（材料学专业论文）矿物掺合料对混凝土早期收缩与力学性能的影响.pdf

l i l ll l ll li l ll l li l llu l y 17 7 8 3 7 9 e f f e c to fm i n e r a la d m i x t u r eo ns h r i n k a g ea n dm e c h a n i c s o fc o n c r e t ea te a r l ya g e d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n a n j i n gh y d r a u l i cr e s e a r c hi n s t i t u t e i nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e b y z h a ol i a n z h e n ( d e p a r t m e n to fm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl uc a i r o n g j u l y2 0 10 ，n a n j i n g ，e r c h i n a 论文英文题垦鱼照 q 堑i 照曼垒!垒亟也i 堑坠盟鲤 出d 堕k 鲳曼垫鱼 m 皇堡h 垒坠i 曼墨q !曼q n ! 曼! 曼 堑曼堑! y垒g 曼 论文语种盟论文摘要语种这：墓论文页数卫鱼论文字数垒( 万) 论文主题词遇趟 芷塑鳖佥型一呈数翅自蝗缠王缠 开裂力学性能 申请学位级别 工堂亟专业名称挝料堂 指导教师姓名瞳墨苤数援级直工导师单位直塞丞型型堂班究瞳 论文答辩日期z 0 1 0 年z 月 9 日 i 一 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：耋驾医扭 2 。1 。年6 月11 日 学位论文使用授权说明 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志有权保留本人所送交学位论文的复 印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权南京水利科学研究院研究生部办理。 论文作者( 签名) ：垂垒耻2 。1 。年7 月9 日 续测量水泥基材料的早期自收缩，且测量器具可以循环使用。 研究结果表明，单掺粉煤灰和磷渣粉能减小砂浆早期的自收缩和干燥收缩； 单掺硅粉将增大砂浆的早期自收缩和干燥收缩。与未掺掺合料的基准组相比，上 述掺合料复掺都将增大早期自收缩；对于砂浆的早期干燥收缩而言，除粉煤灰与 磨细磷渣粉复掺组合外，其余掺合料复掺都会增大早期干燥收缩。粉煤灰、磨细 磷渣粉会降低砂浆的早期力学性能，但也降低了脆性系数，对早期抗裂有利；硅 粉虽能提高砂浆的早期力学性能，但对脆性系数的改善效果甚微。另外，对混凝 土l d 、2 d 、3 d 、5 d 和7 d 的立方体抗压强度、轴心抗拉强度、劈裂抗拉强度、轴 心抗拉弹模、极限拉伸值等早龄期力学、变形性能进行了试验研究，并做了相应 的对比分析。采用圆环法和改进的平板法分别研究了矿物掺合料对砂浆和混凝土 早期开裂性能的影响，并结合相关性分析方法，对砂浆、混凝土的早期自收缩性 能与各自开裂试验的首条裂缝出现时间、平均开裂面积等研究结果进行了相关性 分析，结果表明，水泥基材料的早期自收缩特性与其开裂性能相关性显著，早期 自收缩越大，首裂时间提前，且平均开裂面积也将增大。本文的研究成果及研制 的试验装置能在矿物掺合料优选、混凝土早期抗裂配合比优化中使用。 关键词：混凝土矿物掺合料早龄期自收缩干缩开裂力学性能 a b s t r a c t a b s t r a c t m i n e r a la d m i x t u r e sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fm o d e mc o n c r e t e a n di sh i g h l yr e l a t e dt om u c hp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h e e f f e c to ff l ya s h ，p h o s p h a t es l a g a n ds i l i c af u m eo na u t o g e n o u ss h r i n k a g e ，d r y i n g s h r i n k a g e ，m e c h a n i c sa n dc r a c ko fc e m e n t b a s e dm a t e r i a l sa te a r l ya g e t h ea u t h o r r e p o r tad e v i c ew h i c hc o u l dt e s tt h ea u t o g e n o u ss h r i n k a g eo fc e m e n t b a s e dm a t e r i a l s o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pt h e t e s t i n ge q u i p m e n ta n dm e t h o d so fa u t o g e n o u s s h r i n k a g ea th o m ea n da b r o a d t h ed e v i c ec a n n o to n l ym e a s u r et h ee a r l ya u t o g e n o u s s h r i n k a g eo f m o r t a rc o n s e c u t i v e l y , b u ta l s oi tc a nb eu s e dc i r c u l a t l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tf l ya s ha n dp h o s p h a t es l a gc a nr e d u c et h ea u t o g e n o u s s h r i n k a g ea n dd r y i n gs h r i n k a g eo fm o r t a ra te a r l ya g e ，b u ts i l i c af u m ei n c r e a s et h e b o t h c o m p a r e dt ot h en o r m t h em i x t u r eo fa b o v e m e n t i o n e dm i n e r a la d m i x t u r e s i n c r e a s ea u t o g e n o u ss h r i n k a g ea te a r l ya g e t h em i x t u r eo fm i n e r a la d m i x t u r e sm a k e s t h ed r y i n gs h r i n k a g eo fm o r t a ra te a r l ya g eb e c o m el a r g ee x c e p tt h em i x t u r eo f f l ya s h a n dp h o s p h a t es l a g f l ya s ha n dp h o s p h a t es l a gc o u l dd e g r a d em e c h a n i c sa n d b r i t t l e n e s sf a c t o ro fm o r t a ra te a r l ya g e w h i c hi sg o o dt oa n t i c r a c k t h eu t i l i z a t i o no f s i l i c af u m ec a no p t i m i z em e c h a n i c so fm o r t a r b u tp r o d u c e sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e b r i t t l e n e s sf a c t o r i na d d i t i o n ，t h ec u b i cc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h ， s p l i t t i n gt e n s i o ns t r e n g t h m o d u l u so fe l a s t i c i t ya n du l t i m a t et e n s i o no fc o n c r e t ea tl d a y , 2d a y s ，3d a y s ，5d a y sa n d7d a y sa r et e s t e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l yi nt h i s p a p e r t h ee f f e c to fm i n e r a la d m i x t u r e so na n t i c r a c kp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ea n d m o r t a rw a ss t u d i e db yt h em e t h o do fi m p r o v e df i a ts l a ba n dr i n g c o m b i n a t i o no f c o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，w er e s e a r c ht h ec o r r e l a t i v i t ya m o n gt h ea u t o g e n o u s s h r i n k a g eo fc o n c r e t e t h et i m ew h e nc r a c kc o m eu pi nc o n c r e t ea n dm o r t a r , t h e s q u a r eo fc r a c ko fc o n c r e t e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea u t o g e n o u ss h r i n k a g eo f c e m e n t b a s e dm a t e r i a l si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ec r a c ko fc o n c r e t e ；t h eg r e a t e rt h e a u t o g e n o u ss h r i n k a g ea te a r l ya g e ，t h ee a r l i e rc r a c kc r o p i n gu p ，t h em o r ea r e ac r a c k e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa n dt e s t i n ga p p a r a t u sd e v e l o p e di nt h i sp a r p e rc a nb eu s e di n m i n e r a la d m i x t u r es e l e c t i n ga n dt h eo p t i m i z a t i o no fm i x i n g r a t i oo nc r a c ka te a r l y a g e k e y w o r d s ：c o n c r e t e ，m i n e r a la d m i x t u r e ，e a r l ya g e ，a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ，d r y i n g s h r i n k a g e ，c r a c kp e r f o r m a n c e ，m e c h a n i c s n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 混凝土收缩分类。2 1 1 1 自收缩2 1 1 2 塑性收缩。4 1 1 3 干燥收缩4 1 1 4 温度收缩5 1 1 5 化学收缩一6 1 1 6 碳化收缩7 1 2 混凝土的收缩机理8 1 2 1 水泥浆体的结构。8 1 2 2 干燥收缩机理一9 1 2 3 化学收缩机理1 1 1 2 4 水泥石的收缩过程1 3 1 3 混凝土收缩、开裂的研究进展1 6 1 4 混凝土力学性能研究1 8 1 5 研究目的和主要研究内容2 0 第二章原材料2 l 2 1 水泥2l 2 2 掺合料2 1 2 2 1 粉煤灰2l 2 2 2 磨细磷矿渣粉2 2 2 2 3 硅粉2 2 2 3 骨料2 3 2 3 1 细骨料2 3 2 3 2 粗骨料2 4 2 4 外加剂2 5 2 5 水：1 6 第三章混凝土早期自收缩、干缩性能研究2 7 3 1 混凝土早期自收缩研究2 7 3 1 1 水泥基材料自收缩研究现状2 7 3 1 2 混凝土材料自收缩测试方法研究2 8 目录 3 1 3 研发的一种新型的自收缩测试方法简介3 l 3 2 混凝土材料早期自收缩试验及分析3 2 3 2 1 粉煤灰对水泥基材料自收缩的影响3 2 3 2 2 磨细磷矿渣粉对水泥基材料自收缩的影响3 3 3 2 3 硅粉对水泥基材料自收缩的影响3 4 3 2 4 粉煤灰和磨细磷矿渣粉复掺对水泥基材料自收缩的影响3 5 3 2 5 粉煤灰和硅粉复掺对水泥基材料自收缩的影响3 6 3 2 6 磨细磷矿渣粉和硅粉复掺对水泥基材料自收缩的影响3 7 3 3 砂浆早期干燥收缩研究3 8 3 3 1 水泥胶砂的干燥收缩测试方法3 8 3 3 2 粉煤灰对水泥基材料早期干燥收缩的影响3 9 3 3 3 磨细磷矿渣粉对水泥基材料早期干燥收缩的影响4 0 3 3 4 硅粉对水泥基材料早期干燥收缩的影响4 1 3 3 5 粉煤灰和磨细磷矿渣粉复掺对水泥基材料干燥收缩的影响4 2 3 3 6 粉煤灰和硅粉复掺对水泥基材料干燥收缩的影响4 3 3 3 7 磨细磷矿渣粉和硅粉复掺对水泥基材料干燥收缩的影响4 4 3 4 掺合料品种及复掺组合对砂浆变形的影响研究。4 5 3 4 1 掺合料品种及复掺组合对砂浆自收缩的影响研究4 5 3 4 2 掺合料品种及复掺组合对砂浆干燥收缩的影响研究4 6 第四章混凝土早期力学性能研究4 8 4 1 混凝土强度4 8 4 1 1 混凝土抗压强度。4 8 4 1 2 混凝土抗拉强度4 9 4 2 混凝土抗压试验研究5 2 4 3 混凝土劈拉试验研究5 4 4 4 混凝土抗拉试验研究5 5 4 4 1 混凝土的轴心抗拉试验研究5 5 4 4 2 混凝土的轴拉弹模试验研究5 7 4 4 3 混凝土的极限拉伸值试验研究5 8 4 5 混凝土的早期压拉比研究5 9 4 5 1 以劈拉强度为基准的压拉比研究- 5 9 4 5 2 以轴拉强度为基准的压拉比研究6 0 4 5 3 两种压拉比的比较。6 l 4 6 砂浆早期力学性能研究6 l 目录 4 6 1 粉煤灰对水泥胶砂力学性能的影响6 l 4 6 2 磨细磷矿渣粉对水泥胶砂力学性能的影响6 3 4 6 3 硅粉对水泥胶砂力学性能的影响6 5 4 6 4 粉煤灰和磨细磷矿渣粉复掺对水泥胶砂力学性能的影响6 6 4 6 5 粉煤灰和硅粉复掺对水泥胶砂力学性能的影响6 8 4 6 6 磨细磷矿渣粉和硅粉复掺对水泥胶砂力学性能的影响7 0 4 7 掺合料品种及复掺组合对砂浆力学性能的影响研究一7 l 4 7 1 掺合料品种及复掺组合对砂浆抗压强度的影响研究7 2 4 7 2 掺合料品种及复掺组合对砂浆抗折强度的影响研究7 3 4 7 3 掺合料品种及复掺组合对砂浆脆性系数的影响研究7 4 第五章水泥基材料早期开裂性试验7 5 5 1 混凝土的抗裂评价指标。7 5 5 1 1 极限拉伸值( 。，) 7 5 5 1 2 脆性系数( b ) 7 6 5 1 3 热强比7 6 5 1 4 抗裂性系数( c r ) 7 6 5 1 5 弹强比7 6 5 1 6 抗裂能力指数( ) 7 7 5 1 7 抗裂性指数( r ) 7 7 5 1 8 理想化抗裂评价指标7 7 5 2 混凝土收缩开裂试验方法7 8 5 2 1 平板开裂试验法7 8 5 2 2 圆环开裂试验法7 9 5 2 3 棱柱体开裂试验法8 0 5 2 4 三种开裂测试方法的优劣比较8 0 5 3 基于混凝土的早期开裂试验研究8 l 5 4 基于砂浆的早期开裂试验研究8 6 5 5 砂浆脆性系数和开裂的关系8 9 5 6 砂浆收缩和开裂的关系9 0 5 7 小结：9 1 第六章结论9 3 至； 谢9 6 参考文献9 7 i l l 掺 分 物 过 滤袋回收的矿物底灰。粉煤灰对混凝土会产生三大效应，即“形态效应”、“活性 效应”和“微集料效应”。一般而言，粉煤灰能改善拌合物的和易性、减小其含气 量和推迟其凝结时间。掺入粉煤灰后，混凝土的弹性模量早期偏低，后期逐渐提高。 由于粉煤灰的形态效应和微集料效应，掺粉煤灰的混凝土的收缩值不大于基准混凝 土。在一定的范围内，粉煤灰还有利于提高混凝土的耐久性能。 矿渣粉是指在炼铁过程中，铁矿石中的s i 0 2 、a 1 2 0 3 等杂质与石灰等反应生成 的熔融物经过淬冷而成的质地疏松、多孔的粒状物再经磨细后的产物。矿渣粉作为 掺合料能改善或提高混凝土的综合性能，其原因在于矿渣粉在混凝土中具有火山灰 效应、微集料效应和微晶核效应。将矿渣微粉掺入混凝土中，可以达到以下几个方 面的效果。其一，可以改善混凝土拌合物的和易性；其二，可以提高混凝土的强度； 其三，可以减小干缩等。 硅粉则是从生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。 硅粉掺入混凝土中，可以收到以下的效果。其一，由于硅粉颗粒极细，比表面积大， 故硅粉的使用降低了拌合物的流动性，所以硅粉要配合减水剂使用；其二，硅粉能 显著提高混凝土的强度：其三，硅粉能改善混凝土的孔结构，提高了耐久性能。但 是硅粉会对混凝土的抗冻性和抗裂性带来负面的影响。 水泥基材料的早期收缩性能尤其是自收缩性能以及由收缩导致的开裂问题 一直是混凝土界研究的热点之一，本文结合院基金公益性项目“矿物掺合料对混 凝土早期开裂的影响”和水利部公益性科研专项“大坝混凝土早期热、力学特征 及开裂机理研究”并受其资助，围绕矿物掺合料对水泥基材料早龄期自收缩、干 燥收缩和开裂性能的影响进行了研究。 第一章绪论 1 1 混凝土收缩分类 自从混凝土诞生以来，收缩就一直是人们关注的焦点之一。但是吸引人们注 意的并不只是收缩自身，而是收缩带来的开裂破坏。所以，一直以来，如何减少 混凝土的收缩，增强水泥基材料的抗裂性已成为一个重要的研究方向。尤其是近 年来，随着水灰比的降低和高效减水剂的广泛应用，混凝土的强度得到大幅度的 提高；而与此同时出现的是更大的早期收缩和更多的早期微裂缝。这些消极因素 的出现影响了混凝土的耐久性。关于混凝土的收缩，黄国兴、惠荣剡l 】给出的定 义如下：由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度降低等因素引起的体积 缩小，均称为混凝土的收缩。收缩一般可分为：自收缩、塑性收缩、干燥收缩、 温度收缩、碳化收缩和化学收缩。 1 1 1 自收缩 迄今为止，混凝土学术界关于自收缩的定义问题仍然存在着分歧。自收缩最 早出现在上世纪初。l ec h a t e l i e r 2 】提出了自干燥的概念，并对硬化水泥浆的绝 对体积变化和表观体积变化进行了区分。l y n a m l 3 】最早对自收缩作出明确的定义： 不因热或者水分蒸发而引起的收缩。清华大学安明哲【4 】等对自收缩的定义如下： 混凝土的自收缩( a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ) 是指体系与外界没有水分交换的情况下， 第一章绪论 结构的形成，而化学收缩是指绝对体积的缩小，自收缩指的是表观体积的收缩， 因此在此阶段自收缩要小于化学收缩；白干燥收缩是指在密封的条件下，当水泥 浆体结构形成以后，由于水泥进一步水化而使其内部相对湿度下降所引起的收 缩。白干燥收缩是自收缩最重要的一部分。由于明确给出水泥浆体的结构形成时 间存在困难，因此开始测试的时间也是初凝开始之时；与自干燥收缩相对应的是 水泥浆体结构形成以前由于化学减缩产生的表观体积的减小，称为凝缩( s e t t i n g s h r i n k a g e ) 。凝缩也包含在自收缩之中；密封条件下由于自收缩、自膨胀和温度 变形所引起的表观体积的变化统称为自生体积变形：就化学收缩和自收缩的关系 问题【引，t a z a w ae 有这样的结论：化学收缩是自收缩的主要原因，但是两者却没 有直接联系。化学收缩是指水化产物的绝对体积小于未水化之前物质的体积之 和。化学收缩是指在水分充足的条件下绝对体积的减少，而自收缩则是指固相形 成后宏观的体积缩小。因此，自收缩要比化学收缩小的多。化学收缩和自收缩的 关系如图1 - 1 所示。 v o l u m e r e d u c t i o n c h e m i c a ls h r i n k a g e a g e a ti n i t i a ls e t t i n g 图l - l 化学收缩和自收缩的关系图 国内学者发表的文献资料【9 】【l o 】里，大多是将自收缩等同于自干燥收缩，认为 由于密封水泥浆体内部相对湿度随水泥水化而减小所引起的白干燥造成了毛细 孔中的水分不饱和，从而产生了自收缩现象。田倩、孙伟【1 1 l 等人查阅了大量的文 献后根据工程实际对自收缩做了如下定义：自收缩( a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ) 是指浇 筑成型以后的混凝土在密封条件下表观( a p p a r e n t ) 体积( 或长度) 的减小，它不包括 因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积( 长度) 的变化。 目前，对混凝土自收缩的测量一般是从1 d 龄期或者终凝时开始的【l2 1 ，而实际 3 第一章绪论 混凝土的自收缩从水泥水化就开始，且自收缩发展速率是一个单调下降的过程， 在初凝时出现峰值，而后随着硬化的发展自收缩速率逐渐下降。由此可以看出， 在自收缩测量时必须选择一个合适的测量起始点。a y t c i n t l 3 】的研究表明，常规的 自收缩测试方法导致所测得的收缩值大为减小，如图1 - 2 所示。 ，、 口 2 2 、 翌 婿 擎 s 翌 馇 1 j 燕 衾 一 u 芝 卜 辎 图1 2 采用a s t mc 1 5 7 测试的低水胶比混凝土自收缩值与实际值的差异 1 1 2 塑性收缩 混凝土的塑性收缩是指初凝以前的收缩。塑性收缩可以是因为化学反应、重 力作用以及塑性阶段的干燥失水所引起，一般而言是各向异性的，主要体现在垂 直方向的收缩。混凝土在新拌的状态下，拌合物中间颗粒充满着水，如果养护不 足，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，则会造成毛细管中产生负压， 使浆体产生收缩。而日本混凝土协会将重力方向上的塑性收缩定义为沉降收缩。 一旦混凝土具有一定的强度。不能通过塑性流动来适应塑性收缩，此时就会发生 塑性收缩开裂，混凝土的塑性收缩缝，无论是否可见，都会影响混凝土的耐久性。 虽然凝缩与塑性收缩均是发生在塑性阶段的收缩，但是二者却有着较大的不 同。前者是在密封条件下测试的，起源于早期水化反应及沉降；而后者是在干燥 条件下测试的，除了起源于水化反应及沉降外，还起源于早期水分的蒸发。所以 凝缩比较类似于工程中有早期养护的情况；塑性收缩对应了实践中无法实现早期 养护的情况。塑性收缩是造成混凝土塑性开裂的主要原因。 1 1 3 干燥收缩 干燥收缩【1 4 】是指混凝土停止养护后，在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶 4 如 o 卯 如 如 如 一 o o 之 之 0 第一章绪论 孔的吸附水而发生的不可逆收缩。水泥浆体的干缩会随着相对湿度的降低而增大 【1 5 】，见图1 - 3 。严格的说，干燥收缩是混凝土在干燥条件下所测得的变形减去相 同温度下的自收缩变形，因此想得到精确的干缩值并不容易。我国水利行业标准 s l3 5 2 2 0 0 6 ( ( 水工混凝土试验规程【1 6 】对混凝土的干缩试验方法作了详细论述： 试模的规格为l o o m m x l o o m m 5 1 5 m m 的棱柱体试模，两端埋设不生锈的金属头。 试件成型后，送入温度为2 0 - a ：2 ，湿度为6 0 - 士5 的养护室中养护，4 8 j 、, 时后拆模 并编号。然后立刻放入干缩室测量基准长度。由此可见即使是标准中所测得的干 燥收缩也不是严格意义上的干燥收缩。不过一般混凝土的自收缩远小于干燥收 缩，所以通常情况下( 非高性能混凝土) 用干缩值等价干缩和自收缩之和的做法 是妥当的。 对大体积混凝土而言，结构内部几乎不存在干缩问题，但是表面的干缩必须 给予足够的关注。毫无疑问，在薄层结构中( 防渗层、路面等) 干缩的影响相对 较大，必须非常重视干燥收缩所引起的耐久性的降低。 影响混凝土干燥收缩的因素有混凝土的水灰比和水化程度、水泥的组成和水 泥用量、细掺料和外加剂、集料的品种和用量等。 相对湿度 图1 3 水泥浆体的收缩与相对湿度的关系 1 1 4 温度收缩 混凝土的温度收缩又称冷缩，是指混凝土内部由于水泥水化温度升高，最后 又冷却到环境温度时产生的收缩。对于大体积混凝土来说，裂缝主要是由于温度 的变化引起的，如何降低大体积混凝土的温度收缩是一个十分重要的问题。高强 混凝土早期水化非常快，放出了大量的热，所以与普通混凝土相比更容易发生由 第一章绪论 温度收缩引起的破坏，因此必须给予足够的关注。温度收缩的影响因素有：混凝 土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等。 在无约束条件下，混凝土温差丁所引起的温度收缩变形是丁与混凝土热 膨胀系数q 的乘积。混凝土的热膨胀系数一般为l o x l 0 6 c ，而水泥浆体的热膨 胀系数为1 3 x 1 0 击。混凝土的热膨胀系数仅受骨料品种的影响很大，最高与最 低相差一倍之多。 混凝土在硬化过程中，水泥水化产生的水化热通过边界向四周传递。硬化初 期，水化很强烈，放出的热量大于散发的热量，此时混凝土的温度是升高的，该 现象在大体积混凝土更为显著。随着龄期的增长，水化速率逐渐降低，当发热量 小于散热量时，混凝土的温度便开始下降。显然，混凝土在升温时是膨胀的，降 温时是收缩的。降温时如果受到约束，就会产生温度应力，很可能导致混凝土的 开裂。混凝土的配比及性能、环境条件、结构、施工及养护条件等五个方面都可 能导致混凝土产生温度收缩裂缝。 第一章绪论 黾 堪 饕 肇 图l - 4 自收缩与化学收缩的关系 1 1 6 碳化收缩 混凝土除了发生自收缩、塑性收缩、干燥收缩、温度收缩和化学收缩外，还 会经受碳化作用发生碳化收缩。由于都是发生在大气之中，干燥收缩试验结果其 实就包含了碳化收缩的影响。然而两者却有着本质的不同。干燥收缩是物理收缩， 而碳化收缩是化学收缩。 碳化收缩是指大气中的二氧化碳在有水分的条件下( 事实上真正的媒介是碳 酸) 与水泥的水化产物发生化学反应产生碳酸钙和游离水等引起的收缩。 c a ( o h ) 2 + c 0 2 一c a c 0 3 + h 2 0 碳化速度取决于混凝土的含水量，周围介质相对湿度以及二氧化碳的浓度。 碳化作用只有在适中的湿度( 约5 0 ) 才会较快的进行，这是因为在过高的湿度 ( 1 0 0 ) 下，混凝土的孔隙中充满了水，二氧化碳很难扩散到水泥石中去，再 加上水泥石中的钙离子能够通过水运动到混凝土表面，碳化产物会把表面的孔隙 堵住，使得碳化作用的连续性受阻，因此碳化很小。但是过低的湿度( 2 5 ) 空 隙中就没有足够的水将二氧化碳转化成碳酸，所以碳化相应的也会很小。 碳化速度随二氧化碳浓度的增加而增加，对大水灰比的混凝土而言更是如 此。碳化速度大体上和时间的平方根成正比。 如果混凝土有足够的密实度，碳化就只限于表面层，很难向内部发展。而在 表面层，干燥收缩速率也是最大的，两者的叠加受到内部混凝土的约束，可能会 第一章绪论 引起严重的开裂。 1 2 混凝土的收缩机理 混凝土的收缩机理至今尚未探明。为了论述的需要，首先简单介绍一下水泥 浆体( 水泥石) 的结构，然后介绍几种收缩的理论，最后介绍水泥石收缩的过程。 1 2 1 水泥浆体的结构 硬化水泥浆体又称水泥石。水泥石是由不同固相组成的多孔体，固相主要是 具有胶体分散度的亚微观晶体，这些晶体可以吸附水、渗透水，并在结构上保持 一定数量的水。鲍威尔斯等人认为，水泥与水发生作用，首先在水泥颗粒周围产 生凝胶，部分凝胶逐渐变成纤维状、针状及箔片状的无定形晶体。当水分不能满 足完全水化的须要时，水泥不能全部水化，存在未水化的颗粒；当水分相对于完 全水化多余时，剩下的水分则以游离水的形式存在其中。因此，硬化后的水泥浆 体由水泥凝胶、结晶水化物、未水化水泥颗粒、胶孑l 水、毛细孔水、胶体表面吸 附水及空隙蒸发水等组成。 苏联学者a e 谢依金【1 9 】建议把水泥石分成三种主要结构成分：其一是水化 铝酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙等晶体相互连生形成的结晶连 生体；其二是托勃莫来石凝胶，其中的分散相就是水化硅酸钙亚微观晶体；其三 是未水化的水泥颗粒。 存在于水泥石中的水有四种：一是自由水存在于胶体和结晶体表面，当 空气相对湿度为9 8 时，仍可蒸发；二是毛细孔水存在于毛细孔中，当空气 相对湿度低于9 8 时即可蒸发；三是凝胶水存在于胶体中的水称胶孔水，存 在于凝胶之间的层间水，吸附于凝胶粒表面的称吸附水，当空气相对湿度低于 4 0 ，这些水都可以蒸发；四是水化水存在于水化物晶体中，是不可蒸发的。 水泥石中的孔可分为三类【1 】：凝胶孔：是水化水泥颗粒间的过渡空间，水泥 凝胶的最小孔隙率占水泥凝胶体积的2 8 ，即凝胶孔约占凝胶体的1 3 ；毛细孔： 初始水灰比越大和水泥水化度越小，则毛细- 孑l ：y l 隙率越大，在水泥不断水化的条 件下，水泥石毛细孔孔隙率随水泥石龄期的增长而下降；大孔：孔径大于1 0 0 0 n m 的孔。 第一章绪论 1 2 2 干燥收缩机理 众所周知，液体与其蒸气平衡时的蒸汽压力叫做饱和蒸气压。当液面上的蒸 汽压低于蒸汽压时，就会发生蒸发，反之引起凝缩。 平面状态的水的饱和蒸汽压取决于温度的高低，而硬化水泥石中毛细孔及凝 胶孔中的水，由于水表面形成曲面，故比平面状态的水的饱和蒸汽压低，不容易 蒸发。水泥胶凝体表面的吸附水，由于分子引力的作用，就更不容易蒸发。 水面的曲率半径与饱和蒸汽压之间的热力学平衡关系可用下下表示： l g - - - p ：型竖 p or 砂 ( 1 1 ) 式中p 一曲面水的饱和蒸汽压力； p 。平面水的饱和蒸汽压力； 万一水的表面张力； m 一水的分子量； r 气体常数； 丁温度； p 一水的密度； ，一水面的曲率半径( c m ，圆心位于水的外侧为正) 。 固体表面吸附的水量随周围的水蒸气压力及温度而定。把一定温度下的蒸气 压力和吸附量的关系用等温吸附式表示： u ： 坠壁 ( 1 - 2 ) ( p o p ) 【l + ( k 一1 ) p p o 】 式中：u 一压力为尸时的吸附量： u 。一形成单分子层时的饱和吸附量； 尸一平衡压力； 只一饱和蒸汽压， k 一常数。 当饱和蒸汽压力高于平衡压力时，就进行吸附；反之，则吸附的一部分水分 子被解吸，直至达到新的平衡。 水泥石的干燥收缩机理主要有毛细管张力学说、表面吸附学说。 毛细管张力学说认为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( 见图1 - 5 ) ， 9 第一章绪论 这种表面张力对毛细管壁产生压力。因此，伴随着水分的蒸发，混凝土受的压力 越来越大，从而表现为宏观体积的缩小。 - 4 0 0 0 ，、3 0 0 0 皇 u i - 、- 2 0 0 0 ， 3 幺 学1 0 0 0 索 地 最 钾 毛细管半径( a ) 51 02 0 5 0 1 0 0 t 。 02 04 06 08 01 0 0 相对湿度( ) 图1 5 毛细管表面张力与相对湿度的关系 从图可以看出，随着相对湿度的降低，孔隙中水产生的负压迅速增加。当相 对湿度降至8 5 时，较大孔隙中的水就会蒸发掉，毛细管张力较小，水泥石收缩 相应减小，这相当于图中的直线部分；如果进一步干燥，当相对湿度在8 5 3 5 之间时，毛细管张力随相对湿度的降低而增大，水泥石的收缩量不断增加；当相 对湿度小于3 5 时，水泥石中就没有毛细水了，按毛细管张力学说的解释，水泥 石会发生膨胀，但实际是收缩。所以说，当相对湿度低于3 5 时对应的收缩不是 由毛细管张力引起的。 表面吸附学说认为吸附水一旦从水泥凝胶上脱离，表面张力就增加，胶粒被 压缩。由于这种表面张力变化引起固体颗粒体积变化，当颗粒较大时体积变化就 近乎零，但是比表面积小于1 0 0 0 m 2 g 时，其体积变化就不能忽视。 有的学说认为，相邻凝胶颗粒形成v 形接触点，这个接触点有吸附水膜， 当水膜因为缺少水分而断开，致使v 形结合部分闭合而产生收缩。 还有的学说认为，相邻湿度一降低，则胶粒间的吸附水和胶粒中的层间水就 有一部分被蒸发，而且受胶粒相互之间引力的影响，缩短了颗粒间的距离，产生 新的化学结合。因为这种结合，即使凝胶水再吸水也不会破坏，所以由于这个机 l o 第一章绪论 理所产生的收缩一部分是不可恢复的。 从上面几种干缩机理学说来看，水泥石的收缩不是由单一机理可以解释清楚 的，而是由多种原因共同叠加的结果。 苏联学者谢依金认为，当周围空气相对湿度较高时，湿水泥石的初期收缩是 由毛细孑l 力导致的。空气湿度越低，形成弯液面的毛细孔半径越小，常压时，降 低空气相对湿度，毛细孔压力会增大，所以收缩随之增大。当空气的相对湿度低 于6 0 时，水泥石就会失去吸附水，吸附在水化硅酸钙晶体表面上的吸附水首先 蒸发：而空气相对湿度低于4 5 时，就会失去硅酸钙晶体结构的层间水，托勃莫 来石凝胶的层间水蒸发，水泥石收缩增大。空气的相对湿度越低，温度越高，失 去的层间水越多，水泥石的收缩就会越大。 综合以上干缩机理发现：相对湿度大时，混凝土的收缩可用毛细管张力学说 来解释；而在相对湿度较小时，混凝土收缩则是由层间水和吸附水的失去造成的。 1 2 3 化学收缩机理 化学收缩是由于某种化学反应引起的收缩。化学收缩的主要机理有：水化收 缩、温度收缩、失水收缩、结晶收缩、碳化收缩、转化收缩。几乎所有的化学反 应都伴随着体积的变化： 呢+ = + a v ( 1 - 3 ) l 7 硅酸盐水泥的主要成分与水反应，会产生明显的体积变化，总体积大约减少 7 。水泥在水化过程中，由于无水的熟料矿物转变为水化物，所以水化后的固 相体积比水化前大的多。但是，相对于水泥一水体系的总体积来说，都是缩小的。 如果将水泥浆悬浮体置于带有细长颈部的量瓶中硬化，则会发现水液面不断下 降。这表明水泥一水体系的总体积是不断减少的，这种现象称为减缩。之所以发 生减缩，是因为水化前后物质的平均密度不同。水泥的几种熟料矿物在水化前后 体积变化的情况如表1 1 所示。 第一章绪论 - c ，；譬鬻犏，： 2 2 c 2 s + 4 h 2 0 2 一 c 3 s 2 h 3 + c a ( o h ) 2 c 3 a + 3 c a s 0 4 2 h 2 0 3 + 2 5 h 2 0 = c 3 a 3 c a s 0 4 。3ih 2 0 d c 3 a + 6 h 2 0 = c 3 a 6 h 2 0 2 5 3 12 2 6 11 0 6 7+ 5 5 9 3