浅析混凝土的干燥收缩

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摘 要：干燥收缩是水泥混凝土中常见的一种变形，而干缩变形又是引起水泥混凝土材料开裂的最主要原因之一。因此研究混凝土的干燥收缩机理，对减小混凝土结构的收缩和提高混凝土结构的耐久性有非常重要的意义。

关键词：混凝土；干燥收缩；机理

中图分类号：TU528.1 文献标识码：A

Drying shrinkage of concrete

Li-jing

Abstract：Drying shrinkage of cement concrete is a common deformation. Shrinkage of concrete and other cement-based materials often are at the origin of crack formation. Therefore, it is important to study the shrinkage mechanism in order to be able to minimize shrinkage. It also has the important meaning to extend service life of reinfored concrete structures.

Keyword: concrete; drying shrinkage; mechanism

1. 引言

干燥收缩简称干缩，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中的吸附水而发生的不可逆收缩。

近年来随着高强混凝土(HSC)的广泛应用，因干燥收缩而引起混凝土结构的裂缝更为普遍。根据国内外高强混凝土配合比研究和应用资料，与普通混凝土相比较，高强混凝土配合比的特征是：（1）高水泥标号，（2）高水泥用量，（3）低水灰比，(4)掺加矿物掺和料。高强混凝土的水泥用量比普通混凝土高，在高强混凝土中水泥石的含量占混凝土的总体积一般为35%~40%，故其产生干缩的可能性也大[1]。

工程中因收缩而引起的混凝土结构开裂的现象非常多，图1-1为工程中常见的干缩裂缝示意图：

图1-1 干缩裂缝示意图

以上列举的各种干缩裂缝可谓是混凝土的“通病”，有的并不致影响结构构件的承载力，但却影响其耐久性，所以也成为工程界极为关注的重要问题[2]。

2. 裂缝的成因

由于混凝土的湿度梯度是表层湿度小、内部湿度大，混凝土的干缩由表面逐步扩展到内部，出现了混凝土表层收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，致使混凝土表层承受拉，内部承受压，当混凝土表层所受的拉应力超过其抗拉强度时，混凝土表面便产生裂缝，拉应力也因此消除，这一过程如图2-1所示。这种现象在混凝土刚拆模后表现尤为明显，因为这时混凝土的强度很低，干燥收缩却非常大，且混凝土拆模后和空气接触，使周围空气温度上升，导致周围空气的湿度降低，进一步加大混凝土干燥收缩。

图2-1 裂缝成因

3．干燥收缩机理

对于混凝土干燥收缩的解释有很多学说，普遍认同的学说有以下几种：

毛细管张力理论

毛细管张力学说[3]认为混凝土的干燥收缩与干燥过程中毛细管水的弯液面有关。由于干燥，毛细管内部的水面下降，弯液面的曲率变大，从而导致表面张力增大，这种表面张力对毛细管管壁产生压力。因此，在毛细管水蒸发过程中，混凝土处于不断增强的压缩状态中，导致混凝土外观体积的缩小[4]。

这一过程可以通过图3-1 加以比较清晰的描述。从图3-1（a） 中可以看到，混凝土处于干燥环境下时，泌出的水分在混凝土表面被蒸发，当表层水分的蒸发较快，内部水分迁移来不及补充时，在气液界面的外表面(气相)形成毛细孔负压，即毛细孔内溶液表面蒸汽压与液压(水压)的压力差P(图3-1（c）)，由于这一压力差的存在，促使凝胶颗粒间产生一个气液弯月面，如图3-1（c）所示。这一弯月面在毛细孔负压与固(凝胶颗粒)液(毛细孔水溶液)界面处的表面张力的共同作用下形成短暂的动态平衡。随着水分的继续蒸发，内部水分向外迁移的速度越来越慢，从而毛细孔负压越来越大，弯月面的受力平衡被打破，导致液面整体不断下降，这也使得弯月面的曲率随之增大(曲率半径即毛细孔液面处的孔半径随之减小)，固液表面的接触角θ随之减小，使得表面张力的竖向分力增大(图3-1（b）)，于是弯月面再次受力平衡，如此反复。

图3-1 干燥作用时混凝土收缩拉力形成机理示意图

（2）拆散压力理论

开始干燥时所损失的自由水并不引起硬化水泥浆体的收缩，干燥收缩的主要原因是吸附水的消失，因为水泥浆体中胶凝质点间的距离小于10个水分子的厚度时，则吸附在其间的水分子就会产生一种张力来平衡凝胶质点间的分子引力，当吸附水消失时，造成材料的体积收缩。C―S―H表面上吸附的水膜厚度随湿度的增大而增厚，Stockansen认为，水泥基体的胶凝材料之间存在着拆开压力P，它主要有三部分组成：P=p1+p2+p3，。当两胶凝质点之间为真空时（如图（a）所示），则此时拆开压力主要由范德华力控制，两凝胶质紧紧地吸引在一起；当两凝胶质处于溶液中时，其两者的表面上就会吸附一层水膜，随着相对湿度的增大，其水膜的厚度也逐渐增大，范德华力p1减小，由双层离子的交替而产生斥力p2减小，p3与溶液的溶质有关也作相应变化，最终达到一个动态平衡。当相对湿度降低时，范德华力使凝胶质点靠紧，浆体出现收缩。对于拆开压力我们可以用下面的图3-2来形象的描述。

（3）表面自由能理论

表面能变化引起的收缩是指凝胶颗粒表面随湿度的变化而引起的收缩。当固体微粒表面吸附一层水膜时，在水的表面张力作用下固体微粒受压力，该压力可用下式表示：

（2-3）

式中：P-固体微粒表面所受压力（Pa）；

σ-水的表面自由能（J/m2）；

S-固体的比表面积（m/g）。

水化硅酸钙凝胶体具有很大的比表面积S，因此表面自由能σ的变化可引起P较大变化，从而使凝胶体系发生体积变化。相对湿度在20-50％范围内，σ随相对湿度的变化而变化，而相对湿度较大时，由于凝胶体颗粒表面吸附多层吸附水，故产生的压力极小，可忽略不计。由表面能变化引起的长度变化，可以用Bangham公式计算：

dl / l=k dγ

式中l是固态物体的初始长度，dl 是长度的变化，dγ是由于相对湿度的变化而引起的表面自由能的变化，k是常数。假如这个机理是正确的话，那么dl / l 的关系应是一条曲线，若dl / l 很小，则用分数表示物体的体积变化为3 dl / l 。表面自由能的变化影响收缩的行为。

（4）层间水理论

层间水迁移引起的收缩，是指存在于C-S-H凝胶内层区的层间水随着相对湿度的降低，产生较大的能量梯度，从而使层间水向外迁移产生的收缩。Feldmen和Sereda认为，水化硅酸钙的层间水在低于相对湿度条件下才失去，并对收缩有显著的影响，尤其是对不可逆收缩产生很大的影响，其程度比表面自由能或拆开压力等的影响大得多。层间水只有在凝胶水蒸发或受挤压时才向外迁移。水泥石内部相对湿度大于50％时，毛细管水仍稳定存在，因此凝胶水也能稳定存在，故不会引起层间水的迁移。只有在相对湿度很低的条件下，才发生因层间水迁移引起的收缩[5]。

4.结语

混凝土的干缩性能，前人进行了大量的研究工作，但在机理方法等方面均有一定的局限性。研究并掌握水泥混凝土干缩产生的原因、机理及减小干缩的措施对于防止产生干缩裂缝，提高混凝土结构的耐久性有着十分重要的意义。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。