体积稳定性对中低强度混凝土高性能化的影响分析

度最终将逐渐降至环境温度 ， 混凝土 内部就会产生
温度梯 度及 温度 收 缩应 变 ， 一旦 超 过 混 凝 土 的抗 拉
２ 体积稳定性及其 对混凝 土开裂 和耐
久 性 的影 响
分析高性能混凝土的定义， 无论是美 国学者 的
观 点 ， 是 日本学 者强 调 的重点 ， 还 均认 为高 性能 混凝
文 章 编 号 ：０ ９—９４ （０ １ Ｏ ０ １ ０ １０ ４ １２ １ ）８— ０ １— ４
体积稳定性对中 低强度混凝土高性能化的影响分析①
口 口 黄 学 军 （ 马鞍 山建 设 工程 质量 检测 中心 ， 徽 马鞍 山 ２ ３ ０ ） 安 ４ ００
摘 要： 近年来 ， 高强高性 能混凝土 的研 究取得 了很 大进 展。
在 硬化 阶 段 具 有 足 够 的 强 度 和 耐 久 性 ” 因此 ， 。 认
为 高强 混凝 土 就 是 高 性 能 混 凝 土 的 观 点 是 不 准 确
① 基 金项 目： 住房 和城 乡建设部 ２ １ ０ ０年科学技术计划项 目（ ００一Ｋ ２１ ４—２ ） ７
建 材技术 与 应用
８ ２ １ ／０ １
保 持其 初始 形状 几 何 尺 寸 的能 力 。从 广 义 上讲 ， 各 种能够 引起 混凝 土 体积变 化 的 因素 都将 影 响到混 凝 土 的体 积稳 定性 。混 凝 土体积 稳定 性 的具体 表现 形 式有 温度 变形 、 干湿 变形 、 自收缩及 塑性 收缩 等 。
混 凝 土体积 稳 定性 的好坏 表现 在环 境 中混凝 土
的使用性及耐久性 。混凝土结构在 正常使用环 Ｊ 境 中 ， 度应 力在 特 定 情 况下 可能 是 混 凝 土结 构 失 温 效的关键因素 ， 尤其是对于大体积混凝土 ， 正确评价
混 凝 土结 构 在 施 工 期 及 服 役 期 的温 度 是 非 常 重 要
的。
由于温湿 度变 化 的变 形 大 小 、 裂 与 否及 严 重 程 度 开 等方 面 ， 这些 因 素 将 会 对 混 凝 土 耐 久 性 造 成 影 响 。 水分 蒸发 或扩 散 引起 水 分 散 失 ， 由此 导致 收缩 应 并 变 的产 生 ， 不足 以抵抗 因 收缩 受 到 限制 而 引起 的 在 应 力时就 会 产生 开裂 ， 严重 影 响混凝 土及结 构性 能 。 干燥收缩 主要是 由于饱和 的水 泥浆体 露 置于低 湿度 的环境 中 ， 中的水 化 硅 酸 钙凝 胶 因毛 细 孔 和 凝胶 其
引言
混 凝 土是 当代 土木 工程 中应 用量 最 大 的人造 材
料 ， 是最 重要 的建 筑 材料 之一 ， 也 广泛 应用 于各 种 工
强度等级 Ｃ １ ０ Ｃ ｌ ５ Ｃ２ ０ Ｃ２ ５ Ｃ３ Ｏ
表 １ 北京市 ２０ ０ ８年 各 强 度 等 级 预 拌 混 凝 土产 量 统计 情 况
能 混凝 土 。而 事实 上 ， 凝 土 的高 性 能 绝非 通 过 混 混 凝 土 强度 （ 尤其 是抗 压强 度 ） 的提 高 就 能 实现 的 ， 高
性 能 混凝 土重在 强 调混凝 土 的高 耐久 性及 有助 于实
全 国 的统 计数 据 与 北 京 市基 本 类 似 ， 见 中低 可
水 泥在 水化 过程 中放 出大 量 的 热 ， 水 化 热通 常 可 但 以很 快 释放 到环境 中而不致 产生 危 害。而 在大体 积 混 凝土 、 长结 构或构 件 中 ， 超 由于混凝 土是 热 的不 良 导体 ， 如果散 热条 件较 差 ， 混凝土 在浇 注后 内部 温度 大幅升 高且 不易 散 去 ； 在 实 际环 境 中混凝 土 的温 而
１ 中低强度等级混凝土的商陛能化需求
高性 能混凝 土 （ ｉｈＰｒ ｒ ａｃ ｏｃｅｅ 出现 Ｈｇ ｅｆ ｍ ｎｅ ｎｒｔ） ｏ Ｃ 于２ ０世 纪 ９ ０年代 初 ， 有 区别 于传 统 混 凝 土 的 高 具 工 作性 、 强度 、 积 稳定 性 和 高 耐久 性 能 ， 体 被认 为是
使用寿命 ， 即高耐久性。中低强度等级混凝土高性 能化 的关 键就 是要 提 高 混凝 土 的耐 久 性 ， 需 要 通 这 过提高混凝土体积稳定性 、 降低混凝 土收缩开裂来 实现 … 。因此 ， 中低强 度 混 凝 土 系统 开 展 体 积 稳 对 定性 的相 关研究 ， 过研 究混 凝土 配合 比设 计 、 积 通 体
的 ， 为 只有 高 强混 凝 土 才 有 可 能是 高 性 能 混 凝 土 认 的观点 更是 错误 的 ， 中低 强 度 混凝 土 同样 可 以是 高 性 能混 凝 土 ， 现混凝 土 的高性 能 化 ， 实 尤其 是 中低 强 度 混凝 土 的高性 能化 是非 常必 要 的 。 高性 能混凝 土 的关键 特征 是通 过混凝 土 的高体
压力 锅 炉 、 囱及 核 反应 器 等 特 殊 使 用 场合 以及 爆 烟 炸、 火灾 等事故 发 生现 场 的混 凝 土 ， 环境 温度 远超 其 过 正常 温度并 可 能 发生 急 剧 变 化 ， 温 改 变 了混 凝 高
土 的微 观结构 ， 影 响 到混 凝 土 的力 学性 能 和结 构 并
中得 到印证 （ 表 １ 。 见 ）
对 混凝 土耐久性 的影他 的劣化过程更容 易进行 ， 这对于混凝土材料及 结构的耐 久
性极为不利。
关键词 ： 混凝土 ； 高性 能化 ； 中低 强度 ； 积稳定性 ； 体 耐久性
中 图分 类 号 ：Ｕ ５ ８０ Ｔ ２ ． １ 文 献 标 识 码 ： Ａ
土必须具备 良好的体积稳定性和耐久性。高耐久性 是高性能混凝土的标志性特点 ， 而高体积稳定性则 是 实现 混凝 土高 耐久性 、 性能 的重 要条 件之 一 。 高 ２ １ 实 际使 用环 境 中混凝 土 的体积 稳定 性 ． 混凝土体积稳定性是反映混凝土体积膨胀或收 缩 变形 的性 能指 标 ， 指 非 荷 载作 用 下 硬 化 混 凝 土 尤
强 度混 凝 土 在 实 际工 程 建 设 中 的用 量 占据 绝 对 优 势 ， 挥着 非 常重要 的作用 。 发
现 高耐 久性 的其 他性 能 。例 如 ， 国学 者认 为高 性 美 能 混 凝 土 应 该 “ 于 浇 注 、 实 、 离 析 、 长 期 保 易 捣 不 能 持 高强 、 韧性 与体 积稳 定性 ， 严酷 的环 境下使 用 高 在
温度 变化 的影 响 。通 常环 境温 度变 化造 成 的温差 主
要有 ３ ： 种 ①季节温差 ： 由于季节温度变化而出现的 最高或最低温度 的差值 ； ②内外温差 ： 因使用期间内 外气 温不 同而 在构 件 内外 表 面产 生 温 差 ； 日照 温 ③
差 ： 构使 用 期 间 向 阳 面 与背 阴 面 之 间 的温 度 差 。 结
Ｃ３ ５ Ｃ４ ０ Ｃ４ ５ Ｃ５ Ｏ
８ ．９ ２ ４
Ｃ５ ５
１ ．６ １８
Ｃ６ Ｏ
∑
年 产 量／ 万 ｍ ） ５ ．４ ２ １ １ ２ ４ ０ ５ ０ ８ １０７ ２ ４ ８７ ３ ９ ９ ７ ．２ （ ４ ０ ０ ．６ ８ ．７ ０ ．５ ７ ．Ｏ ４ ．７ ２ ．０ ０ ４
还有 待 于探索 。 温 度收缩 主要 指温 度 下降所 引起 的混 凝土体 积
收缩 ， 当收缩受 到约束时则将导致裂缝出现。温度 收缩 的机理 主要 在 于混 凝 土 材 料 的热 胀 冷 缩 特性 ， 收缩值取决于混凝土的热膨胀系数与降温幅度。混 凝土热膨胀系数可通过混凝土的基本热物性参数如
强度 ， 就会造成混凝土开裂 。在实际工程设计中， 超 静 定结 构必 须计 算 由于 温度 变 化 而 产 生 的应 力 ， 尤
其 是在 大体 积混 凝 土 或 超长 结 构 中 ， 泥 水 化热 的 水
影响更 加不 容忽 视 。 实 际使 用 环境 中的 混凝 土 变 形 ， 必然 受 到 环境
际环境 中的混凝土体积 变形存在 湿热耦合 的特 点， 体积 变形
水工结构以及军事工程等。高强高性能混凝土的研
究在我 国已经取得 了很大进展 ， 但实际建设工程 中 用量最多的却是强度等级在 ｃ２ Ｃ５ ０～ ０之 间的混
凝土 ， 通常被 称 之为 中低 强度 混凝 土 。 由于设计 、 施 工 、 济等 方面 的原 因 ， 经 目前 高强 高性 能混 凝土 在工 程 中的用量 还 比较 少 ， 阶段 许 多 大 型 或特 大 型 的 现 水 利水 电工 程 、 铁 与 隧 道 、 路 与 桥 梁 等 重 大 工 地 公 程， 在设 计 中多 采用低 强 度 和 中等 强度 的混 凝 土 ， 如 长 江三峡大 坝工程使用 的混凝 土大多为 ｃ２ ５～ｃ３ ， ０ 南京 地铁工 程 中大量使 用 的混凝 土也是 Ｃ２ ５～Ｃ３ 。 ０ 在 众 多 的住 宅建 筑 中 ， 中低 强 度 混 凝 土 的应 用 同样 十分普 遍 。这 可 以从 北 京市 混凝 土协会 的统计 资料
２ ．７ ３０ ３５ ２ ７ ８ ．３
所 占比例／ ％
１７ ．５
６ ５ ．２
９ ２ ．１
１ ．４ ６２
３ ．３ ４ ９
１ ．５ ４ ５
１．０ ０ ７
２ ２ ．８
２ ６ ．８
Ｏ ３ ．８
０７ ．４
ｌｏ ０ ０ ．
由表 １可 以看 出 ，０ ８年 北 京 市 预拌 混 凝 土 行 ２０ 业 完成 预拌 混 凝土 生产 供应 量为 万 ｍ （ 包括 原 统 不 计 数据 中 的预 拌 砂 浆 和 其 他 混 凝 土 ） 其 中ｃ２ ， ０～ Ｃ５ 等 级 的混 凝 土 所 占 比例 达 到 ９ ．０％ ， 度 等 ０ Ｏ６ 强 级 ＜Ｃ２ ０的 占 ８ ３ ．Ｏ％ ， 强度 等 级 ＞Ｃ５ ０的高 强混
稳定 性 改善措 施 和有 效 的施 工 技术 控 制 综 合 作 用 ， 实现 中低 强度 混凝 土 的高性 能化 ， 已经成 为 中低 强 度混 凝 土高性 能化 亟待 解决 的关键 问题 。
温度上升结束 、 开始下降时刻 ， 多发生在｝凝土浇注 昆 后 ７ｄ龄期 内。在 一 般 的结 构 混 凝 土 施 工 中 ， 即使
业 与 民用建 筑 中 ， 公路 桥梁 、 场跑 道 、 下工 程 、 如 机 地
但在 实际工程 应用 中， 目前 仍 以 中低 强度 等级 的 混凝 土为 主， 中低 强度 等级混凝土 高性 能化 的研 究， 然 比高 强 高 对 显 性能混凝土 的研 究更 有 实用 意义 。对于 中低 强度 等 级混凝 土 的高性能化 ， 可避 免地 要 涉及 混凝 土 的体 积 稳定性 ， 不 实
混凝 土技 术 的发 展 方 向 。因 此 ， 内外 学 者对 高性 国
寿命 长” Ｅ ，ｔ 本学者则 强调“ 高填充能 力 ， 在新拌 阶 段 不需 振捣 就 能完成 浇 注 ； 水化 、 在 硬化 的早期 阶段
很 少产 生 由于水 化 热 和 干 缩 等 因 素 而形 成 的裂 缝 ；
比热 容 、 导热 系数 等表 征 。 明显 的温 度 收缩 往 往 由 水 泥水 化热 引起 ， 般 发生 在 水 泥 水 化放 热 引起 的 一
积稳定性 、 低收缩开 裂而保证低渗透 性、 高使 用寿 命 。体 积 稳定性 良好 ， 混凝 土不 易变形 开 裂 ， 则 由此
混凝 土 的抗 渗性 较 高 ， 种 有 害 离 子侵 蚀 对 混 凝 土 各 耐久性 能 的劣 化作 用 较 小 ， 得 ｝ 土具 有 很 高 的 使 昆凝
凝 土仅 占 １ １ ．０％ 。
能 混凝 土 的研究 非 常 重 视 ， 对 其 各 项 性 能 开展 了 并 大 量 的研究 与 实 践 工作 。在 传 统观 念 中 ， 们 很 容 人
易将高强混凝 土（ ｉ ｔ ｎｔ Ｃ ｎｒ ｅ 与高性能 Ｈ ｇ Ｓ ｅｇ ｏｃ ｔ） ｈ ｒ ｈ ｅ 混 凝 土 的概 念 混淆 ， 或者 认 为高 强 混 凝 土 就是 高性