高性能混凝土早期自收缩及其测试方法

陈志力

(浙江省嘉兴市水利水电工程质量监督站，浙江 嘉兴 314001)

混凝土建筑物由于收缩导致开裂的问题一直是结构安全与耐久性控制的重点和难点。近年来，由于混凝土技术的发展，掺矿物细掺料、使用超塑化剂、降低水灰比等使得兼具高强度、低渗透性等优点的高性能混凝土(high performance concrete，HPC)在工程实际中得到了广泛应用。然而，与普通混凝土相比，这些措施在改善力学性能的同时，却使得HPC存在体积稳定性差、早期易产生裂缝等问题。研究表明，自收缩是导致HPC开裂的主导因素。早龄期时，混凝土的拉应力低于约束自收缩所产生的内部应力时，裂缝过早形成，使一些有害物质，如氯离子、酸、CO2等更易进入，从而极大地损害了混凝土的耐久性和服役时间。

混凝土的自收缩主要发生在早期，特别是在HPC中，由于早期强度不够，测量收缩的传统方法无法测量，且目前各国对混凝土自收缩的测量尚无统一的标准。因此，研究自收缩的精确测试方法，有利于为控制混凝土早期开裂研究提供准确依据，从而提高HPC的耐久性。

1 HPC的自收缩特性

1934年，Lyman首次提出“自收缩”概念，定义如下：水化硅酸钙与水化铝酸钙凝胶的形成服从凝胶生成规律，使得体积变小，且该类收缩与外界温度或湿度的变化无关，故称为“自身收缩”。

日本混凝土协会研究认为，自收缩为水泥初凝后水化产生化学收缩而引起的表观体积的减少，一般以体积的减小率(自收缩率)或一维长度的变化(应变)来表征自收缩的变化。国内学者大多数认为自收缩是由于水泥水化作用，使得内部水分被消耗的自干燥作用引起体积收缩变形，是在恒温恒湿下宏观上表现出的体积的减小，即认为自干燥收缩(self-desiccation shrinkage)等同于自收缩[1-2]。化学收缩是导致自收缩的主要原因，自收缩表现为外观体积的减少，而化学收缩则由绝对体积的变化体现。

图1为水泥基材料自收缩与化学收缩的体积变化体现示意图。(a)为浇筑时的浆体体积，(b)为初凝时的浆体体积，(c)和(d)为终凝后的浆体体积。从图(c)可以看出，自收缩包括凝缩(setting shrinkage)和自干燥收缩两部分。凝缩是指加水拌和后到初凝以前，混凝土内由化学作用和沉降等产生的体积变形；而自干燥收缩则是指浆体内部结构形成后，由于继续水化导致内部湿度降低产生的变形，自干燥收缩是组成自收缩的重要部分，由于浆体初始结构的形成时间无法精准确定，一般以初凝时间作为自干燥收缩测试起始点，凝缩则从浆体加水拌和即认为已开始。

图1 水泥基材料自收缩与化学收缩的体积变化

2 HPC的自收缩机理

HPC的自收缩的形成机理比较复杂，许多研究表明，HPC的早期自收缩与内部毛细孔的水弯液面形成有关，通常表现为内部相对湿度的降低，毛细孔压力与内部相对湿度的关系由Kelvin公式和Laplace方程联合可得，见式(1)。

(1)

式中：σcap为毛细管压力，kPa；RH为相对湿度，%；ρw为水的密度，kg/m3；R为理想气体常数；T为开尔文温度，k；M为水的摩尔质量，mol。

HPC在加水拌和后，其胶凝材料颗粒外部包裹着一层水膜，孔内充满着相互连通的液态水，此时内部相对湿度为100%；随着水化反应的进行，水化产物在胶凝材料颗粒表面形成，占据原来由水膜所占据的空间，而由于固体体积减少，受硬化浆体骨架的限制化学减缩逐渐表现为基体内毛细孔形式，此时自由水仍能相互连通，浆体内部湿度为临界状态。随着水化反应的继续进行，生成的水化产物堵塞了液态水的连通通道，使液态水只能存在于毛细孔中，而在完全密封的情况下，水泥水化的耗水作用使得毛细孔中的水湿度下降，且为了与大孔中的水保持热力学平衡而出现弯液面，此即为由于自干燥效应引起自收缩变化的阶段，由式(1)可知，当HPC内部相对湿度<100%时，内部湿度越小，由自干燥作用产生的毛细管压力越大，当压力大到某个数值时，自收缩就会在HPC形成，而压力继续增大到比水泥浆体的抗拉强度大时，裂缝便产生了。

3 HPC自收缩的测试方法

3.1 体积法

自收缩通常伴随浆体宏观体积的减少表现，因而，通过直接测量浆体宏观体积的变化来表征自收缩的方法就称为体积法。对于体积变化率法，通常是将新拌的试样注入到韧性容器中，在液体中浸没，体积的变化率由浸没在液体中的试件的重量变化计算得到。但此种方法试样很难与韧性容器紧密结合，且搅拌成型后的泌水、韧性容器的渗透性等可能导致测量误差。

3.2 长度法

当水泥基材料由于自收缩作用体积变小时，从理论上来看，水泥基材料在各个维度的尺寸都会减小，但当材料的纵向尺寸远小于横向尺寸时，纵向变形可以忽略不计，只需考虑横向变形，即用横向变形来衡量自收缩的大小，此即为长度法测水泥基材料自收缩的原理。

Tazawa[4]针对自收缩问题做了大量研究，其提出一种可用于测量混凝土拆模前自收缩的测试装置，如图2所示。终凝后拆模，并立即密封好，待基准长度测定后转入塑料袋中养护，至相应龄期后取出，置于混凝土收缩测定仪中测量。该装置可有效用于混凝土早期无强度的自收缩测定，但存在试件测头与收缩测定仪测头不易对中问题，影响测量的准确性，且后期的自收缩变化很小，不容易测出。

图2 Tazawa拆模前自收缩测定装置示意图1—混凝土;2—密封板;3—测头;4—千分表架;5—支架立柱;6—橡胶垫;7—千分表;8—热电阻;9—紧固螺丝;10—特富纶板;11—有机玻璃衬板;12—高度调节螺丝

安明哲等人[5]对上述装置提出了改进，如图3所示，将千分表固定在支架上，长方向的侧板可插拔，短方向留有预留孔供探头伸出，且同时测定温度的变化，实现了混凝土的早期自收缩的连续测量，但测试需在凝结后进行，忽略了塑性阶段的变形，与体积法测得的数据相比较小，且试验过程较为繁琐。巴恒静等[6]采用非接触式传感器测试混凝土早期自收缩，实现了对数据的自动采集和处理，且方便灵活的进行实验，但是否真实反映混凝土的变形还有待探讨。

图3 安明哲等自收缩测定装置示意图

由于水泥基材料的收缩自加水拌和成型后就可能开始，国内外学者提出采用一种波纹管模具，可以实现在塑性阶段测长度的变化，将体积应变转换成长度应变，有效地避免了重力、温度变化及模具约束对测试的影响，且实现了从加水成型后的连续测量。

4 结 论

自收缩是影响HPC耐久性的重要因素，准确统一的自收缩测量方法有助于为提高HPC的服役性能研究提供依据。综合以上测试方法，自收缩测试需满足的条件有：(1)水泥基材料处于密封状态，与外界不发生水分交换和物质交换；(2)环境温度保持恒温，必要时需要测定体系的温度变化，根据材料的热膨胀系数计算得到因温度引起的变形，修正测试结果；(3)试件处于无外力作用状态，外力的存在会干扰水泥基自收缩结果。

参考文献：

[1] 安明喆，朱金铨，覃维祖.高性能混凝土的自收缩问题[J].建筑材料学报，2001(2)：159-166.

[2] 马冬花，尚建丽，李占印.高性能混凝土的自收缩[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2003(1)：82-84.

[3] 孙振平，杨辉，水亮亮，等.高效减水剂对水泥砂浆早期自收缩的影响[J].建筑材料学报，2013，16(6)：1020-1024.

[4] Tazawa E I, Miyazawa S, Kasai T. Chemical shrinkage and autogenous shrinkage of hydrating cement paste [J]. Cement & Concrete Research, 1995, 25(2): 288-292.

[5] 安明哲，覃维祖，朱金铨.高强混凝土的自收缩试验研究[J].山东建材学院学报，1998(S1)：141-145.

[6] 巴恒静，高小建，杨英姿.高性能混凝土早期自收缩测试方法研究[J].工业建筑，2003(8)：1-4.