关于混凝土收缩几个问题的研究1

4 3 dv πrρ ＝6π rη v， 3 dt
解得：
9 t dx － ＝ v＝ voe 2 r 2 dt
（1—2）
（ 1—3）
初始条件为：t＝0 时 v＝v0。当 t＝∞时各颗粒间的相对速度为 0 此时的位移 x 为：
x
t=∞=
2 r
2
9
v
0
（1—4）
可见粒径、密度和初始速度大、粘度小的颗粒容易产生离析。 混凝土振实时混合料处于“液化”状态，各颗粒沉降速度不同，就产生离析和泌水。混合料颗粒 上主要作用力有粘阻力、浮力和重力，颗粒运动方程为：
*
图 4 △Gr—r 的关系 图 5 L—S 界面晶核的非均态生成
关于混凝土收缩几个问题的研究
孙南屏 （广东工业大学 广州 510090）
［摘要］本文探讨了混凝土沉降、离析、泌水时内部颗粒运动的一些特征，研究了利用混凝土养护条件、粗骨料骨架 作用和非均态成核等方法来降低混凝土的收缩。 ［关键词］泌水 养护条件 粗骨料骨架 非均态成核
1.引言 近 20 年来混凝土技术突飞猛进，混凝土强度等级越来越高。新技术，如各种外加剂、泵送混凝 土、高强混凝土、高性能混凝土等等不断出现。技术的进步应使材料的性能更趋完善，然而就现浇混 凝土的收缩、开裂来说，情况并不是这样，甚至相反。近年来，专家学者们就此问题进行了很多研究。 在此，笔者就自己能够认识到的有关混凝土干缩、开裂的一些特点和防止措施进行研究，以供讨论。 2.关于新拌混凝土离析、沉降和泌水的探讨 2.1 颗粒的运动与离析 混凝土拌和物由不同大小、不同密度的固体颗粒和水均匀混合而成。在施工作业中，外力（如振 动力、重力、浮力等）的作用一分为二，一方面有助于混凝土的密实成型，另一方面又竭力破坏混凝 土各组分的均匀分布，使混凝土组分丧失连续性，即使混凝土离析。 如果均匀分布的颗粒群运动时各颗粒的运动速度不相等， 则原有的均匀分布状态丧失。 可用 Stokes 定律说明离析的产生〔1 〕 。设颗粒为球形，周围的混凝土为粘性体，颗粒沉降的粘阻力 f 为： f＝6π rη v （1—1） 式中：r—颗粒的半径（cm） ； η —混凝土的粘性参数（dyne.s/cm2)； v—颗粒与周围混凝土的相对速度（cm/s） 如颗粒的密度为ρ ，颗粒的运动方程为：
水泥石结构形成的温度、压力对水泥石的体积稳定性有很大的影响，见表 2。由表见，低压蒸养 表 2 不同形成条件下形成的混凝土的收缩 ［2］ 及高压蒸养与常温湿养相 相 对 收 缩 比，混凝土收缩都将减小。 骨料品种 常温 低压蒸养、高压蒸养混凝土 低压蒸养 高压蒸养 的收缩比常温湿养减小 湿养 普通水泥 快硬水泥 普通水泥 快硬水泥 10~39%和 72~80%。 1.00 0.84 0.74 0.28 0.20 高炉矿渣 4.1 温度、压力条件对结构 0.90 0.74 0.26 0.21 膨胀页岩 1.00 形成的影响 1.00 0.70 0.61 0.26 0.22 沙砾石 4.1.1 温度提高， 水泥的水化 反应加速 对 Ca（OH）2 析出量及结合水量的测定表明，80℃蒸养与 20℃时的水化过程相比，水化反应加 速了 5 倍，100℃时加速了 9 倍。阿累尼乌斯温度与反应速度的公式有效［3］ 。 4.2 温度、压力提高，水化产物颗粒粗化、分散度降低 温度、压力提高，水泥颗粒的溶解度大大提高，溶液迅速达到强烈的过饱和。从强烈过饱和溶液 中结晶生成的水化硅酸钙因为晶粒细小而有很大的表面自由能，同时其溶解度相对较大，因而不断地 再结晶成为较为粗大的颗粒，将很大的表面自由能转化为化学结合能以提高自身的稳定性［4］ 。硅的 聚合加剧，见图 2［5］ ；水泥石的孔隙率下降，小孔减少，见图 3［6］ ，图中纵坐标为孔径大于 r 的总 孔体积 V 对孔半径 r 的微分△V / △r，横坐标为孔半径 r；比表面积降低，见表 3。
v v
水 骨
=

w a
c
=
1400 =5.6。这个比值与 V/Vw 的比值是一致的。水在混凝土拌合物中的高速运 250
c
动，与骨料形成较大的相对运动，会产生离析、水侵蚀、浮降和泌水。如果模板不密封，高速运动的 水会把水泥冲走，只剩下骨料。 2.3 临界水灰比(w/c)l 近似认为混凝土中的石子形成大骨架，砂子填充其中，水泥填充砂子的空隙，水填充水泥颗粒的 空隙。混凝土用水量小于或等于水泥颗粒的空隙率时，不会泌水；反之则泌水。设混凝土用水量等于 水泥颗粒空隙率时的水灰比为临界水灰比（w/c）l，水泥的密度为γ c，水泥颗粒振实堆积密度为γ cz， 水的密度为γ w，水泥的体积为 Vc，则有： 水泥的空隙率 kc=（1－γ cz/γ c）×100%；所需水的体积 Vw=kc×Vc；水的重量 Ww=kc×Vc×γ w； 水泥的重量 Wc=γ cz×Vc×100%，则： （w/c）l=
表 4 结构形成不同时材料的典型性能
材 料 混凝土 混凝土 混凝土 粘土砖
结构形成条件 常温养护 常压蒸养 蒸压养护 900~1000℃烧结
比表面积（cm2/g） 干缩率（×10-6） （2.1~2.3）×106 1.2×106 0.7×10
6 4
备注 水泥石的比表面积 水泥石的比表面积 水泥石的比表面积
4 3 dv 4 3 4 πrρ = π r ρ g－6π rη v－ π r3ρ c g 3 3 dt 3
式中：ρ c—混凝土拌合物的密度； g —重力加速度。 假定初始条件 t=0 时 v=0，解出（1—5）式： v=
（1—5）
2r g 9
2
（ρ －ρ c） （1－e
－
9 t 2
2 r ）
500~800 300~500 200~300 50~200
(1~3)×10
体积自由能的变 化；另一部分是新 生相与液相之间形 成新的界面，这需 要做功，使体系表 面自由能变化。恒
温恒压由液相中形成半径为 r 的球状晶核体系自由能变化△Gr 为： △Gr=4π r2γ lx+（4/3）π r3△Gv （5—1） 式中：γ lx— 液—晶核的界面能； △Gv— 相变时单位体积自由能的变化。 （5—1）式右边第一、二相分别为液相中出现晶核时表面自由能和体积自由能的变化。△Gr 与 r 的关系图 4。图中△G*为一势垒。晶核要长大，必须突破该势垒。在 r*以内，随 r 的增大体系自由能 △Gr 升高。一但突破△G*，随 r 的增大△Gr 减小，直至负值，成为自发过程。由 d△Gr / dr= 0 可求出 均态晶核临界半径： r*=－2γ lx /△G （5—2） 代入（5—1）式得△G*=16π γ lx3/3（△Gv）2。 （5—3） 5.2 非均态成核 非均态条件下成核时如加入晶种，晶核首先在与液相接触的固体（晶种）界面上生成，见图 5。 △Gr △G* r r
õ Õ Ë Ä Ê Á µ ý Í » Ä ì Á 10-6 ) (¡
表 1 普通成型和预填骨料混凝土的收缩（室内、6 个月） 项目 骨料体积率（%） 1 2 81 82．6 w/c 0.55 0.55 水泥：砂子 1：1.55 1：1.55 水泥用量（kg/m3） 收缩（×10-6） 约 405 约 400 380 230 施工方法 普通浇注成型 预填粗骨料成骨架、振实， 加入砂浆，再振实。
kV V
c c cz
3
w
=
c
_
c cz c cz
w
(1—8)Hale Waihona Puke Baidu
取γ c=3.15g/cm ，γ cz=1700kg/m3，代入（1—8）式，可得（w/c）l=0.271。实际工程中所用水灰 比基本都大于 0.271，因此，工程中出现浮浆、泌水难以避免。适度的泌水不但可以防止混凝土表面 塑性收缩开裂，而且方便混凝土表面的修饰。大量的泌水会在粗骨料下和水平钢筋下形成水层、在水 泥浆中形成水流通道，使混凝土的强度、耐久性下降，加剧混凝土物理力学性能的各项异性。采用二 次振动等方法可消除上述缺陷。应该重视和利用混凝土的泌水。 3. 利用粗骨料骨架的内约束作用减少混凝土的整体收缩开裂 普通混凝土收缩的原因主要在于水泥石。混凝土中的骨料，尤其是粗骨料石子，由于自身稳定性 高，掺入水泥浆后可减少混凝土的收缩。混凝土中骨料的体积率越高，混凝土的收缩就越小，见图 1。 上述结果只是一种现象。掺入骨料并不能真正减少水泥石的 ¼ 1 ¹ Í Ç Á Ï Ì å » ý Â Ê Ó ë » ì Ä ý Í Á Ê Õ Ë õ 收缩，由于骨料的体积稳定性高，当界面结构完好时，通过界面的 Ä ¹ µ × Ï µ 传递， 使骨料周围水泥石的收缩受到骨料的约束而降低。 这种约束 1200 存在于混凝土内部，可称为“内约束” 。内约束的结果表现为混凝 1000 土外观收缩的减少。 尤其当石子的粒径较大， 在混凝土中的体积率 800 600 较高时，石子颗粒相互接触，形成刚性较大的骨架，内约束作用尤 400 其明显。由水泥石收缩引起的混凝土外观收缩大大减小，见表 1。 200 当内约束增大，由水泥石干缩引起的混凝土变形由外观变形转变 60 62 64 66 68 70 72 74 为骨架内的局部变形， 开裂由少量粗大、 贯通的裂缝转变为众多局 ì Ä » ý Í Á Ö Ð ¹ Ç Á Ï Ì å » ý Â Ê (%) 部分散的小裂缝， 使收缩裂缝分散和细化， 减轻外部约束对混凝土 收缩开裂的促进作用，减少现浇混凝土的收缩开裂，尤其是大体积混凝土。 4. 水泥石结构形成条件对体积稳定性的影响
（1—6）
设 t=∞时为最终速度，则： v
t=∞=
2r g 9
2
（ρ －ρ c）
（1—7）
可见颗粒运动速度与粒径的平方、密度差成正比，与粘度成反比。 2.2 水的运动与离析、泌水 固体颗粒沉降、水分上浮引起泌水。原则上混凝土的沉降收缩量等于泌水量。由于混凝土中水的 体积率较小，泌水量占总用水量的比例就远大于混凝土的沉降收缩率。设混凝土的体积为 V，其中固 体部分体积为 Vs，水的体积为 Vw，泌水体积为 Vb，泌水率与混凝土沉降收缩率的比例为 V/Vw。设 Vw=0.18m3，V=1m3，则 V/Vw=5.56。这个差距是由于水的上浮速度大于固体颗粒沉降速度所致。取混 凝土密度ρ c=2400kg/m3，骨料的密度ρ a=2650kg/m3，水的密度ρ w=1000kg/m3，由（1—7）可得粒径 相同时水的上浮速度 v 水与骨料的沉降速度之比：
表 3 不同养护条件和 w/c 时水泥石的比表面积
（cm2/g，氮吸附） 养护条件 0.4 室温空气 32 常压蒸养 25 蒸压养护 10 w/c 0.6 0.8 52 38 15 53 40 25
4.2 讨论 占水泥水化产物 80%左右的 图 2 不同温度下养护的 C3S 的 TMS 图 3 不同温度水化 1 天的 3 个 C-S-H 是影响水泥石体积稳定性的主要因素。 衍生物凝胶渗透色谱图 C3S 试样的孔分布 C-S-H 是无定形的高能固体， 通过硅酸盐四面体 的多聚作用，缓慢的向低能状态转移，这一过程伴随有许多物理变化，如孔隙率下降、比表面积降低 等。此外， 高温时形成结构、在常温时使用的水泥石与常温时形成结构并在常温时使用的水泥石相比， 在使用前多了一次胀缩预变形，能减少 C-S-H 的部分不可逆收缩，C-S-H 的总收缩也会减少。与许多 无定形的沉淀固体一样，C-S-H 的这种状态转变随着温度、压力的升高而加速，并导致结构有序度的 提高，C-S-H 的体积稳定性则与这种状态的转变程度成正比。状态转变是现象，亚稳定态的高表面能 颗粒转化为较为稳定的结合能固体是本质。能量较高的颗粒较容易转变。因此，常温下转变缓慢，高 温、高压使转变加速。外部提供的能量越多，转变程度越大，伴随的物理变化越显著，转变的不可逆 性越高。结构形成时的能量状态越高，材料使用时的能量状态越低，材料结构的稳定性越高。包括烧 结粘土砖在内的硅质材料也有上述规律，见表 4。 5 利用非均态成核技术减小水泥石的收缩 5.1 均态成核 从液相中结晶的过程可分为两步,首先形成晶核，然后晶核长大为晶体。恒温恒压条件下由液相中 形成晶核时体系的自由能变化由两部分组成，一是从液相中出现固相时体系