高性能混凝土耐久性的探讨优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

江苏大学 硕士学位论文 高性能混凝土耐久性的探讨 姓名：王花 申请学位级别：硕士 专业：建筑与土木工程 指导教师：朱步银;吴丽雅 20060601 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 高性能混凝土以高强度，良好的工作性，优良的耐久性等技术指 标为设计目标。近年来它在世界各地被广泛应用于多种建筑结构，但 实践中，混凝土的耐久性已成为国际工程界普遍关注的问题，种种事 故及惊人的维修费用，使人们意识到改善并提高材料的耐久性已是刻 不容缓。 本文主要对高性能混凝土的体积稳定性、抗渗性、抗冻性、抗硫 酸盐侵蚀性以及碱一骨料方面进行探讨，通过对高性能混凝土的耐久 性试验，分析了引起混凝土破坏的原因以及影响耐久性的因素。 结果表明，对组成混凝土的材料进行恰当的选择：如选择干缩较 小的水泥、采用低热水泥、降低用水量、选择级配良好的骨料，都可 以减少混凝土的收缩；同时加强养护，保证适宜的温湿度也可以提高 混凝土的抗裂性。 通过减少水灰比、掺加外加剂以及掺入粉煤灰、硅灰等都可以在 一定程度上，提高水泥石的密实度，改善孔结构，增强高性能混凝土 的抗渗、抗冻性、能抑制碱骨料反应，提高了混凝土的耐久性。 关键词；高性能混凝土，耐久性，形成机理，掺加料 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ef r w c ) i sa i m i n ga ts u c h o b j e c t i v e sa sh i l g hs t r e n g t h ，g o o dw o r k a b i l i t y , s o u n dd u r a b i l i t ya n do t h e r t e c h n i q u ei n d e x e s i nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e nw i d e s p r e a da p p l i e di n v a r i a b l eb u i l d i n gs t r u c t u r e s ，b u ti np r a c t i c e ，d u r a b i l i t yo fc o n c r e t eh a s a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o ni ni n t e r n a t i o n a le n g i n e e r i n gf i e l d i ti sp l e n t yo f a c c i d e n t sa n da s t o n i s h i n gm a i n t a i n i n gf e e s t h a ta w a k e st h ep u b l i ct o b e a e ra n de n h a n c et h ed u r a b i l i t yo fm a t e r i a l su r g e n t l y t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e ds t a b i l i t yo fv o l u m e ，p e r m e a b i l i t yr e d u c e ， f r o s t r e s i s t a n c e ，s a l ts u l p h a t ee r o s i o n - r e s i s t a n c ea n da l k a l i - a g g r e g a t eo f i - i p c b a s e do nt h ed u r a b i l i t yt e s to fh p c ，t h i sp a p e ra n a l y z e dd a m a g e r e a s o n so fc o n c r e t ea n df a c t o r st h a te f f e c t e dd u r a b i l i t y a st h et e s ts h o w n ，i ti sn e c e s s a r yt oc h o o s ep r o p e ri n g r e d i e n t ss u c h a sl i t t l e d r y s h r i n k i n gc e m e n ta n dl o w - h o tc e m e n t ，s oa st or e d u c et h e s h r i n k a g e o f c o n c r e t e r e d u c i n g w a t e r p e r c e n t a g e a n d s e l e c t i n g w e l l g r a d e da g g r e g a t ea r ea l s os e l e c t i v em e t h o d s a tt h es a m et i m e ，t o e n s u r es u i t a b l e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc a ne n h a n c et h ea b i l i t y o f c r a c k i n gr e s i s t a n c eo f c o n c r e t e d e c r e a s i n gw a t e rc e m e n tr a t i o ，a d d i n ga d m i x t u r e sa n df l ya s ha n d s i l i c a t ea s h ，t os o m ee x t e n t ，c a ne n h a n c ec o m p a c t i o nd e g r e e ，i m p r o v e p e r m e a b i l i t y - r e s i s t a n c e a n df r o s t r e s i s t a n c e ，r e s t r a i n a l k a l i a g g r e g a t e r e a c t i o n ，a n di n c r e a s ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e k e y w o r d s ：h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ( h p c ) ；d u r a b i l i t ) ，；f o r m i n g m e c h a n i s m ； a d m i x t u r e i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密一 学位论文作者签名：玉厄 玷年易月；o 日 指导 汐西 本人郑重声盟：所呈交的学位论文，熄本人在露师的指 导下，独立进行磺究工作魇取得的成果。除文中已经注明引 用的内容以外，本论文不包括任何其他个人或集体殴经发表 或撰写过的律品成果。对本文的研究做出蘑要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识捌本声明 的法律结果承担。 学位论文作者签名：互花 刚鞘： 汐绎6 月弓麓 江苏大学5 - 程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 高性能混凝土的定义m 3 1 1 9 9 0 年5 月在马里兰州g a i t h e r s b u r g 城，由美国国家标准与技术研究院 ( n i s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 召开会议，首次提出“高性能混凝土( h p c ) ”这 个名词，认为h p c 是同时具有某些性能的匀质混凝土，必须采用严格的旋工工艺 与优质原材料，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高，并具有 韧性和体积稳定等性能的混凝土，在恶劣的使用环境下寿命长，也就是说h p c 要 求高的强度、高的流动性以及优良的耐久性。 目前各国根据不同要求，对h p c 认识还不大统一，但重视耐久性是大势所趋。 美国：n i s t 与a c i 认为h p c 是用优质水泥、集料、水和活性细掺料与高效 外加剂制成的，同时具有优良耐久性、工作性和强度的匀质混凝土。 欧洲：重视强度与耐久性，常与高强混凝土并提，( h s c h p c ) 。法国与加拿 大正研究开发超高性能混凝土u h p c 。 日本：重视工作性与耐久性，有足够强度即可。 我国著名的吴中伟院士认为高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大 幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格 的质量管理的条件下制成的：除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细 掺料与高效外加剂，h p c 重点保证下列性能：耐久性、工作性、各种力学性能、 适用性、体积稳定性以及经济合理性。h p c 不仅在性能上对传统混凝土有很大突 破，在节约资源、能源、改善劳动条件、经济合理等方面，尤其对环境有着十分 重大的意义，因此是一种可持续发展的绿色材料。 当然，不同国家不同学者对高性能混凝土有不同的定义和解释，但共同的观 点是：高性能混凝土应具有高耐久性。本文也持相类似的观点，即高性能混凝土 最核心的内容是优异的耐久性，也就是说高性能混凝土首先应具备高耐久性，同 时兼有良好的工作性和适宜的强度。 目前国内外学者多数还认为高性能混凝土必须是高强混凝土( 大于c 5 0 ) ，但 江苏大学工程硕士学位论文 从目前已取得的效果以及从工程安全性与安全使用期等要求来看，高强混凝土必 须是高性能混凝土，因此高强混凝土应当包括在高性能混凝土之中。单纯的高强 混凝土不一定就具有高性能；受钢筋混凝土结构最小断面的限制，往往也并不需 要广泛采用高强混凝土。如果强调高性能混凝土必须在c 5 0 以上，则必须大大限 制高性能混凝土的应用范围。大量使用的钢筋混凝土建筑物，如低层和多层房屋 以及高层房屋的上层构件，又如海工、水工，尤其是在恶劣环境中的结构物、大 体积混凝土等，对强度要求并不高，但对耐久性要求却很高。高性能混凝土恰 能满足此要求。因此高性能混凝土不只是高强度的，而是包括各种强度等级的， 其应用范围十分广泛。这也正是高性能混凝土能成为混凝土的发展方向的重要原 因。混凝土的工作性也是高性能混凝土的一个重要方面，良好的工作性是使混凝 土质量均匀、获得高性能因而安全可靠的前提，没有良好的工作性就不可能有良 好的耐久性。比如说，不均匀的拌和物( 离析、泌水) 就会造成混凝土分层和不密 实，流动性和填充性不足时还可能造成混凝土中出现孔洞、蜂窝等严重缺陷。工 作性对混凝土技术和管理现代化有重大影响，良好的工作性可因操作方便而加快 施工进度，改善劳动条件，有利于环境保护，因此对工作性应特别重视。工作性 的提高会使混凝土的填充性、自流性和均匀性得以提高，并为高性能混凝土的生 产和施工走向全盘机械化、自动化、计算机控制和机器人操作提供可能性，这是 提高工作性的又一个重大意义。 总之，高性能混凝土因其优异的综合性能必将逐步取代过去的普通混凝土， 可以预想，2 1 世纪将成为高性能混凝土的时代。 1 2 高性能混凝土的特征汁8 1 高性能混凝土的特点是低水胶比，掺用高效减水剂和矿物细掺料。因此，高 性能混凝土在不同尺度上的组成和结构都与普通混凝土有所不同。现从特征指 标、组成材料、水胶比、微观结构及宏观性能等方面对普通混凝土与高性能混凝 土进行分析比较。 1 2 1 普通混凝土与高性能混凝土的特征指标的差异 虽然高性能混凝土是在普通混凝土的基础上发展起来的，但二者的特征指标 2 江苏大学工程硕士学位论文 截然不同，两者之间特征指标存有较大的差异。普通混凝土是以( 抗压) 强度作为 其最基本的特征，或者蜕强度是普通混凝土配合比设计和生产需要的唯一指标。 而高性能混凝土则以耐久性作为首要指标，同时兼顾强度、工作性和体积稳定性 等。 1 2 2 普通混凝土与高性能混凝土的组成材料的差异 普通混凝土是传统的四组分混凝土，而高性能混凝土则是六组分混凝土。即 在普通混凝土的四组分基础上增加了化学外加剂和矿物掺合料。由于上述两种组 分的超叠加效应，使高性能混凝土与普通混凝土相比产生了质的变化。 1 外加剂的引入使混凝土由于工作性不足而采取高水胶比的措施成为历 史。外加剂( 尤其是高效减水剂) 作为一种表面活性剂解决了低水胶比与工作性的 矛盾，它具有高度分散水泥颗粒、消除絮凝结构的作用，也使混凝土的水胶比突 破理论水胶比( 0 3 8 ) 的愿望成为现实，甚至能大大低于理论水胶比而不必担心不 良的工作性。 2 高性能混凝土中的掺合料有别于普通混凝土中的掺合料。作为高性能混 凝土第六组分的掺合料，是品质优良( 硅灰) 或经过再加工的工业副产品( 粉煤 灰或水淬矿渣) ，其细度一般达到4 0 0 8 0 0 m 2 时k g ，甚至达到1 2 0 0 m 2 k g ，因此 具有极高的活性。这些超细掺合料在高性能混凝土中的主要作用可以代替相当比 例的水泥，改善混凝土的体积稳定性：改善混凝土中粉体集料的级配组成，增加 密实度；与水泥水化产物中的薄弱结晶c a ( o h ) 。发生火山灰反应，形成对强度和 耐久性有益的水化硅酸钙凝胶，抑制有害化学反应的作用。 1 2 3 普通混凝土与高性能混凝土的水胶比的差异 普通混凝土与高性能混凝土在耐久性和强度方面的本质区别，源于二者的水 胶比的差异，其分界为水泥的理论水灰比0 3 8 ( 或0 4 ) 。普通混凝土为满足工作 性需要普遍采用0 4 0 8 的水胶比，而高性能混凝土由于加入了高效减水剂使 水胶比降低至0 3 8 ( 或0 4 ) 以下，甚至可以达到0 2 或更小。 高性能混凝土由于普遍采用了低水胶比，拌合物内没有多余水分存在，混凝 土硬化后毛细孔隙数量大大减少，而且毛细孔的孔径也比普通混凝土的孔径小很 多( 一般在l o 5 0 n m 范围内或更小) 。此外超细掺合料的粒径小于水泥颗粒，能 江苏大学工程硕士学位论丈 填充水泥颗粒之问的空隙，改善了粉体材料之间级配，进一步减少了混凝土中的 毛细孔隙数量。上述因素的共同作用，使高性能混凝土形成了致密的微观结构， 耐久性和强度明显增加。图卜1 是高水胶比和低水胶比在水化开始前及结束后的 微结构示意图。 水化前水化后水化前水化后 普通混凝士不掺硅粉w c o 4高强度混凝土掺硅粉w c o 4 c 水泥w 水g 骨料s f 硅粉p 毛细孔c s h 凝胶c h 氢氧化钙 图1 - 1 普通混凝土与高强度混凝土在水化开始前和结束后的微观结构示意图 1 2 4 普通混凝土与高性能混凝土的微观结构的差异 从宏观上看，混凝土包括水泥石、粗细集料、微集料( 主要指混合材料) 、孔 隙和水。而从微观上看，水泥石中包含水化产物、未水化水泥颗粒及毛细孔等， 水化产物又包含晶体、凝胶和凝胶孔。因此，混凝土是一种具有不同孔隙的多孔 体。在这个体系中，毛细孔和凝胶体数量是决定混凝土强度和耐久性的重要因素。 普通混凝土由于水胶比大，使硬化混凝土中毛细孔体积占混凝土总体积的比 例高以及界面过渡区的存在，混凝土的密实性差。 高性能混凝土采用低水胶比，硬化后毛细孔数量显著减少，而超细掺合料又 改善粉体集料的级配，也能大幅度降低毛细孔数量，使高性能混凝土形成高度致 密的微观结构，此外超细掺合料活性大，火山灰反应强烈，消耗掉大量的c a ( o h ) 。 结晶，产生的凝胶体数量多，因此对强度的贡献大，c a ( o h ) ：的减少相应也提高 了高性能混凝土的抗腐蚀性能。 1 2 5 普通混凝土与高性能混凝土的宏观性能的差异 混凝土的宏观性能主要包括强度、耐久性及工作性等。普通混凝土因水胶比 大、其强度较低( 中低 热水泥 粉煤灰水泥。水泥等级越高，其所制成的混凝土收缩越大。 水泥的用量水泥用量越多，收缩越大，水灰比越大，收缩也越大。 水泥的性质水泥碱性越高，干缩越大，快干水泥由于含有铝钙化合物， 碱性高，故收缩约为普通水泥的1 2 1 5 倍。 骨料的性质骨料的弹性模量小，收缩大。骨料颗粒越细，干缩越大。 养护条件在凝结硬化过程中，周围环境温湿度大，收缩小。 养护方法通常的加水养护，对混凝土表面裂缝是有效的，对内部的干燥 裂缝无作用，如果采用高温高压养护，则可大大减少收缩值。 减小干燥收缩的措旌很多，如掺用膨胀剂、使混凝土产生微量膨胀以补 偿其干缩变形；尽量选用单位用水量低的混凝土；掺用质量好、颗粒细的粉煤 灰；选用合适的水泥；选用含泥量小、结构致密、吸水率小的骨料；合理配筋， 合理养护以及进行混凝土表面养护等“。 2 4 自收缩 混凝土的自收缩是指混凝土初凝后，水泥继续水化，在没有外界水分补充 ( 即无重量损失) 的情况下，混凝土因自干燥作用引起宏观体积减少。 混凝土的自收缩现象早在6 0 多年前就由d a v i s 和l y m a n 提出，当时发现 混凝土自身能够收缩，同时质量和温度没有任何变化，他认为自收缩对大体积 混凝土的体积稳定性有重要影响，因此进行了长期的测定。但是当时的混凝土 水灰比大、没有掺活性矿物掺和料，所以测定值只有( 5 0 1 0 0 ) 1 0 ，与干 燥收缩相比几乎小1 个数量级，再加上实测的干燥收缩中已包括了混凝土的自 收缩，因此自收缩问题一直没有得到重视。 2 0 江苏大学工程硕士学位论文 从2 0 世纪9 0 年代开始，随着h p c 的广泛应用，混凝土的自收缩现象越 来越引起人们的关注。研究表明，当水胶比大于0 5 时，其自干燥作用和自身 收缩与干缩相比小得可以忽略不计；当水胶比为0 4 时h p c 自收缩率约为 1 0 0 i 0 “；当水胶比小于0 3 5 时，体内相对湿度会很快降低到8 0 以下，自 身收缩与干缩则接近各占一半；当水胶比小于0 3 时h p c 的自收缩率高达2 0 0 x1 0 。6 4 0 0 1 0 。6 ：当水胶比为0 i 7 时h p c 自收缩率为8 0 0 i 0 。6 ，几乎占总 收缩的1 0 0 。这是导致约束状态下h p c 早期开裂的主要原因。h p c 自收缩引 起的体积减少约在8 左右。自收缩从初凝开始，主要发生在早期。普通混凝 土的总收缩中以干燥收缩为主，自收缩在总收缩中所占的比例较小，因此对普 通混凝土干燥收缩的量测就基本上反映了混凝土的整体的收缩性能：而对于 h s c 和h p c 则不同，自收缩是在与外界无水分交换的条件下出现的，在混凝土 的总收缩中所占的比例较大且主要发生在早期，而且它在混凝土体内均匀发 生，而不是仅发生在表面。所以虽然h s c 有与普通混凝土相当的干燥收缩值， 在实际应用中却表现出了易于开裂的倾向。 2 4 1 形成机理 自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。此种收缩一般发生在初凝之 后，当混凝土由流态转向粘弹性固态时，由于混凝土内部水量较少，除水泥水化 所需的水量外，在孔隙和毛细管中的水也已被逐步吸收减少，在没有剩余自由水 的情况下，就形成了孔隙，在硬化水泥浆体的内部不再存在未结合水的平衡，使 水泥石内部的相对湿度显著地降低了。因此，可以认为混凝土内部湿度降低是 h p c 产生白收缩的导因。在处于难以有水分蒸发或渗滤的封闭状态中的粘弹性固 态的胶凝材料系统中，水泥石内部相对湿度降低，使孔中存在一定的气相，孔中 的蒸汽压随之降低，毛细管孔中的水蒸气由饱和状态变成不饱和状态。此状况在 长期处于封闭状态时，随着水泥水化反应的进行越演越烈，结果导致了毛细管中 的液面形成弯月面，具有较高的毛细管压而产生毛细管应力，使水泥石受到负压 作用，成为凝结和硬化混凝土产生自收缩的主要因素。因此，混凝土中可溶离 子浓度的增大，及凝胶孔水、吸附水、层间水在总可蒸发水量中的比例增大是导 致h p c 自收缩或自干燥的主要机理。 除以上所述，混凝土由于水灰比或水胶比的降低而会产生显著的自收缩外， 江苏大学工程硕士学位论文 较大量的活性细矿物掺合料的掺入也会使混凝土产生自收缩，特别是掺用硅灰。 h s c 和h p c 中，往往掺入减水剂或高效减水剂，减少了混凝土的用水量，对混 凝土的白干燥和自收缩也带来了不利的影响“”。 2 4 2 影响因素 自收缩受水泥矿物组成和水化程度的影响，在水泥矿物组成中c 。a 和c 以f 的含量对自收缩的影响最为显著，二者含量增高，自收缩值增加。掺有硅灰的混 凝土由于硅灰的表面积很大，从而增大了白收缩。当矿渣的细度小于4 0 0 0 c m 2 g 时，对减小混凝土自收缩有利，随矿渣掺量的增大，自收缩减小。但当细度大 于4 0 0 0 c m 2 g 时，矿渣活性明显提高，引起自收缩增大。混凝土自收缩随其掺量 的增大而增大。当掺量大于7 5 时，自收缩因胶凝材料活性减低而使得混凝土 自收缩减小。另外，使用了粉煤灰、石灰石粉、憎水石英粉的混凝土的自收缩值 会降低，混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增加而降低，特别是早期收缩降低的非 常明显。另外，随着粉煤灰掺量的增加，早期的自收缩有“滞后效应”。这是由 于掺入粉煤灰后，水泥用量相对减少，降低了早期的混凝土硬化速度，相对减弱 了内部自干燥程度，自收缩减少。掺入粉煤灰的混凝土与空白混凝土的共同特点 是：初凝至1 d 自收缩迅速增加，而3 d 后增长速度及其缓慢。从胶凝材料的水 化历程来看，早期水化速度很快，而且这时弹性模量很低。所以早期产生很大的 自收缩。3 d 后，掺入粉煤灰的混凝土的自收缩增长速度高于空白混凝土。粉煤 灰掺量超过2 0 后，减小自收缩的效果并不显著。掺加膨胀剂的混凝土也会发 生自收缩现象，但最终的收缩值与不掺膨胀剂的试样相比明显降低。自收缩也受 到混凝土配合比的影响，如水灰比、集料体积量等。养护条件同样影响自收缩， 如养护温度、湿度等。养护温度对自收缩的影响规律大致如下：( 1 ) 不掺矿物掺 和料的普通混凝土在较高的环境温度下，自收缩值较低：( 2 ) 当普通混凝土中掺 加比表面积为8 0 0 0 c m 2 g 的磨细矿渣时，较高温度下的早期自收缩应变发展很 快，而后期的自收缩应变要低于低温下的自收缩值；( 3 ) 当普通混凝土中掺加 硅灰时，较高的环境温度将导致较高的自收缩值担叩。 2 4 3 预防措施 自收缩的改善方法主要从材料、配合比设计和养护几方面来考虑。 江苏大学工程硕士学位论文 1 从材料角度出发选用低c 出和c 。a f 、高c , s 的水泥可降低自收缩：水 泥继续水化是自收缩的根本原因。水泥矿物成份的水化速率、水化程度与水化 结合水含量是影响自收缩大小的关键。水化速率最快的c n 影响最大，其结合 水含量也最高。其次是c 4 a f ，影响最小的是c 。s 与c ：s 。不同水泥类型对自收 缩的影响，实质上是不同矿物成份对其的影响。高铝水泥与早强水泥因c 3 a 含 量高，自收缩较大。低热水泥和中热水泥因c 。s 含量高而自收缩值较小。对矿 渣水泥，则水化后期的自收缩值较高o “。 2 配合比角度出发影响自收缩最显著的因素是水灰比，理论上水灰比越 高，自收缩就越小。然而增加水灰比虽然可以有效地降低自收缩，但却不太切合 实际，因为水灰比主要是由强度和耐久性决定的。石膏含量增加会使水泥产生自 膨胀作用，结果也降低了自收缩，但这种方法有时会对体积稳定性产生影响。使 用膨胀剂的混凝土的自收缩值比普通混凝土要低。粉煤灰虽然是活性混合材料， 但是在水泥浆体系中的水化非常缓慢。在相同的水胶比条件下，用粉煤灰替代部 分水泥，相当于增大早期有效水灰比。因此粉煤灰可降低混凝土内部的早期自干 燥速度，显著降低早期自收缩。减少干缩用外加剂对于降低自收缩也是同样有效 的，这种方法的作用原理主要是降低了毛细孔的表面张力，因此可在不改变硬化 混凝土其它性质的条件下降低自收缩。一般情况下h p c 的自收缩均随骨料体积含 量的增加而减小，并且同配比的混凝土其自收缩随骨料弹性模量的增加而减少。 憎水微粉和高弹性模量的纤维也可以有效地降低混凝土地自收缩。由于自收缩主 要是因为内部相对湿度太低造成白干燥引起的，所以还可在混凝土中加入部分经 水饱和的轻集料替代普通集料，如浮石、火山渣、煤矸石等，因为这些水饱和轻 集料的作用是在混凝土内部形成蓄水池，在水泥水化的过程中，可以释放并供应 所需的水量以避免或减少白干燥的发生，即所谓的白养护作用，又称“内部养护”。 理论上多孔活性掺合料也具有自养护作用。另外，还可以掺加有机收缩低减剂抑 制自收缩或掺加膨胀剂抑制自收缩。 3 从养护角度出发为消除自收缩需要有适当的养护以保证充足的水分能 够渗入到混凝土中去以补偿白干燥作用，并很快进入局部干燥的孔隙。由于高强 与h p c 的密实性较高，采用普通混凝土适用的传统的养护措施，外界的水难以渗 滤进入混凝土，并且自收缩并非是由于水分蒸发所引起的。因此，传统的养护对 江苏大学工程硕士学位论文 控制此类混凝土的自收缩所产生的裂缝并无明显的效果。传统的另一养护是硬化 后围水养护，这虽比密封养护好也不能完全消除白干燥，这种局限性归因于低 水胶比的混凝土中，很小程度的水化就足以发展一定程度的抗渗性，从而限制了 水的进入，即使水养，混凝土外部可能膨胀，而内部仍然自收缩，且试件尺寸越 大，这种现象越明显。国外学者提出了在低水灰比或低水胶比的h s c 或h p c 在 浇灌后立即采用围水养护( po n d i n gc u r i n g ) ，可以减少或防止混凝土自收缩 的产生o ”。 2 5 温度收缩 混凝土的温度收缩又称冷缩，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。 温度收缩的大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率 等因素有关。h s c 的水化速度快，水化放热量大，早期强度增长快，从而早期温 降收缩应力大，与普通混凝土相比更容易发生温度收缩开裂。 防治措施：在h s c 的设计和施工中也必须考虑水化热和温度控制，即使构 件尺寸并不大，也要如同大体积混凝土施工一样针对工程特点采取专门的措施 和对策，包括施工温度控制和优化混凝土配合比。可实施的具体措施如下：( 1 ) 原材料和配合比的选用；水泥品种选择和水泥用量控制：掺合料的选用；外加 剂的选用；粗细集料的选用。( 2 ) 混凝土施工工艺措施。 2 6 本章小结 由于混凝土体积变化的出现有多种因素，如干缩、化学减缩、自收缩、温 度膨胀、湿膨胀等等，所以混凝土的各种收缩在体积变化中并不是单独出现的， 对混凝土收缩的影响因素中有的因素对这种收缩有抑止作用，对另一种收缩可能 就有劣化作用，所以应从整体上来把握混凝土的收缩，这是非常重要的一个课题。 2 6 1 水泥品种的影响 影响混凝土收缩的原因有许多方面，在原材料方面易引起混凝土产生收缩 裂缝的首先是水泥，其次是泵送剂。 江苏大学工程硕士学位论文 水泥是混凝土中的主要成分。水泥品种对混凝土的收缩裂缝影响较大。对 纯熟料水泥浆净收缩主要取决于c 2 a 、s o 。、石膏的含量及水泥的细度等。水泥 的组成对混凝土的收缩影响较大，尤其是化学减缩和自收缩。一般说来，c a 含 量大、细度较细的水泥，在水化时，产生的热量较多，收缩比较大，石膏含量 不足的水泥，收缩大。m g o 含量不大时，有减少混凝土收缩的作用。 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥一般凝结时间相对较短，早期化学收缩较小。 矿渣水泥凝结时间较长，泌水性较大，早期化学收缩较大。水泥熟料各单矿物 的化学减缩作用大小排序如下：c 毋 c 。s c ：s c a f 。 混凝土的干燥随水泥中s o 。含量的增加而减小，s 嘎含量超过3 1 时，干 缩又增大，在s 0 3 为3 1 时的干缩最小。s o 。的含量不同，可使水泥的干缩相 差至3 倍。我国水泥标准规定，水泥中的s o 。含量不大于3 5 。所以，为了 减小混凝土的干缩，应尽量选用s 吼含量适中的水泥1 。低强混凝土的干缩与 h s c 的相似，但s 0 。含量对干缩影响更小，这是由于低强混凝土的水泥用量更低 所致。各种水泥的干缩次序：矿渣水泥 普通水泥 早强水泥 粉煤灰水泥1 。 因此，择优选用c 。a 、c , a f 含量较少，s o 。含量适中、混合材料按规定比例 加入的低热水泥，能有效的减少混凝土的整体收缩。通常，每方混凝土中水泥 用量高于4 0 0 k g 时，混凝土有开裂的危险，所以，对c 3 0 和c 3 0 以上强度等 级的混凝土，应考虑采用4 2 5 级以上的水泥来配制和生产。 2 6 2 混凝土配合比的影响 在原材料一定的前提下，混凝土配合比对干缩有较大的影响。混凝土配合 比对收缩的影响主要体现在单位用水量、水泥用量、水灰比、砂率等参数上。 单位用水量的影响比水泥用量更大，在用水量一定的条件下，混凝土的收缩随 水泥用量的增加而加大，幅度较小；在骨灰比一定条件下，混凝土收缩随水灰 比的增大而明显增大。在配合比相同条件下，混凝土收缩随砂率的增大而增大， 但幅度较小。 胶结材料总量增加，混凝土的化学收缩增加，混凝土易产生收缩裂缝；砂 率增加虽然能利于泵送施工，但超过一定值时混凝土的抗裂性降低，混凝土的 干燥收缩加大，也容易产生收缩裂缝；稠度较大，振捣后粗骨料下沉，表面浮 浆增加，抗裂性下降，干燥收缩加大，也会导致混凝土的开裂。 江苏大学工程硕士学位论文 混凝土温升的热源是水泥的水化热。因此，降低水泥用量，就能有效地降 低水泥的水化热温升。减小水泥用量的主要措施有选择粗细骨料级配良好且最 大粒径尽可能大的骨料，采用三级配比比二级配比骨料更省水泥。另外，砂率 小，其比表面小，也能节省水泥。采用粗砂比细砂可节省水泥。在满足混凝土 和易性条件下尽可能降低坍落度，这样可以减少用水量和水泥用量；掺减水剂， 可以大大地改善和易性。如果保持相同强度，水灰比不变，则水泥用量可减少 1 0 左右。 混凝土干缩主要是混凝土中多余水分不断蒸发所致。混凝土的干缩随用水 量的增加而加大。研究表明，用于水泥水化所需的水量只有水泥重量的2 5 左 右( 即水灰比为0 2 5 ) ，而实际工程上应用的水灰比比这大得多。这种混凝土 含有较多多余水分，因而干缩大。试验表明，当单位用水量增加5 0 ，干缩变 形将增加1 0 0 。显然，采用满足施工条件的最小用水量的混凝土，对减小混 凝土的干缩是有利的。减小混凝土单位用水量的途径有掺入减水剂、粉煤灰、 选用含泥量小的骨料，选用形状与级配好、吸水率小、弹性模量大的骨料，降 低水灰比。 一般当水胶比大于0 4 0 时，可不考虑混凝土自收缩的影响，但当水胶比 小于0 4 0 时，混凝土自收缩的影响才凸显出来。 因此，在水灰比不能太多改变的前提下，在不影响工作性的前提下，应控 制总的胶结用料总量，降低单方水泥用量，减少用水量，适当增加砂率，适当 的掺入高效减水剂和矿物细掺料，有助于控制混凝土的收缩。 2 6 3 骨料品种及含量的影响 骨料是影响混凝土干缩的主要因素之一。骨料的级配，最大粒径，粒形和 表面特征等都影响混凝土的工作性和骨料用量，因而影响混凝土的用水量，间 接影响混凝土的干缩。混凝土中发生收缩的主要成份是水泥石，因此减少水泥 石的相对含量，也就是增加骨料的相对含量，可以减少混凝土收缩；骨料粒径 也可以减少收缩值。混凝土的收缩随骨料的弹性模量增大而减小，骨料弹性模 量的大小与其孔隙率有关。骨料的孔隙率决定其刚性，也限制着基体应变的能 力。致密的材料明显地具有较高的弹性模量。骨料的弹性模量影响着混凝土的 弹性模量，控制着混凝土的变形性能。混凝土的弹性变形与混凝土收缩及徐变 江苏大学工程硕士学位论文 性能也有良好的相关关系。骨料的形状及表面特征对混凝土特别是h s c 的影响 很大。因为它们影响了水泥浆与骨料之间的物理粘结强度与化学粘结强度。 如果混凝土在硬化过程中水泥浆与骨料表面发生化学作用，将会生成新的反应 产物。这种化学粘结可以增加接触界面的厚度，有效地改善混凝土的性能。例 如，在石英岩骨料的界面上生产的纤维状的硅酸钙凝胶，在碳酸盐骨料的界面 上生成的碳铝酸钙结晶，都可加强界面粘结强度。低弹模骨料混凝土的干缩比 高弹模骨料混凝土的干缩增加可达2 5 倍。致密的石灰石和石英比砂岩和卵 石具有较高的弹性模量。粗骨料对混凝土干缩的影响从大到小的顺序是：山碎 石一河砾石一石灰石碎石。细骨料对混凝土干缩的影响从大到小的顺序是：河 砂一陆砂一海砂一山砂o ”。粗细骨料表面的含泥量都能增大混凝土的收缩。 因此，尽量选用的粗骨料级配良好，颗粒较大，弹性模量大，针片状含量 少；细骨料的细度模数较大，偏中粗砂为宜；粗细骨料均应干净，含泥量少， 这对于减小混凝土的收缩是有利的。 2 6 4 掺和料的影晌 矿物掺和料是配制h p c 不可缺少的组分，粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等掺和 料替代部分水泥，可降低水泥的绝热温升，改善混凝土工作性能，减少混凝土 冷缩。但是矿物掺和料的种类、掺量及掺加方式的不同，将使水化热差别很大。 且过量的粉煤灰、磨细矿渣的加入会显著降低混凝土早期( 3 天前) 的极限抗 拉强度、弹性模量等性能，反而易导致混凝土开裂，所以在旌工中应进行优化 设计及试配，确定其最佳掺量o 。 粉煤灰粉煤灰掺加到水泥中，在一定范围内，随着掺量的增加，最高温 度和3 d 水化热显著降低，达到最高温度的时间也向后延迟，但是当掺量达到 一定值后，随着掺量的增加，水化放热量、放热速率及最高温度却有所上升。 出现这种现象的原因可能是由于粉煤灰的火山灰反应进展迟缓，在早期对水泥 颗粒主要起稀释作用，提高了水泥的实际水灰比从而改善了水泥水化条件，水 泥快速水化，放出大量的热。这种现象只有在低水胶比的h p c 中才有可能出现 。粉煤灰混凝土干缩性大，高温大风季节施工易产生塑性收缩开裂。比如说， 粉煤灰水泥混凝土在0 5 7 k g m2 h 蒸发率的条件下就会产生塑性收缩裂缝， 而普通水泥混凝土产生塑性收缩裂缝的临界蒸发率为0 7 5 k g m 2 h ，这一点 江苏大学工程硕士学位论文 是值得高度重视的。火山灰质混合材的内比表面积大小影响水泥的干缩性很大。 优质粉煤灰的内比表面积最小，只有硅藻土的1 3 0 ，故可降低混凝土的干缩。 我国规定i 级灰的需水量比为小于或等于9 5 ，细度、烧失量都小于或等于5 ，故能提高强度，降低干缩，应当尽量利用。其总掺量一般控制为1 5 ( 连 同水泥中原有的混合材) ，级灰的需水量比为9 5 一1 0 5 ，可根据条件，超 量取代水泥，通过试验，适量掺入混凝土中，i 级因其需水量比大，为1 0 5 一1 1 5 ，故应严禁使用。混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增加而减小，但掺 量也有限制，不宜掺得太多。粉煤灰虽然是活性混合材，但是在水泥浆体系中 的水化非常缓慢，相当于增加早期有效水灰比，因此粉煤灰可降低混凝土内部 的早期白干燥速度，显著降低早期自收缩。后期粉煤灰的继续水化使水泥石内 部自干燥程度提高，但是此时混凝土已有较高的弹性模量和很低的徐变系数， 因此在相同白干燥程度下产生的自收缩同早期相比小的多。 磨细矿渣磨细矿渣的掺入一般会增加混凝土的收缩。它对混凝土的自 收缩的影响与其细度有关。通常使用与水泥细度相当的磨细矿渣时，混凝土自 收缩可随矿渣掺量的增加而稍有减少，但当矿渣细度超过4 0 0 0 c m 2 g 时，混 凝土的自收缩会随矿渣掺量的增加而增加。其原因是磨细矿渣的活性更高，加 速了混凝土内部相对湿度的降低；但当掺量超过一定量后，未反应的颗粒增多。 对混凝土收缩又起抑制作用。矿渣也可降低混凝土的水化热，但若矿渣细度过 细，就不利于降低混凝土的水化温升。例如矿渣微粉等量取代水泥用量3 0 的 混凝土，细度为6 0 0 0 8 0 0 0a n2 g ，其混凝土的绝热温升比细度为4 0 0 0c m 2 g 的有十分显著的提高。 硅灰硅灰的颗粒极细，活性很高，掺入硅灰可提高混凝土强度、抗渗 性、耐久性及有效地控制碱骨料反应。但它的缺点就是会增加混凝土的收缩， 特别是自收缩和化学减缩。由于硅灰的表面积很大，会导致水化很快，加速了 水泥石孔隙中缺水与内部相对湿度的降低，而增大了白干燥。 因此，掺适量的粉煤灰对混凝土收缩开裂的抑止作用是比较明显的，能减 少混凝土的整体收缩，而且用优质粉煤灰的效果更好，i i 级和级的粉煤灰不 是不能用，只是在掺量上更要注意，最好与其他的矿物细掺料复掺；磨细矿渣 对减少混凝土的收缩没有多大的贡献，不宜采用，但可以与其他矿物细掺料复 江苏大学工程硕士学位论文 掺；硅灰能较大的提高混凝土的强度，但对混凝土的早期收缩却有非常不利的 影响，若从混凝土的抗裂角度来讲，最好不用，要用时也要与其他的矿物细掺 料复掺。 2 6 5 外加剂的影响 混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入的，用以改善混凝土性能的物质， 一般情况下其掺量不大于水泥质量的5 。不同外加剂品种对混凝土收缩影响 区别较大，其中减水剂是用量最大的一种外加剂。在现代混凝土中，减水剂己 成为水泥、水、骨料和矿物细掺料外的第五组分，具有十分重要的作用。 掺松香热聚物引气剂混凝土收缩比不掺的大，而掺as ( 烷基磺酸钠) 和8 0 1 引气剂的混凝土收缩与不掺的基本相同。掺入氯化钙早强剂时会增加混 凝土的收缩约1 0 1 5 。掺三乙醇胺与氯化钙复合早强剂的收缩值比不掺的 大，但增大的幅度比单掺氯化钙的小。掺入收缩抑制剂可有效减少混凝土的自 收缩；掺入膨胀剂时，由于早期的膨胀而补偿自收缩，比掺入收缩抑制剂时自 收缩更小，但膨胀结束后自收缩的速率和空白养护的一致。 泵送剂是泵送混凝土不可缺少的原材料之一，为防止混凝土拌合物稠度损 失，泵送剂中需掺加适量缓凝剂，其掺量不因水泥品种气候条件、运距、泵送 距离的变化而变化。在使用矿渣水泥、粉煤灰作胶结材料，气温相对较低时， 混凝土拌和物的凝结时间会大幅度延长，一方面增加了混凝土的早期化学收缩， 另一方面延长了混凝土表面的失水时间，造成混凝土表面水分蒸发，增加了混 凝土的干燥收缩。 减水剂按其作用效果可分为普通性和高效型两种，前者减水率小于1 0 ， 后者可达2 0 以上。高效减水剂有较高的减水率，在保证其他组分不交的前提 下，可大幅度减水、降低水灰比，提高早期强度和后期强度，这样可极大地提 高极限拉伸强度、混凝土弹性模量和极限拉伸应变，显然这对于抵抗混凝土开 裂是极其有利的。但高效减水剂掺量过多，混凝土易出现离析、浮浆，混凝土 中水泥砂浆的收缩是混凝土本身收缩的3 倍左右，离析、浮浆的混凝土极易形 成贯穿纵向裂缝。复合型高效减水剂可在满足施工要求的情况下大幅度提高混 凝土的强度和抗拉极限强度，或可显著的降低水泥用量、水化热，进而降低冷 缩和干缩。 江苏大学工程硕士学位论文 当减水荆用于改善混凝土的和易性或增大坍落度时，混凝土的收缩略有增 加。当减水剂用于减水以提高强度或节约水泥时，混凝土的收缩接近或小于不 掺的收缩值。 综上所述，掺用引气剂对混凝土的收缩开裂无有益的影响；掺早强剂对混 凝土收缩开裂不利：掺收缩抑止剂和膨胀剂对混凝土抗裂有利，但掺量要控制； 泵送剂的掺入对混凝土收缩有不利影响；减水剂总体来说对混凝土的抗裂有积 极的影响，能显著减少混凝土的收缩，但和其他有益的外加剂一样，减水剂的 掺量不宣太大，要以混凝土不出现离析、浮浆为宜，减水剂也存在最优掺量， 其最优掺量必须通过试验确定。 2 6 6 养护措施 养护方法对混凝土的收缩来说是非常重要的一个环节，特别是对混凝土的 塑性收缩、干燥收缩和自收缩有重要的影响。我们应当加以特别的重视。 对于塑性收缩和干燥收缩，h p c 的养护方法和普通混凝土差不多，即在混 凝土浇筑完后立即收面、覆盖薄膜、压盖湿润麻袋或草毡并及时洒水的办法。 混凝土浇注收浆完成后，尽快草帘覆盖和洒水养护，使混凝土表面始终保持在 湿润状态，不允许混凝土在高温下裸露暴晒。当混凝土处于温度较高的环境中 时，表面水分散失较快，如果没有及时养护，混凝土就可能因体积收缩过大而 产生裂缝。所以混凝土浇筑完成后必须在表面喷水，以保持表面的湿度，减少 裂缝的出现。 多年来，对泵送混凝土顶板的养护习惯采取二次抹面或薄膜养护的方法， 只采取搓毛，当泵送混凝土凝结时间相对较长、气温较高、湿度较小、风速较 大时，混凝土拌合物的表面因失水较快，就会在收缩应力的作用下产生许多干 燥裂缝。在这种情况下，进行二次或三次搓毛、压面，也仅能弥合部分裂缝， 不能根治裂缝。采取薄膜养护时，薄膜能使混凝土表面的湿度保持相对的稳定， 这对预防和减少混凝土表面的收缩开裂是有利的。 采用普通混凝土适用的传统养护措施，由于高强与高性能混凝土的密实性 较高，外界的水难以渗滤进入混凝土，并且自收缩并非是由于水分蒸发所引起 的。因此，传统的养护对控制此类混凝土的自收缩所产生的裂缝并无明显的效 果。为改善混凝土自收缩，如掺入一些膨胀剂；在掺加较大量的活性细掺和料 3 0 江苏大学工程硕士学位论文 的同时掺入非活性的憎水微粉；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高弹性模量 的纤维；选用高c 。s 和低c 。a 或c 。a f 的硅酸盐水泥。在h p c 浇灌后立即采用 围水养护，还可以在混凝土中加入部分经水饱和的轻集料替代普通集料，水饱 和轻集料的作用是在混凝土内部形成蓄水池，在水泥水化过程中，可以释放并 供应所需的水量以避免或减少自干燥收缩的发生。加强混凝土的湿养护，使其 早期不发生干缩，推迟产生收缩的时间，也可以减小干缩裂缝。混凝土早期养 护，不仅不失水，反而从外界吸收了部分自由水。因此，混凝土经潮湿养护后， 其极限收缩值会有所减小。湿养的方法在混凝土浇筑2 - 4 小时后，即在混凝土 表面浇水，然后用草袋或麻袋覆盖，以防止水分蒸发掉。定期洒水养护，保持 混凝土表面始终处于潮湿状态，养护日期7 1 4 天，但湿度要保持较高的状态。 用塑料薄膜覆盖也是一种比较好的养护方法。当新浇的混凝土拆除模板后，马 上用塑料薄膜将混凝土构件包起来，阻止混凝土构件内的水份蒸发，使水化作 用充分进行。试验表明，这种方法既节省了养护的人工，又降低了成本，同时 养护的效果较