自上世纪80 年代以来, 基于混凝土技术的进步, 高强高性能混凝土越来越普遍地应用于各种类型的建筑结构。混凝土材料强度的提高, 可以有效地降低建筑物的自重, 尤其适宜高层建筑和大跨度桥梁的建造。相对于普通混凝土, 使用高强高性能混凝土还能够减少资源的消耗, 有利于可持续发展。但是, 不管是在实际工程应用中,还是在试验室都发现, 高强高性能混凝土普遍具有发生早期裂纹的趋势, 而且在采取措施有效地控制住湿气的挥发和温度的变化后, 仍然不能消除裂纹的产生。这意味着干燥收缩或者温度收缩不是这些裂纹产生的原因。研究发现, 许多观察到的高强高性能混凝土的早期开裂问题, 都可以归结于混凝土的自身收缩。
1 水泥灰浆的自身收缩
在混凝土的形成过程中, 集料的体积可以认为是恒定的, 不发生形变。混凝土的自身收缩实际上是水泥灰浆经过水化反应发生了体积变化, 水泥水化产物占有的空间体积小于水泥和水占有的空间体积之和, 二者的差值大约在8% ～12% 之间, 由于体积的减小是伴随着水化反应的进行而逐渐形成的, 因此, 称这种体积的缩小为化学收缩。化学收缩是一种微观意义上的绝对体积减小, 不等于宏观意义上的表观体积收缩。但是, 化学收缩是自身收缩的根源和驱动力。
水泥和水反应的初始阶段, 水泥颗粒体积微小, 相互之间的水作为介质在一定程度上起润滑作用, 内摩擦阻力很小, 水泥灰浆呈流动状态; 随着水泥水化产物的不断生成, 体积逐渐增大, 流动会越来越困难。当水泥水化反应进行到一定程度, 水泥水化产物在水泥灰浆基体中相互联接, 构成了自支撑骨架, 水泥灰浆失去了流动性, 发生凝结, 进入了水泥的硬化过程。此后与水化反应相伴的化学收缩所导致的体积减小, 就会在水化产物骨架间形成收缩孔, 孔隙中充填有未反应的水, 这些水和尚未反应的水泥颗粒反应, 由游离状态变成水泥水化产物中的化合水或不可挥发的缔合水; 如果没有外部水源补充, 收缩孔中的相对湿度就会下降, 形成真空空间, 效果和因干燥蒸发散失湿气一样。但是,在这个过程中体系和外界没有物质交换, 质量没有损失, 这个过程被称之为自干燥( Self- des ication) 。自干燥会在毛细孔中形成月牙形水面( 见图1) 。水的表面张力作用于孔隙壁上, 将是孔隙坍塌的主要因素。许多孔隙崩塌的累积, 反映在宏观上就是硬化水泥灰浆表观体积的减小。为了和干燥收缩或热收缩相区别, 将这种收缩称之为自身收缩( Autogenous shrinkage) 。化学收缩和自身收缩的差值就是硬化水泥灰浆中的孔隙体积。水泥灰浆的自身收缩发生在水泥灰浆的硬化过程中。这个阶段, 水泥灰浆的强度正在形成当中, 数值还较小,在约束力的作用下, 极易发生开裂, 对应于混凝土, 就是出现在混凝土上的裂纹。
2 混凝土的自身收缩和W/C
早在1900 年, Le Chatelier 就指出, 水泥灰浆硬化, 绝对体积会减小, 水化产物占有的体积空间,小于水泥灰浆中参与反应的水和水泥占有的体积之和。1934 年, Lynam 第一次提出了自身收缩( Autogenous shrinkage) 的概念, 一种不是由于热变形或湿汽散失所造成的收缩。然而, 长期以来, 混凝土的自身收缩无论是在实际工程应用中, 还是理论性的探讨, 一直不为人们所重视。到了上世纪80年代, 诞生了高强高性能混凝土, 并且迅速得到了广泛的应用。与此相伴的是, 不断出现的混凝土的早期裂纹。这种现象引起了一些研究工作者的注
意, 并且和混凝土的自身收缩联系起来。但是, 这时还仅限于少数研究工作, 直到上世纪90 年代的中期, 混凝土的自身收缩才受到普遍的关注。
高强高性能混凝土技术的一个关键点是高效减水剂的应用, 不仅使新拌混凝土在较低的水- 粘结料比下, 具有很好的工作性, 而且由于低水- 粘结料比使硬化高强高性能混凝土和较高水- 粘结料比的普通混凝土相比, 具有密实的微结构。这种微结构的不同是高强高性能混凝土不同于普通混凝土的基础。混凝土的硬化过程显然也会受到不同水- 粘结料比的影响, 其中重要的一点就是自身收缩会因为水- 粘结料比的降低而变得严重。
高水- 粘结料比混凝土的化学收缩在灰浆基体中形成粗大和细小的收缩孔, 孔与孔之间相互联结得很好, 当水泥水化反应消耗水时, 体系中的水会重新分布, 粗大孔中的水会向细小的孔中迁移, 使其始终保持充满的状态, 不会发生自干燥形成月牙水表面, 细孔壁就不会受水表面张力作用发生坍塌。粗大孔中的水因迁移和水化反应消耗, 会形成月牙表面,但是, 由于孔径较大, 水表面的曲率半径小, 作用于孔壁的力较小, 不会造成孔壁的坍塌。低水- 粘结料比混凝土发生化学收缩在灰浆基体中形成的收缩孔则是另外一种情形, 水- 粘结料比越低, 收缩孔越细小, 并且相互间不能很好地联结, 许多孔各自相互独立, 水化反应进一步进行时, 细小的孔因无水源补充, 水损失后就会发生自干燥, 孔中形成月牙表面,水的表面张力作用于孔壁造成自身收缩。1940 年, Davis 发表的自身收缩试验结果表明, 水灰比在0.61 和0.94 之间的混凝土, 经过5年硬化后, 自身收缩应变在20×10-6～110×10-6 之间, 与热变形和干燥收缩相比较, 小5 到10 倍。因此, 高水灰比的混凝土自身收缩的忽略是合乎情理的, 也是可以忽略的。研究结果显示, 足够高的水灰比的灰浆不会发生自干燥, 纯水- 水泥灰浆, 密封下水化, 明显的自干燥发生在W/C 小于0.4 ～0.5; 具有W/C 大于0.45 的混凝土, 和干燥收缩相比自身收缩可以忽略。但是, 当水- 粘结料之比下降到0.3 时, 自身收缩和干燥收缩各占50%; 若水- 粘结料之比小于0.3, 则自身收缩将成为总体收缩的主要部分。
3 高强高性能混凝土自身收缩的抑制
高强高性能混凝土发生自身收缩是由于水-粘结料比低, 体系中所含有的水不足以补充微小毛细孔用于水化反应所消耗的水, 发生了自干燥, 形成的月牙水表面张力作用于毛细孔壁所造成的。降低毛细孔月牙表面水张力, 或者补充水源的养护方法, 都可以抑制高强高性能混凝土的自身收缩。毛细孔中月牙水表面张力的降低, 可采用向混凝土中添加减缩剂的方法来实现。减缩剂是一种表面活性剂。
补充水源的养护可分为外部水养护和内部水养护。外部水养护可采用: 将混凝土浸入水中; 向浇注的混凝土表面喷淋水; 或者用浸有水的薄片覆盖在混凝土表面上。混凝土的自身收缩在发生凝结时就开始了, 所以外部水养护应尽早进行。
内部水养护可以用预浸湿的轻集料为水源。和外部水养护相比, 内部水养护有以下两个优点: 首先, 高强高性能混凝土结构较密实, 存在渗透性低的问题, 外部水养护时, 离表面较远的部分, 不能及时或充分地得到水供应, 仍然有发生自身收缩的可能; 内部水养护时, 水源间距可以调节, 从而克服渗透性低的问题。此外就是内部水养护的补充水源是加入到混凝土中的, 在整个硬化过程都不断地向体系供给水, 没有外部水养护可能会发生补充水延迟或时间不足的问题。因此, 内部水养护是比外部水养护更有效和可靠的抑制混凝土自身收缩的方法。内部水养护也应注意三个问题: 一是在新拌混凝土中掺加轻集料不应影响混凝土的工作性; 再就是含水轻集料在混凝土中应均匀地分布; 最后是添加轻集料, 不应降低对混凝土的强度要求。
