近年來,隨著混凝土科學的發展,尤其是高效減水劑和礦物摻合料在混凝土中的廣泛應用,混凝土的水灰比(或水膠比)大大降低。這種低水灰比的混凝土(水灰比不大于0.40)有很高的強度和很低的滲透性,在不發生裂縫的前提下是十分耐久的。但在低水灰比的情況下,強烈的水化會促使混凝土中毛細管彎月面快速向內推進和相對濕度的很快下降,在混凝土中出現自干燥現象(self-desiccation)。混凝土的自干燥必將引起混凝土宏觀體積的減小,這種現象被稱為混凝土的自縮(self-desiccationshrinkageorautogenousshrinkage)。在低水灰比的情況下,混凝土在硬化的早期就會產生很大的自縮。在實際的混凝土工程中,混凝土又不可避免地受到約束的作用。在約束存在的情況下,這種高自縮的混凝土發生開裂的可能性大大增加。由于混凝土的自縮與混凝土的早期開裂現象關系緊密,因此有必要對混凝土的自縮性能加以研究。
1混凝土的自縮及產生機理
混凝土的自縮是指混凝土硬化階段(終凝以后),在恒溫、與外界無水分交換的條件下混凝土宏觀體積的減小。自縮和干縮不同,它在混凝土體內相當均勻地發生,而不僅僅在混凝土表面發生。
一般認為,混凝土自縮是混凝土中水泥水化形成的混凝土內部空隙產生的毛細管張力造成的。其具體過程如下:水泥和水發生水化作用時,所形成的水化產物的體積小于水泥和水的總體積,在混凝土具有較大流動性時,混凝土通過宏觀體積的減小來補償水泥水化產生的體積變化,隨著水泥水化的進行,混凝土的流動性逐漸降低,混凝土不能完全靠宏觀體積的減小來補償水泥水化產生的體積變化,這時混凝土通過形成內部空隙和宏觀體積減小兩種形式補償水泥水化產生的體積變化。隨著水泥水化的進一步發展,混凝土產生一定的強度,這時混凝土主要通過形成內部空隙來補償水泥水化產生的體積變化。在混凝土終凝以后,雖然水泥水化產生的體積變化主要通過形成內部空隙來補償,但由于內部空隙的形成而產生的毛細管張力將使混凝土的宏觀體積收縮。在水灰比較高的情況下,混凝土內部的毛細管較粗,由于內部空隙的形成而產生的毛細管張力很小,混凝土的自縮值也很小。但在水灰比很低的情況下混凝土中的毛細管很細,由于內部空隙的形成而產生的毛細管張力很大,混凝土的自縮值也將很大。在早期混凝土強度較低時,混凝土自縮的發展速度將很大。
2影響混凝土自縮的因素
2.1水泥對自縮的影響
根據E·Tazawa等人的實驗結果,不同種水泥凈漿的自縮能力是不同的。鋁酸鹽水泥和早強水泥的自縮值較大,而中熱、低熱水泥的自縮值較小,礦渣水泥后期的自縮值較大(21d齡期時的自縮值大于普通水泥的自縮值)。水泥的細度對自縮值也有影響,較細的水泥在早期表現出較大的自縮速度。
2.2外加劑對自縮的影響
摻加高效減水劑來增大流動度時,高效減水劑可稍微降低自縮值,但不同類型、不同摻加量的高效減水劑對自縮的作用差別很小。干縮減少劑可減小自縮值50%,這可能與干縮減少劑可減小毛細水的表面張力有關。膨脹劑對自縮的作用取決于它的種類,某些氧化鈣型的膨脹劑可以減小自縮;而其他類型的膨脹劑雖在早期有膨脹,但隨后的收縮速度與空白樣相同。引氣劑對混凝土的自縮沒有影響口。
2.3礦物摻合料對自縮的影響
在水泥中加入比表面積在400平方米/千克以上的礦渣時,其120d的自縮值隨礦渣的摻量(不大于70%)增大而增大;而在水泥中加入比表面積為338平方米/千克的礦渣時,其120d的自縮值不隨礦渣的摻量(不大于70%)改變而增大。在水泥中摻加硅灰將便混凝土的自縮值增大;硅灰的摻量越大,水泥漿自縮值越大。混凝土的自縮值隨粉煤灰摻量的增大而降低,特別是早期自縮值降低得非常明顯。3d齡期后摻加粉煤灰混凝土的自縮增長速度高于空白混凝土。粉煤灰摻量超過20%后,減小自縮的效果并不顯著。在水泥中加入偏高嶺土,在偏高嶺土(比表面積為12平方米/克)含量為10%時,水泥漿(水膠比為0.55)的自縮值最大。在水泥中加入經過防水處理的粉末,可以減少自縮。經過防水處理的偏高嶺土對自縮的減小作用在后期消失了;而經過防水處理的硅質粉末對自縮的減小作用能保持很長時間,其取代量為10%時就對自縮有明顯的減小作用。
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