩发展缓慢，干燥收缩占主导地位，硅灰高强混凝土致密的微结构使总收缩降低。

5.小结通过上述对高强混凝土收缩开裂趋势影响的系统研究，可以得到如下结论。①当水胶比在0

.30～0.40之间时，低水胶比的高强混凝土收缩率略大于高水胶比的高强混凝土的收缩率，而且混凝土的开裂时间早，各龄期最大裂纹宽度大，即降低水胶比增大了高强混凝土的收缩开裂趋势。

②当磨细矿渣以30％的掺量取代水泥时，高强混凝土的早期总收缩没有明显增大，但混凝土3d龄期的强度迅速升高，弹性模量增大，应力松弛能力降低。几种因素的综合作用使掺加磨细矿渣的高强混凝土开裂时间提前，各龄期最大裂纹宽度大，即磨细矿渣增大了高强混凝土的收缩开裂趋势，其中细度较大的磨细矿渣(比表面积800m2／kg)表现更加明显。

③粉煤灰对高强混凝土的早期总收缩有明显的降低作用，并使早期弹性模量略低，应力松弛能力降低。几种因素的综合作用使粉煤灰高强混凝土的开裂时间明显延迟，各龄期的最大裂纹宽度明显小于基准高强混凝土，即粉煤灰能明显降低高强混凝土的收缩开裂趋势。

④硅灰使高强混凝土的早期收缩大，弹性模量高，混凝土的收缩受约束时在混凝土内部引发较大的弹性拉应力，而硅灰高强混凝土的徐变低，应力松弛能力小。几种因素的综合作用使硅灰高强混凝土的开裂时间比基准混凝土早，最大裂纹宽度也明显大于基准混凝土，即硅灰使高强混凝土的收缩开裂趋势明显增加。

五、改善高强混凝土收缩性能的措施针对高强混凝土收缩引起的开裂问题，可以从纤维增强、膨胀剂补偿收缩及减缩剂减小收缩等几个方面着手，探索提高高强混凝土抗收缩开裂能力的措