混凝土体积变化

影响混凝土体积变形的因素及机理
摘要：通常，所考虑混凝土体积变化的对象是由温度和湿度的循环引起的线性膨胀和收缩。

但是，化学作用如碳化收缩、硫酸盐侵蚀、碱集料反应也会引起混凝土体积的变化。

此外，徐变也是一种由应力或荷载引起的体积变化或变形。

在荷载作用下，瞬时产生的弹性或非弹性尺寸或形状的变化是同等重要的。

关键字：混凝土；体积变化；影响因素
Abstract：Usually，the object of concrete volume changes considered was caused linear expansion and contraction by the circulation of the temperature and humidity．But，the chemical function such as shrinkage，sulfate erosion，alkali-aggregate reaction can also cause concrete volume change．In addition，creep is also a kind of caused by stress or load volume change or deformation．Under the loads，the instantaneous effects of elastic or the size or shape variation elasticity is equally important.
Key words：concrete ；volume changes ；Influence factors
1前言
混凝土体积会因为各种原因发生微小的变化，认识这种变化有助于进行混凝土工程的计划与分析。

如果混凝土在没有约束的条件下自由变形，那么正常的体积变化几乎没有不良的后果。

但是，实际工程中的混凝土通常受到基础、地基、钢筋或相邻构件的约束，因此会产生显著的应力，特别是拉应力。

裂缝的发展主要由于混凝土抗拉强度相对较低而抗压强度很高所致[1-2]。

通过控制影响体积变化的因素可以最大程度地减少高的应力与开裂。

体积变化只定义为体积的增大或缩小。

为方便起见，体积变化的量通常采用线性单位而不是体积单位，混凝土体积的变化很小，长度变化幅度大约在百万分之10到百万分之1000之间。

混凝土在荷载作用下产生弹性与非弹性变形，干燥或冷却时呈现收缩应变，当变形受约束时，收缩应变将导致复杂应力模式，常会引起开裂[3]。

2早期体积变化
混凝土浇注后不久就开始产生体积变形。

24 h内的早期体积变化会影响硬化混凝土最终体积变化（如干燥收缩）和裂缝的形成，特别对低水灰比的混凝土影响更大。

下面讨论不同形式的早期体积变化。

2.1化学收缩
化学收缩是指由于水泥水化，浆体中的固体和液体绝对体积的减少。

水化产物的绝对体积要小于水化前水泥与水的绝对体积。

塑性状态的水泥浆体这种体积变化情况可用图2.1a、
2.1b 中柱状图加以说明，这种体积变化不包括搅拌时混入的空气。

只要水泥水化，微观上的化学收缩就会不断发生。

初凝后，水泥浆体的体积变形比其塑性状态的体积变形小，因此进一步的水化和化学收缩可通过微观孔隙的形成来补偿（图2.1）。

大部分的体积变化是内在的，并不会显著影响混凝土构件的外观尺寸[4-5]。

图2.1 新拌合硬化浆体的化学收缩和自收缩产生的体积变化，（a）浇注时的水泥浆体；（b）初凝时的水泥浆体；（c）终凝后的水泥浆体；（d）终凝后的水泥浆体。

（Hsu）2.2自收缩
自收缩是指水泥浆、砂浆、混凝土因水化引起的宏观体积减少（可见的体积变化）。

自收缩减少的体积远小于化学收缩减少的绝对体积，这是因为硬化浆体结构的刚度较大。

化学收缩会促进自收缩，图2.1、图2.2、图2.3给出的是自收缩和化学收缩两者之间的关系。

图2.2 水泥浆体早期自收缩与化学收缩之间的关系（Kim J K，Lee C S）
图2.3 沉降、泌水、化学收缩和自收缩之间的体积关系（Hsu）当有外来水补充时自收缩不会发生，而没有外来水时，水泥水化消耗孔隙水导致浆体自身的干燥和体积的均匀减少。

自收缩随水灰比的降低和水泥浆量的增加而增加。

普通混凝土的自收缩可忽略，然而混凝土的水灰比低于0.42 时自收缩极其显著。

高强、低水灰比混凝土的自收缩可达到（200～400）×10- 6。

对于水灰比为0.30的混凝土自收缩可达到干燥收缩的一半。

近来随着高性能、低水灰比混凝土在桥梁和其他结构中的应用，人们又重新开始关注自收缩以控制裂缝的发展。

容易受到自收缩影响的混凝土应使用外部水源进行养护，养护时间应不少于7d以控制裂缝的发展。

混凝土浇注后应尽可能快地进行喷雾养护[5]。

虽然掺合料比波特兰水泥水化程度低，但掺合料的水化也会加大自收缩。

除调整浆体含量和水灰比外，也可以使用减缩剂或内部养护技术来减少自收缩[6]。

2.3沉降
沉降是指新拌胶凝材料初凝前在垂直方向上的收缩，是由泌水（固态相对于液态的沉积）、气泡上升到表面和化学收缩而引起的，沉降也叫沉降收缩[7]。

泌水小且密实良好的混凝土通常沉降很小。

沉降和其他收缩之间的关系如图2.3所示。

沉降过大通常是由新拌混凝土密实不足引起的。

预埋件（如钢筋）上方的沉降过大，将导致预埋件上方的混凝土出现开裂。

引气、足够细集料和低用水量的混凝土，可使沉降开裂的可能性最小。

2.4塑性收缩
塑性收缩是指新拌混凝土没有硬化之前发生的体积变化。

通常在拌面修饰前或修饰过程中可观察到塑性收缩裂缝，塑性收缩裂缝好像是表面的撕裂。

塑性收缩开裂是由化学收缩、自收缩、表面水分的快速蒸发（大于泌水速度）等共同作用的结果[8]。

通过使用喷雾、挡风、遮阳、塑料薄膜、湿麻布、喷洒助抹剂（减缓蒸发）和塑料纤维等措施可使表面的蒸发最小，从而控制塑性收缩开裂。

2.5膨胀
混凝土、砂浆、水泥浆在有外来水的情况下会发生膨胀。

化学收缩使毛细管失水，而外来水分补充毛细管失去的水，混凝土的体积就会增大[9]。

由于没有自然干燥也就没有自收缩。

外部水分来自于潮湿养护或浸水。

出现膨胀归因于晶体长大、吸水、渗透压力的共同作用，膨胀并不大，在早期大约只有50×10- 6（图2.4）。

当外部水的来源除去时，自收缩和干燥收缩将使得体积变化出现相反的趋势。

图2.4 100mm×100mm×375mm混凝土试件在水养护下的早期膨胀( Aitcin)
2.6早期热膨胀
水泥水化反应放出大量的热量。

在大的混凝土构件中，这些热量能保持较长时间，因此没有较小混凝土构件的散热快[10]。

在最初的几个小时或几天出现的温度升高可能引起微小的膨胀，这些膨胀可抵消自收缩和化学收缩。

3 硬化混凝土的温度变化
一般来说，固体都会出现热胀冷缩的现象。

与温度变化相关的应变取决于材料的热膨胀系数和温度升降幅度。

除了在极端天气条件下，周围温度变化对普通混凝土结构的危害很小，甚至没有危害[11-13]。

然而，在大体积结构中，由于水泥水化产生热量和散热条件不佳的共同作用下，导致混凝土浇筑后的几天里温度大幅上升。

随后，在冷却至周围温度是常会引起混凝土开裂。

由于实体混凝土的结构设计和施工中，首先关注的是建成结构的整体性，且没有裂缝，所以需要通过选择适当原材料、配合比、养护条件和施工操作等各种措施来控制温升。

对于混凝土这样低抗拉强度的材料，冷却时产生的收缩应变比水泥水化产生的热膨胀更为重要。

因为这是产生的拉应力可能很大，足以引起开裂，这也取决于弹性模量、约束程度和徐变带来的应力松弛。

混凝土温度的变化可能由于周围环境的变化或水泥水化引起的。

可以观测到混凝土的热膨胀系数在（6～13）×10- 6/℃之间变化，平均值在10×10- 6/℃。

混凝土温度升高或降低50℃时每10m的长度变化将达到5mm。

混凝土的热胀冷缩随很多因素变化而变化，所有这些因
素中集料类型的影响最大[14]。

表3-1列出的是不同类型集料配制的混凝土热膨胀系数的一些实验值。

这些数据是通过测试小的混凝土试件得到的，这些试件除集料类型不同外其他因素都相同，每种情况下细集料与粗集料的材质相同。

表3-1 集料类型对混凝土热膨胀系数的影响（采用不同来源的集料制备的混凝土的膨胀系数的值可能会较大的差异，特别是那些采用卵石、花岗岩和石灰石的混凝土）。

集料的类型（同一来源）热膨胀系数10-6/℃
石英11.9
砂石11.7
卵石10.8
花岗岩9.5
玄武岩0.6
石灰石 6.8
钢筋的热膨胀系数大约为12×10-6/℃，与混凝土的膨胀系数相差不大。

钢筋混凝土的膨胀系数可取为11×10-6/℃，即为钢筋和混凝土膨胀系数的平均值。

当混凝土受到另一部分混凝土或地面的严重约束时，温度变化引起的收缩可以使混凝土开裂[15]。

假设有一个比较长的受约束混凝土构件，试件浇注时没有设置收缩缝，在潮湿养护后温度降低，由于温度的降低，混凝土要收缩，但是由于受到纵向约束而不能收缩，就会产生拉应力而引起混凝土开裂。

混凝土抗拉强度和弹性模量都可假定与混凝土抗压强度的平方根成比例[16]。

假设膨胀系数不随温度变化而且混凝土受到完全约束，那么不论龄期长短和强度高低，已有计算显示温度降低过大将使混凝土开裂。

当混凝土一边冷一边热形成的温度梯度时会产生弯曲，预制墙板、厚板、混凝土路面板易出现这种情况。

图3.1 素混凝土墙内外温度不均匀引起的弯曲
3.1 低温
温度降到冰点以下，混凝土继续收缩。

冰点以下的体积变化量主要受含水率、水行为（物理状态为固态和液态）和集料类型的影响。

在某一研究中，温度范围为24～-17℃时，热膨胀系数从轻集料混凝土的6×10- 6/℃变化到砂卵石混凝土的8.2×10- 6/℃。

对于潮湿混凝土，温度低于冰点会显著增加抗压强度和抗拉强度及弹性模量。

对于干混凝土低温不会影响其性能[17]。

在同一研究中，湿混凝土在24℃时的初始抗压强度为35MPa，而在- 100℃时抗压强度超过117MPa，但相同的混凝土烘干或内部相对湿度为50%时，增加的强度大约只有20%。

相对湿度为50%的砂卵石混凝土的弹性模量在- 10℃时只比24℃时高8%，而湿混凝土的弹性模量却增加了50%，普通混凝土的导热系数也增加了，尤其是湿混凝土。

3.2 高温
如果温度高于95℃的情况持续几个月甚至几小时，都会对混凝土产生显著的影响。

混凝土总的体积变化量是水泥浆和集料体积变化量之和。

在高温时，水泥浆由于脱水收缩而集料则膨胀。

对普通集料混凝土而言，集料的膨胀大于水泥浆的收缩，因而混凝土在总体上是膨胀的[18]。

另一方面，一些集料在某特定温度时体积会大幅度或突然变化，导致混凝土破坏。

除了体积变化，持续的高温还可能产生其他影响，这种影响通常是不可逆的，例如强度的降低、弹性模量的减小和导热率的下降。

徐变随温度的增加而增加。

温度超过100℃时，浆体将开始脱水( 失去结合水) 而导致强度显著下降。

强度随温度的增加而下降直至强度完全丧失[19]。

图3.2是高温对不同集料所配制的混凝土抗压强度的影响情况。

混凝土含水量、集料类型和稳定性、水泥用量、暴露于高温环境的时间、温度上升的速度、混凝土龄期、约束情况和残余应力等因素都将影响混凝土高温时的行为。

图3.2 温度对不同集料混凝土残余强度的影响(Aitcin )
4硬化混凝土的干燥收缩
硬化混凝土吸湿会出现微弱膨胀，干燥则收缩。

干湿循环对体积变化的影响如图4.1所示，试件A表示混凝土浇注后一直在水中养护，试件B表示同样的混凝土先在干燥的空气中养护，然后再干湿循环养护。

对比结果显示，连续几年在潮湿环境中养护的混凝土才会出现膨胀，但膨胀不超过150×10-6，这只是同期在干燥空气中养护的混凝土收缩的[20]。

图4.2给出的是混凝土试件潮湿养护7d后密封或暴露在空气中干燥的收缩情况。

自收缩引起密封混凝土体积的减少量在数值上等于混凝土7d的膨胀量。

注意到潮湿养护7d的混凝土因干燥和自收缩而出现收缩要比没有进行潮湿养护的混凝土低，这说明较早进行潮湿养护对减少收缩的重要性。

图4.1 混凝土中水分变化情况(Aitcin)
图4.2 混凝土试件在不同养护制度下的长度变化( Aictin) 实验表明，较小的素混凝土试件（未配筋）在湿度为50%的空气中养护时，干燥收缩
的范围在（400～800）×10-6之间。

混凝土的干燥收缩大约为550×10-6，相当于温度降低55℃引起的收缩量。

预填集料的灌浆混凝土干燥收缩为（200～400）×10-6，这是由于混凝土中集料之间是点接触，所以比普通混凝土的收缩要小得多[21]。

结构轻混凝土干燥收缩变化的范围从稍小于普通混凝土到超过普通混凝土的30%之间，这取决于集料的类型。

钢筋混凝土的干燥收缩小于普通混凝土，差别在于钢筋的用量，钢筋能抑制但不能阻止干燥收缩。

对于通常钢筋用量的钢筋混凝土结构，干燥收缩估计为（200～300）×10-6，受到地基约束的混凝土路面板的收缩值也相近。

对很多室外混凝土而言，混凝土在冬天达到最大的含水量，所以在冬天由于含水率的增加和平均温度的降低引起的混凝土体积变化会相互抵消。

混凝土的含水量受到周围空气相对湿度的影响。

混凝土构件在相对湿度为50%～90%的空气中干燥几个月后，其游离水含量为混凝土质量的1%～2%。

当然实际含水量取决于混凝土的组成、初始含水量、干燥条件、混凝土构件的尺寸和形状。

在某一相对湿度下将混凝土干燥至恒定的含水量后，湿度下降，混凝土水分将损失，而湿度升高则混凝土又吸收水分。

混凝土随含水率变化出现的收缩或膨胀主要由于水泥浆对水分变化的反应[22]。

虽然一些集料膨胀与收缩受含水量的影响很大，但大部分集料对含水量变化的反应很小。

当混凝土干燥时会产生收缩，在没有受到约束的部位，混凝土可以自由的移动，因此不产生应力或裂缝(图4.3A上)。

如果干燥收缩受到约束将产生拉应力，当超过混凝土的抗拉强度时，就会出现裂缝(图4.3A下)。

如果收缩缝设置不当而且混凝土构件收缩受到限制，就可能出现无规则裂缝(图4.3B)。

混凝土路面收缩缝的间距应为板厚的24～36倍，以控制无规则裂缝(图4.3C)。

混凝土墙的接缝对控制裂缝同等重要(图4.3D)。

图4.3 ( A)混凝土可自由收缩时无裂缝产生(位于滚筒上的板)，而受地基约束的板会产生控应力而开裂；(B)典型的收缩裂缝；(C)收缩缝可控制开裂的位置；(D)墙和板上的收缩缝可减少裂缝的形成。

收缩可持续好几年的时间，具体取决于混凝土的形状和大小。

大体积混凝土的收缩速度与最终的收缩量比小体积混凝土小；另一方面，大体积混凝土收缩持续的时间比小体积混凝土长。

4.1 混凝土组分对干燥收缩的影响
影响干燥收缩最为重要的可控制性因素是混凝土的单位体积用水量。

试验得到的用水量与收缩的关系如图4.4所示。

通过尽可能保持比较低的混凝土用水量，可使混凝土收缩达到最小，这可以通过最大限度地多使用粗集料来达到（即水泥浆含量最小）。

使用低坍落度与采用需水量最少的浇注方法也是控制混凝土收缩的主要途径。

任一增加水泥浆需水量的做法，如采用大坍落度（不掺超塑化剂）、过高的新拌混凝土温度、细集料用量偏大或使用小尺寸的粗集料等，都会增加收缩。

掺合料用量在正常范围内时对收缩的影响很小，如图2.1所示，对于通常粉煤灰用量的混凝土，其收缩与只使用波特兰水泥的混凝土相似。

混凝土中的集料特别是粗集料自身能抑制水化水泥浆体的收缩。

水泥浆的含量对水泥砂浆干燥收缩的影响要比混凝土大[23]。

干燥收缩也取决于集料类型，硬度和刚度大的集料难于压缩，因此比柔软和刚度小的集料更能抑制收缩，如用钢球代替普通集料则收缩可以减少30%或更多。

不使用干燥收缩大和粘土含量高的集料可以减少混凝土的干燥收缩，如石英、花岗岩、长石、石灰石、大理石集料能减少混凝土的干燥收缩。

蒸汽养护也可以减少干燥收缩。

大多数化学外加剂对收缩的影响很小。

使用早强剂如氯化钙将会增加混凝土的收缩[24]。

减水剂尽管减少了混凝土用水量，但有些减水剂可能会增加干燥收缩，特别是那些含有促凝组分以抵消外加剂缓凝作用的减水剂。

引气对干燥收缩影响很小甚至没有影响。

高效减水剂对干燥收缩通常影响很小（图4.4）。

图4.4 掺高效减水剂（N，M，X）混凝土（C）与基准混凝土的干燥收缩对比( Gebler 和Klieger)
4.2 养护对干燥收缩的影响
养护的程度和类型能影响干燥收缩速度和最终的收缩值。

养护剂、封闭层和涂层均可使自由水分在混凝土中保持比较长的时间，从而延缓收缩[25]。

喷雾或湿麻布等潮湿养护方法，可延缓收缩直到养护结束，在养护结束后，干燥和收缩又以正常速度进行。

较低的初始养护温度可以减少收缩（图4.5），蒸汽养护也将减少干燥收缩。

图4．5 早期养护对波特兰水泥混凝土干燥收缩影响( Gebler 和Klieger )
5 翘曲（弯曲）
除由于温度和干缩变化引起的水平移动外，地基上的厚混凝土板发生翘曲也是值得重视的问题，这种翘曲是由于板的上部和下部湿度和温度不同所引起的（图5.1）。

当板的表面比底部干燥或温度比底部低时，板在接缝的边缘有向上翘曲的趋势。

当板的表面比底部潮湿或温度高时，板就会向下翘曲。

然而，封闭的混凝土板（如地板）只能向上翘曲。

当工业楼面板的边向上翘曲，它失去底座的支撑就成了悬臂梁。

升降卡车经过接缝时引起周期性的垂直挠曲，板内蓄积很大的势能足可以在板中产生疲劳裂缝。

厚和短的板向上翘曲（弯曲）的量很小。

图5.1 混凝土板在地面上的翘曲示意图
通过科学的设计和采用减少收缩的施工技术，可以减少或消除翘曲，此外采用前面介绍到的减少与温度和湿度有关的体积变形的技术也可以减少或消除翘曲[17]。

采用厚边、短的伸缩缝间距、永久防渗水密封剂以及在表面下50mm处放置大量的钢筋等措施，都有助于减少翘曲。

6 化学变化及其影响
有些混凝土体积变化是由于化学反应引起的。

浇注和抹面后不久这些化学反应就可能发生或者后来在有水存在的情况下在硬化混凝土内部发生反应。

6.1 碳化
碳化是指含有一定水分的硬化混凝土与空气中的二氧化碳反应，而引起混凝土表面浆体的轻微收缩。

大家熟悉的碳化是没有破坏性的，实际上还可能增加混凝土的化学稳定性和强度，但碳化降低了混凝土的pH值。

如果钢筋处于碳化区，钢筋由于缺乏混凝土高pH值对氧化膜保护而锈蚀。

生锈是一个膨胀反应会引起混凝土的开裂和剥落[4-5]。

在密实、高质量混凝土中碳化程度很浅，但在多孔、质量不好的混凝土中碳化很深。

因为混凝土构件碳化程度很小，所以现浇混凝土碳化收缩也不明显，因此在实际工程中很少考虑。

在相对湿度为100%和25%时，水泥浆体碳化缓慢，几乎没有碳化收缩，但在相对湿度为50%的情况下所产生碳化和碳化收缩最大。

在碳化过程中会产生不可逆的体积收缩和质量的增加。

碳化产物能改善混凝土后来湿度变化而引起的体积稳定性，同时可以降低渗透率。

在实际生产过程中，一些混凝土构件在其强度达到设计强度80%时，将有意暴露于二氧化碳中，引起的碳化收缩可以使混凝土构件具有更好体积稳定性，后期的干燥收缩可减少30%或者更多。

混凝土表面开裂的原因之一是早期混凝土在大气中自然碳化而引起的收缩。

早期碳化对抵抗除冰盐剥落的影响还需要进行更多的研究[20]。

另一种类型的碳化也可能发生在新浇注还没硬化的混凝土中。

这种导致表面酥软泛白的碳化现象叫起砂，通常发生在寒冷季节的混凝土成型时，这是因为在密闭的情况下使用未排气的加热炉或汽油驱动的设备所产生二氧化碳浓度过高。

6.2 硫酸盐侵蚀
当土壤和地下水富含硫酸盐时，如果未采取诸如低水胶比之类的措施，就会发生硫酸盐侵蚀。

当混凝土处于诸如墙和柱的基础之类的潮湿和干燥的地方时，硫酸盐侵蚀是很严重的。

由于化学反应或盐结晶等固体的形成，硫酸盐侵蚀通常会导致混凝土的膨胀[4]。

混凝土在恶劣环境中的膨胀量会明显高于0.1%，这种破坏作用在混凝土内部会导致混凝土开裂和分解，但膨胀的量还不能准确预测。

6.3 碱集料反应
某些集料能与混凝土中的碱性氢氧化物反应，经过几年时间后会引起膨胀和开裂。

在含有这种集料的结构部分暴露于潮湿环境时，这种反应更为严重，因此必须要了解当地集料的特性。

碱集料反应有两种类型，即硅质碱集料反应和碳酸盐碱集料反应。

在混凝土中碱集料
反应引起的膨胀可能超过0.5%，这会导致混凝土开裂和分解[3]。

不能通过结构设计来抵消碱集料膨胀的影响，也不能通过设置伸缩缝来控制碱集料膨胀。

在已知有危害性集料的地方，就必须采取特殊的措施来防止碱集料反应的发生。

7 弹性和非弹性变形
7.1 压应变
图7.1中的一系列曲线给出的是无筋混凝土在瞬时荷载作用下的压应力与压应变的量值。

水灰比为0.50或小于0.50时，混凝土应变达1500×10- 6，最上部分的3条曲线显示应力与应变有很好的比例关系，换言之，混凝土几乎是弹性的。

曲线的上部分和其他曲线显示混凝土的非弹性。

高强混凝土的曲线有明显的顶点，但低强混凝土的曲线表现出长而相对平缓的顶点[24]。

图7.1还显示了高强、低水灰比混凝土圆柱体试件突然破坏的特性。

图7.1 150mm×300mm试件的应力-应变曲线，试件龄期为28d
7.2 弹性模量
在混凝土应力-应变曲线中的弹性阶段，应力与应变的比值即为弹性模量。

普通混凝土的弹性模量范围在14000～41000MPa，具体取决于抗压强度和集料类型等因素。

抗压强度在20～35MPa的普通混凝土，弹性模量可估算为抗压强度平方根的5000倍。

结构轻混凝土的弹性模量在7000～17000MPa之间[4]。

7.3 挠度
梁和板的挠度是最为常见和明显的构筑物移动。

挠度是由恒载和活载作用引起的弯曲应变所产生，弯曲应变可在混凝土的受拉区产生裂缝。

钢筋混凝土结构设计要预先考虑这些拉裂缝[5]。

混凝土构件经常作成拱型，也就是说，建造时向上起拱以抵消后期预计的挠度。

7.4 泊松比。