掺合料对混凝土收缩影响及收缩模型分析_孟凡深

第27卷第5期2009年10月水 电 能 源 科 学WaterResourcesandPowerVol.27No.5Oct.2009

文章编号:1000-7709(2009)05-0163-04

掺合料对混凝土收缩影响及收缩模型分析

孟凡深 王子敬

(洛阳理工学院工程管理系,河南洛阳471023)

摘要:针对高性能混凝土添加掺合料后早期收缩变形较普通混凝土复杂,研究了矿渣、粉煤灰、硅粉、减缩剂、

减水剂对高性能混凝土收缩的影响,建立了混凝土施工期应力计算收缩模型,并与常用收缩模型进行了对比

分析。结果表明,该模型更适合高性能混凝土收缩变形计算。

关键词:掺合料;高性能混凝土;早期收缩;收缩模型

中图分类号:TU528文献标志码:A

收稿日期:2009-03-25,修回日期:2009-04-27作者简介:孟凡深(1969-),男,副教授,研究方向为混凝土结构,E-mail:mfs_1969@126.com1 掺合料对混凝土收缩的影响

收缩变形是导致混凝土结构施工期产生裂缝

的主要因素。为提高混凝土的耐久性、稳定性,常

在混凝土中添加矿物掺合料和外加剂,但易使混

凝土早期产生裂缝,因此有必要研究这些材料对

高性能混凝土收缩的影响。

1.1 矿渣对收缩的影响

矿渣对混凝土收缩的影响存在较大争议。

Brooks等研究表明,高掺量矿渣可使早期收缩增

加30%,但最终收缩减小,主要是由矿渣水化反

应的延迟性及矿渣的加入使混凝土最终强度增强

所致。王建福等[1]认为,浇筑后12h内收缩值约

达全部收缩值的90%,矿渣的加入对混凝土浆的

早期收缩有降低作用,但矿渣掺量20%~50%混

凝土浆体间的收缩值相差不大[2]。高性能混凝土

以自收缩为主,因此研究矿渣对收缩的影响可通

过研究自收缩即可。梁文泉认为,采用比表面

积>4000cm2/g的矿渣替代水泥后,混凝土的自

收缩值高于基准样;磨细矿渣掺量[45%时,自收

缩值随掺量增加而减小;掺量达65%时,混凝土

自由收缩值明显增大,28d自收缩值达313@

10-6。文献[3]认为,磨细矿渣增大了高性能混凝

土早期自收缩,且随磨细矿渣掺量的增加而增大、

早期自收缩速度增大。

磨细矿渣对混凝土收缩的影响与其细度有

关。当磨细矿渣与水泥细度相当时,混凝土收缩可随矿渣掺量的增加而稍有减少;当矿渣细度>

4000cm2/g时,混凝土收缩随矿渣掺量的增加而

增加。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,对混凝土的自生体积收缩

起抑制作用。

1.2 粉煤灰对收缩的影响

粉煤灰的掺入具有减缓和降低混凝土早期收

缩的作用,随粉煤灰掺量的加大,混凝土早期收缩

降幅也增大,原因是粉煤灰细微颗粒均匀分布于

水泥浆体中,成为大量水化物沉积的核心;随着水

化的进展,这些细微颗粒及水化产物填充水泥孔

隙,减小混凝土毛细孔的尺寸和水分的扩散,从而

降低了混凝土的收缩值。

粉煤灰虽为活性混合材料,但在水泥浆体系

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自干燥速

度,显著降低早期自收缩[4]。后期粉煤灰的继续

水化使水泥内部自干燥程度提高,但此时混凝土

弹性模量较高、徐变系数较低,因此在相同自干燥

程度下产生的自收缩比早期小得多。混凝土的自

收缩随粉煤灰掺量的增加而减小[5]。粉煤灰掺量

[20%时,随掺量的增加自收缩值降幅增大,但掺

量超过20%后粉煤灰抑制混凝土自收缩作用的

增幅并不明显。后期,不同粉煤灰掺量的混凝土

自收缩增速无明显差异。

1.3 硅粉对收缩的影响

硅粉一般应用于高强、高耐久性和低渗透性等性能要求较高的混凝土。硅粉是超细活性掺合

料,其比表面积很大导致水化加快,加速了水泥孔

隙中缺水与内部相对湿度的降低,从而增大了自

干燥,随着硅粉含量的增加,混凝土的自收缩增

加[6],干燥收缩减小。研究表明:¹硅粉对混凝土

自收缩和干燥收缩均有较大影响;º掺6%~7%

的硅粉可减小50%的干燥收缩。早期含硅粉的

混凝土水分损失很快,24h后停止。»硅粉可减

小干燥收缩,但掺硅粉却增大了混凝土的自收缩,

抵消了减小干燥收缩的优势。

1.4 减缩剂对收缩的影响

高强高性能混凝土由于水胶低、矿物掺合料

高,易造成混凝土结构内部/缺水0。随着水化反

应的进行,在水泥中形成大量的微细孔,自由水不

断降低,相对湿度逐渐下降导致毛细孔中产生弯

月面,水泥受负压作用,作用于毛细管壁上而产生

收缩。添加减缩剂[7]后由于降低表面张力从而降

低了孔内附加压力、提高了混凝土内的相对湿度

而减弱了自干燥效应,达到降低混凝土体积收缩

的目的。

由减缩剂的作用机理可知,在混凝土原材料

和配合比一定时,减缩率是一个相对稳定值,施工

养护和环境条件对混凝土的减缩率影响较小。即

当养护条件差、环境条件恶劣引起混凝土收缩增

大时,由于减缩率一定,故降低收缩的绝对值也增

加,反之亦然。此外,减缩剂几乎不存在水泥适应

性问题,且与其他混凝土外加剂有良好的相容

性[8],这是因为减缩剂是通过水的物理过程起作

用,与水泥的矿物组成和掺合料等无关。

1.5 减水剂对收缩的影响

一般而言,掺用减水剂会使混凝土收缩有不

同程度的增大。原因为:¹减水剂的掺入使混凝

土分散更均匀、和易性好因而水化更充分,致使混

凝土内部相对湿度降低,最终影响早期收缩;º添

加减水剂后,混凝土中孔径变小,使同量水分蒸发

产生的收缩变大,因此使混凝土早期收缩变大;»

减水剂为阴离子表面活性剂,掺入后将电离出大

量的自由阳离子使混凝土内部可溶离子浓度增

大,降低内部相对湿度从而增大早期收缩。

研究表明,水灰比不同,减水剂影响程度不

同;减水剂品种不同,影响也不同。在相同的水灰

比情况下,脂肪族减水剂、氨基磺酸盐减水剂和蔡

系减水剂均增大混凝土的收缩且增幅较大,其中

氨基磺酸盐减水剂增幅最大,脂肪族减水剂最

小[9];在同塌落度条件下,同早期收缩类似,减水剂较大幅度地增大了混凝土的总收缩且在水泥用量较大时作用更明显。

减水剂使混凝土收缩有不同程度的增大,但

由于存在使用情况的差别,不能简单概括具体收

缩程度。

2 混凝土的收缩模型

混凝土收缩的量化便于设计者依据收缩模型

设计出适合施工要求的混凝土配合比。针对普通

混凝土已提出较多混凝土收缩预测模型,可考虑

不同配合比和环境因素影响下的混凝土收缩。随

着高性能混凝土的广泛应用,对原有模型进行修

改并提出能反映高性能混凝土收缩特性的模型。

2.1 Bazant-Panula模型

Bazant-Panula模型(BP模型)[2]主要针对普

通混凝土收缩。因普通混凝土的基本收缩相对于

干燥收缩较小,可忽略不计,故未对收缩进行细

分。对普通混凝土,该模型较准确,但对高性能混

凝土准确度欠佳。

2.2 CEB-FIP模型

CEB-FIP收缩模型用于预测抗压强度低于

60MPa的普通混凝土收缩,形式类似Bazant-

Panula模型,与Bazant-Panula模型相比参数较

少,仅以混凝土28d的棱柱体抗压强度为基本变

量。模型对龄期小于28d的高性能混凝土收缩

预测偏低,原因为CEB-FIP模型未考虑基本

收缩。

2.3 AFREM模型

AFREM收缩预测模型适合硅粉掺量5%以

上、骨料集中度0.67以上的高性能混凝土。将高

性能混凝土的总收缩分为基本收缩(也称自收缩)

和干燥收缩两部分,基本收缩体现水泥水化反应

和强度的发展。研究表明:¹在龄期约4h时的

混凝土强度约为28d龄期时的10%,此前基本收

缩不发生;º28d龄期后混凝土的基本收缩不再

为强度发展的函数,因为此时强度基本为常数。

该模型仅适用于高强、高性能混凝土,不能预测接

近高性能混凝土的收缩变形,故应用有局限性。

2.4 考虑掺合料影响的收缩模型

考虑掺合料影响的收缩模型(DNW模型)[4]

针对水胶比0.15~0.40、普通骨料、浆体体积占

混凝土总体积30%的高性能混凝土和使用高效

减水剂、硅灰掺量5%以上的高性能混凝土计算

收缩。此预测模型也将混凝土的总收缩分为基本

收缩和干燥收缩两部分。

Ecs(t,ts)=Ebs(t)+Eds(t,ts)(1)#164#水 电 能 源 科 学 2009年Ebs(t,fc28)=10-6EbsoBbs(t)(2)

Ebso=700exp(-3.5wcm)+120掺硅粉

700exp(-3.5wcm)不掺硅粉(3)

式中,Ecs为总收缩;Ebs为干燥收缩;Ebso为最终干

缩;t为收缩中的某时刻;ts为干缩开始时的龄期;

w为水量;cm为添加外加剂之后水泥总量。

DNW模型的基本收缩为水胶比函数,收缩

随水胶比的减小而增大,硅粉的掺入仅能使基本

收缩提高,与掺量无关,预测时间从初凝开始时算

起。由模型可看出,高性能混凝土的最终干缩Ebso与混凝土的水胶比、28d的抗压强度有关。环境

的相对湿度对干燥收缩有重要影响,相对湿度升

高,干燥收缩减小;相对湿度降低,干燥收缩升高。

该模型适用于广泛意义上的高性能混凝土,尤其

在考虑掺合料影响时,比AFREM模型具有更明

显优势。

2.5 模型的对比分析

因以上收缩模型的参数变量有所不同(BP模

型为混凝土配合比函数,CEB-FIP和AFREM模

型主要为混凝土强度函数,DNW模型是水胶比

的函数),给模型间的对比分析增加了困难,但因

混凝土水胶比和强度密切相关,故仍可进行比较。

采用强度等级分别为C40、C60、C80、C100,

尺寸为150mm@150mm@150mm的标准立方

体试块,在温度20?3e、相对湿度50%的养护条

件下进行测试。分别用不同水胶比、是否掺合硅

粉掺合料对混凝土试块加以配比,采用上述四种

模型进行计算,并比较各模型的干燥收缩随混凝

土强度及干燥时间的变化,见图1~3。

图1 AFREM和DNW模型预测的基本收缩

Fig.1 ForecastofAFREMandDNWmodelonelementarycontraction通过前述分析可知,BP模型和CEB-FIP模

型预测的基本收缩很小,可认为这两个模型针对

的是普通混凝土的干燥收缩。由图1可看出:¹

AFREM模型预测的基本收缩小于DNW模型预

测的基本收缩;º水胶比越小,DNW预测基本收

缩越大。»混凝土总干燥收缩的20%发生在28图2 各预测模型预测的干燥收缩

Fig.2 Forecastofmodelsondryshrinkage

图3 各预测模型预测干燥收缩的发展

Fig.3 Forecastofmodelsondryshrinkageprocess

d内,超过90%的基本收缩发生在同一时期,因

此,对高性能混凝土,即使忽略干燥收缩的影响,

早期收缩预测的准确性也不会降低,而对具有很

低基本收缩的普通强度混凝土,这样的收缩预测

不准确。由图2可看出,水胶比为0.40的DNW

收缩模型预测的混凝土干缩量最大。由图3可看

出,AFREM模型预测含硅粉的混凝土干燥收缩

较高。因DNW模型预测含硅粉的混凝土基本收

缩较高,综合考虑,两个模型预测的含硅粉混凝土

总收缩一致。

3 结语

a.高性能混凝土水灰比低、绝热温升高、矿

物掺合料多,混凝土的收缩机理复杂,收缩特性不

同于普通混凝土,矿物掺合料对早期收缩的影响

不可忽略。

b.考虑高性能混凝土的总收缩时,需区分基

本收缩和干燥收缩。普通混凝土的基本收缩较

小,总收缩在早期阶段也较小。

c.对添加掺合料的高性能混凝土,DNW模

型能更好地反映混凝土掺和料对收缩的影响。

参考文献:

[1] 王建福,杨全兵.矿渣对净浆早期开裂的影响[J].混