混凝土干縮的物理力學(xué)機(jī)制描述

[摘要] 干縮是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分，在后期，干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用，從而加速裂縫的產(chǎn)生?；炷恋母稍锸湛s機(jī)理通常用毛細(xì)孔失水，形成彎月面，在毛細(xì)孔張力的作用下產(chǎn)生收縮。本文采用物理圖解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，形象地描述了混凝土干燥收縮的物理力學(xué)機(jī)制。

[關(guān)鍵詞] 干燥收縮；凝膠顆粒；氣液彎月面；毛細(xì)孔張力；孔徑分布

干燥收縮通常是混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，隨著相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。干縮主要發(fā)生在澆筑后3～90d 齡期內(nèi)，事實(shí)上，文獻(xiàn)[ 1 ]的研究表明，若養(yǎng)護(hù)不好，早期的干縮相當(dāng)大，不可忽視。

干縮是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分，在后期，干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用，從而加速裂縫的產(chǎn)生。一直以來(lái)它都是混凝土收縮研究的重點(diǎn)，其形成機(jī)理通常基于毛細(xì)孔理論展開的。對(duì)此，本文將結(jié)合作者的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)重新加以闡述，希望寄此能對(duì)干縮有更清晰深入的認(rèn)識(shí)。

1 　干縮機(jī)理描述

干縮機(jī)理與水泥漿體內(nèi)部孔隙有關(guān)。水泥水化的結(jié)果是生成水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物及在內(nèi)部形成大量并被水填充的微細(xì)孔，這些微細(xì)孔中儲(chǔ)存有水化未消耗的多余水分?；炷粮稍锏臅r(shí)候，水的蒸發(fā)速度可能超過(guò)混凝土向外泌水遷移的速度，因此，表層毛細(xì)孔中的水面降低，并隨著蒸發(fā)的繼續(xù)，水分的失去從表層逐漸向混凝土內(nèi)部不斷發(fā)展，毛細(xì)孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細(xì)孔內(nèi)水分的失去將在孔中產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓，并促使氣液彎月面的形成，從而對(duì)孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成水泥漿體收縮。

這一過(guò)程可通過(guò)圖1 加以比較清晰的描述。從圖1a 中可以看到，混凝土處于干燥環(huán)境下時(shí)，泌出的水分在混凝土表面被蒸發(fā)，當(dāng)表層水分的蒸發(fā)較快，內(nèi)部水分遷移來(lái)不及補(bǔ)充時(shí)，在氣液界面的外表面形成毛細(xì)孔負(fù)壓，即毛細(xì)孔內(nèi)溶液表面蒸汽壓與液壓的壓力差ΔP ，由于這一壓力差的存在，促使凝膠顆粒間產(chǎn)生一個(gè)氣液彎月面。如圖1c 所示，這一彎月面在毛細(xì)孔負(fù)壓與固液界面處的表面張力σ 的共同作用下形成短暫的動(dòng)態(tài)平衡。隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，內(nèi)部水分向外遷移的速度越來(lái)越慢，從而毛細(xì)孔負(fù)壓越來(lái)越大，彎月面的受力平衡被打破，導(dǎo)致液面整體不斷下降，這也使得彎月面的曲率隨之增大，固液表面的接觸角隨之減小，使得表面張力的豎向分力增大，于是彎月面再次受力平衡，如此反復(fù)。

如圖1c 所示，表面張力實(shí)際上構(gòu)成了凝膠顆粒與彎月面之間的作用力與反作用力。凝膠顆粒通過(guò)對(duì)彎月面提供表面張力σ 使其受力得以平衡，而彎月面則將表面張力σ′ 反作用于凝膠顆粒，根據(jù)力的平衡可知，這一反作用力的合力在數(shù)值上、方向上均與毛細(xì)管負(fù)壓相同，從而促使凝膠顆粒向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。這即所謂的收縮拉力，它是造成水泥漿體收縮的直接驅(qū)動(dòng)力。在垂直向的蒸發(fā)過(guò)程中，這一收縮力還與凝膠顆粒的自重疊加，加速漿體的收縮。

2 　收縮拉力推導(dǎo)

根據(jù)以上干燥機(jī)理分析，收縮拉力σs 也即毛細(xì)孔負(fù)壓，在數(shù)值上應(yīng)該等于表面張力豎向分量的合力。假設(shè)彎月面是球冠形的，則將圖1b 所示的彎月面向水平面垂直投影得到如圖2 所示的受力單元，其中表面張力取其豎向分量σcosθ，作用域?yàn)閳D示的陰影部分的單位寬度圓環(huán)，而毛細(xì)孔負(fù)壓ΔP 的作用域?yàn)檎麄€(gè)彎月面的投影圓， r 為毛細(xì)孔彎月面處的孔徑。則取圖中角度為dβ的微元，根據(jù)豎向的受力平衡有如下等式成立：

　對(duì)上式中β角從0 ～ 2π積分得到：

另外，收縮拉力也可以用孔隙內(nèi)的相對(duì)濕度來(lái)表征。Kelvin 方程給出了如下孔隙相對(duì)濕度與孔徑的關(guān)系：

　　　　
式中： Ф為相對(duì)濕度； M 為水的摩爾質(zhì)量；ρ為水的密度； R 為氣體常數(shù) ）； T 為溫度； r 為孔半徑。
上式也可變化為：

于是代入即可得到毛細(xì)孔負(fù)壓與相對(duì)濕度的關(guān)系：　　　　　　

上述理論公式的推導(dǎo)也證明了毛細(xì)管負(fù)壓隨內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而降低。根據(jù)C. Hua 等對(duì)硬化水泥石收縮模型的研究，當(dāng)水泥漿體中內(nèi)部相對(duì)濕度由100 %降低到80 %時(shí)，毛細(xì)孔負(fù)壓將從0 增加到30MPa 。當(dāng)降至60 %以下時(shí)，毛細(xì)孔負(fù)壓將發(fā)展到100MPa 以上。

3 　影響干縮的重要因素

從上述分析可以看出，影響干縮的3 個(gè)重要因素是水灰比、水化程度、失水速率，其中前兩者是決定孔隙分布的主要因素。根據(jù)Powers 的研究，水泥完全水化的水灰比在0.42 左右，用水量直接影響孔徑分布與孔隙率，水灰比越高，孔徑與孔隙率也越大。因此，低水灰比混凝土的孔隙水越低，相應(yīng)的干縮也越低，但當(dāng)水灰比過(guò)低時(shí) ，有可能產(chǎn)生自干燥收縮。水化程度實(shí)質(zhì)上也反映了齡期與養(yǎng)護(hù)對(duì)干縮的影響，在水化后期，由于更多的水成為化學(xué)結(jié)合水，可供遷移的自由水分就越少，因此早期養(yǎng)護(hù)的越好，暴露于空氣中的齡期越晚，干縮越小。失水速率其實(shí)與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)，通常結(jié)構(gòu)表面積與體積的比率越大，水分的散失越快，干縮也越嚴(yán)重，這也是路面板、橋面板、樓面板更容易干縮開裂的原因。此外，在混凝土中，骨料的種類和含量也會(huì)間接地影響混凝土的自由收縮。骨料因?yàn)橄鄬?duì)較為穩(wěn)定將阻止?jié){體的收縮，因此骨料粒徑越大、硬度越高，漿骨比越小，干燥時(shí)的自由收縮越小。至于其他因素如化學(xué)外加劑、礦物摻合料、水泥種類等，也會(huì)因?yàn)楦淖兯^(guò)程及漿體孔隙的組成而影響混凝土的干縮。

4 　結(jié)語(yǔ)

干縮是混凝土收縮最為常見的一種形式，也是目前為止研究最多的一類收縮。它是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分，國(guó)內(nèi)外都有相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此進(jìn)行評(píng)估，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及混凝土收縮的計(jì)算大多是基于干縮試驗(yàn)的結(jié)果估算的。此外，目前在收縮方面研究的較為多的自干燥收縮現(xiàn)象，其形成機(jī)理在本質(zhì)上還是干燥收縮，只是失水的方式不同而已。干縮是水分向外界環(huán)境中蒸發(fā)而減少，而自收縮則是水分在水泥顆粒繼續(xù)水化的過(guò)程中被內(nèi)部消耗，而失水引起毛細(xì)孔負(fù)壓進(jìn)而導(dǎo)致收縮這一機(jī)理則是相通的。

原作者：周永元朱耀臺(tái) 錢曉倩