混凝土干缩的物理力学机制描述

混凝土 2006-08-31

[摘要] 干缩是混凝土浇捣3d 以后的最主要收缩组成部分，在后期，干缩的发展往往与荷载因素共同作用，从而加速裂缝的产生。混凝土的干燥收缩机理通常用毛细孔失水，形成弯月面，在毛细孔张力的作用下产生收缩。本文采用物理图解和数学推导，形象地描述了混凝土干燥收缩的物理力学机制。

[关键词] 干燥收缩；凝胶颗粒；气液弯月面；毛细孔张力；孔径分布

　　干燥收缩（drying shrinkage）通常是混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，随着相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大。干缩主要发生在浇筑后3～90d 龄期内，事实上，文献[ 1 ]的研究表明，若养护不好，早期（龄期前3d）的干缩相当大，不可忽视。

　　干缩是混凝土浇捣3d 以后的最主要收缩组成部分，在后期，干缩的发展往往与荷载因素共同作用，从而加速裂缝的产生。一直以来它都是混凝土收缩研究的重点，其形成机理通常基于毛细孔理论展开的。对此，本文将结合作者的一点认识重新加以阐述，希望寄此能对干缩有更清晰深入的认识。

1 　干缩机理描述

　　干缩机理与水泥浆体内部孔隙有关。水泥水化的结果是生成水化硅酸钙（C-S-H）等水化产物及在内部形成大量并被水填充的微细孔（ > 5nm 的毛细孔与0.5～2.5nm 的凝胶孔），这些微细孔中储存有水化未消耗的多余水分。混凝土干燥的时候，水的蒸发速度可能超过混凝土向外泌水迁移的速度，因此，表层毛细孔中的水面降低，并随着蒸发的继续，水分的失去从表层逐渐向混凝土内部不断发展，毛细孔与凝胶孔中的吸附水相继失去。这些微细孔内水分的失去将在孔中产生毛细管负压，并促使气液弯月面（meniscus）的形成，从而对孔壁产生拉应力，造成水泥浆体收缩。

　　这一过程可通过图1 加以比较清晰的描述。从图1a 中可以看到，混凝土处于干燥环境下时，泌出的水分在混凝土表面被蒸发，当表层水分的蒸发较快，内部水分迁移来不及补充时，在气液界面的外表面（气相）形成毛细孔负压，即毛细孔内溶液表面蒸汽压与液压（水压）的压力差ΔP（图1c），由于这一压力差的存在，促使凝胶颗粒间产生一个气液弯月面。如图1c 所示，这一弯月面在毛细孔负压与固（凝胶颗粒）液（毛细孔水溶液）界面处的表面张力σ 的共同作用下形成短暂的动态平衡。随着水分的继续蒸发，内部水分向外迁移的速度越来越慢，从而毛细孔负压越来越大，弯月面的受力平衡被打破，导致液面整体不断下降，这也使得弯月面的曲率随之增大（曲率半径即毛细孔液面处的孔半径随之减小），固液表面的接触角随之减小，使得表面张力的竖向分力增大（图1b），于是弯月面再次受力平衡，如此反复。

　　如图1c 所示，表面张力实际上构成了凝胶颗粒与弯月面之间的作用力与反作用力。凝胶颗粒通过对弯月面提供表面张力σ 使其受力得以平衡，而弯月面则将表面张力σ′ 反作用于凝胶颗粒，根据力的平衡可知，这一反作用力的合力在数值上、方向上均与毛细管负压相同，从而促使凝胶颗粒向内部运动。这即所谓的收缩拉力，它是造成水泥浆体收缩的直接驱动力。在垂直向的蒸发过程中，这一收缩力还与凝胶颗粒的自重叠加，加速浆体的收缩。

2 　收缩拉力（毛细孔负压）推导

　　根据以上干燥机理分析，收缩拉力σs 也即毛细孔负压，在数值上应该等于表面张力竖向分量的合力。假设弯月面是球冠形的，则将图1b 所示的弯月面向水平面垂直投影得到如图2 所示的受力单元，其中表面张力取其竖向分量σcosθ，作用域为图示的阴影部分的单位宽度圆环，而毛细孔负压ΔP 的作用域为整个弯月面的投影圆， r 为毛细孔弯月面处的孔径。则取图中角度为dβ的微元，根据竖向的受力平衡有如下等式成立：
　　　　　　
　　　　　
　　　　

　对上式中β角从0 ～ 2π积分得到：

　　另外，收缩拉力（毛细孔负压）也可以用孔隙内的相对湿度（RH）来表征。Kelvin 方程给出了如下孔隙相对湿度与孔径的关系：

　　　　　　
　　式中： Ф为相对湿度； M 为水的摩尔质量（18gPmol）；ρ为水的密度（1 000kg/m3 ）； R 为气体常数（8.314J/（mol·K））； T 为温度（K）； r 为孔半径（m）。
　　上式也可变化为：

　　于是代入（4）即可得到毛细孔负压与相对湿度的关系：　　　　　　

　　上述理论公式的推导也证明了毛细管负压随内部相对湿度的降低而降低。根据C. Hua 等对硬化水泥石收缩模型的研究，当水泥浆体中内部相对湿度由100 %降低到80 %时，毛细孔负压将从0 增加到30MPa 。当降至60 %以下时，毛细孔负压将发展到100MPa 以上。

3 　影响干缩的重要因素

　　从上述分析可以看出，影响干缩的3 个重要因素是水灰比、水化程度、失水速率，其中前两者是决定孔隙分布的主要因素。根据Powers 的研究，水泥完全水化的水灰比在0.42 左右，用水量直接影响孔径分布与孔隙率，水灰比越高，孔径与孔隙率也越大。因此，低水灰比混凝土的孔隙水越低，相应的干缩也越低，但当水灰比过低时（0.2 < W/C < 0.42），有可能产生自干燥（ self2desiccation）收缩。水化程度实质上也反映了龄期与养护对干缩的影响，在水化后期，由于更多的水成为化学结合水，可供迁移的自由水分就越少，因此早期养护的越好，暴露于空气中的龄期越晚，干缩越小。失水速率其实与结构的形状有关，通常结构表面积与体积的比率越大，水分的散失越快，干缩也越严重，这也是路面板、桥面板、楼面板更容易干缩开裂的原因。此外，在混凝土中，骨料的种类和含量也会间接地影响混凝土的自由收缩。骨料因为相对较为稳定将阻止浆体的收缩，因此骨料粒径越大、硬度越高，浆骨比越小，干燥时的自由收缩越小。至于其他因素如化学外加剂、矿物掺合料、水泥种类等，也会因为改变水化过程及浆体孔隙的组成而影响混凝土的干缩。

4 　结语

　　干缩是混凝土收缩最为常见的一种形式，也是目前为止研究最多的一类收缩。它是混凝土浇捣3d 以后的最主要收缩组成部分，国内外都有相应的试验标准对此进行评估（如ASTM C2157 、ASTM C2341 、GBJ 82285），结构设计中涉及混凝土收缩的计算（收缩裂缝计算、预应力收缩损失计算）大多是基于干缩试验的结果估算的。此外，目前在收缩方面研究的较为多的自干燥收缩现象，其形成机理在本质上还是干燥收缩，只是失水的方式不同而已。干缩是水分向外界环境中蒸发而减少，而自收缩则是水分在水泥颗粒继续水化的过程中被内部消耗，而失水引起毛细孔负压进而导致收缩这一机理则是相通的。
　
原作者：周永元朱耀台钱晓倩

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