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