环境条件和养护方式对混凝土早期收缩性能的影响_周翔.pdf

试验研究Experimental Research37总165期 2023.03 混凝土世界引言现代工程的快速和简便施工需求，以及超长、大体积的特点促使了高性能混凝土（HPC）的广泛应用。高性能混凝土具有低水灰比、高强度、低渗透的特点。然而，低水灰比也带来了一些负面影响，如混凝土收缩增大，容易引起混凝土开裂等。高温或大风等不利气候条件下，若混凝土浇筑后养护不及时，混凝土表面水分快速蒸发，也会形成塑性收缩裂缝。混凝土出现开裂最主要的原因是混凝土的收缩，裂缝贯穿会引起混凝土抗渗性下降，强度和耐久性降低1-2。如何采取有效措施抑制混凝土收缩的产生，避免贯通裂缝的出现是品质工程必须解决的难题。目前研究认为，混凝土中掺入粉煤灰可以降低其早期收缩3，但矿粉对混凝土收缩性能的影响则没有一致的结论。张骏等4研究表明，采用等量的粉煤灰或矿渣粉取代水泥，对混凝土的早期收缩及开裂性能均有一定的改善作用，粉煤灰对混凝土开裂的抑制效果优于矿渣粉；Linmei Wu等5研究认为，矿粉细度比水泥细度高，会增大混凝土的收缩；乔艳静等6研究表明，矿渣掺量在一定范围内时可抑制混凝土的开裂；刘志勇7研究表明，温度和相对湿度是影响混凝土收缩最主要的外界因素之一，在混凝土早期收缩阶段，养护温度越高，水泥水化越快，混凝土收缩大；冉国建等8研究表明，混凝土的自由收缩值大小和收缩速率会受到养护方式的影响，相比涂刷养护剂或自然养护，塑料薄膜包裹养护的方式更优，能有效降低混凝土的自由收缩。由此可知，混凝土的原材料、环境条件以及养护方式对于混凝土的收缩大小有明显的影响。截至目前，针对混凝土早期收缩性能的研究大多是在单一环境条件下进行的，对高低温、高低湿交环境条件和养护方式对混凝土早期收缩性能的影响周翔杨振楠汪培友项毓钧郭高巍红狮控股集团有限公司 浙江 金华 321000摘 要：针对环境条件和养护方式对混凝土早期收缩性能的影响，采用非接触式收缩变形仪研究了不同环境条件下密封养护、自然养护这2种养护方式对不同强度等级混凝土早期收缩性能的影响。结果表明：环境温度对非密封养护的混凝土早期收缩率影响最大，其次是环境湿度、水泥用量和风力；与自然养护相比，密封养护可大幅降低混凝土的早期收缩率。关键词：混凝土；温度；湿度；养护方式；早期收缩Effect of Environmental Conditions and Curing Methods on Early Shrinkage Performance of ConcreteAbstract:In view of the influence of environmental conditions and curing methods on the early shrinkage performance of concrete,a non-contact shrinkage deformation tester was used to study the effect of different environmental conditions and sealed curing and natural curing on the early shrinkage performance of concrete with different strength grades.The results indicate that the environmental temperature has the greatest influence on the early shrinkage of unsealed concrete,followed by environmental humidity,cement consumption and wind force;Compared with natural curing,sealed curing can greatly reduce the early shrinkage of concrete.Key words:Concrete;temperature;humidity;curing methods;early shrinkage收稿日期：2022-12-2第一作者：周翔，1985年生，硕士，工程师，研究方向为复合材料，E-mail：通信作者：杨振楠，1992年生，硕士，研究方向为建筑材料，E-mail：试验研究Experimental Research38CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165替环境下模拟施工现场环境条件的研究较少，而实际工程大都暴露于自然环境中，故对处于自然环境中混凝土收缩性能的研究非常有必要。本文旨在通过研究不同自然环境条件下养护方式对各强度等级混凝土早期收缩性能的影响，为改善混凝土收缩性能提供参考。1 材料与方法1.1 试验材料水泥：PO 42.5水泥，其各项物理性能指标见表1。粗骨料：破碎石灰石，525mm连续级配。细骨料：石灰石机制砂，细度模数3.1，级配分区为区。外加剂：聚羧酸高性能减水剂，其各项性能指标见表2。矿粉：比表面积427m2/kg，7d活性指数81.3%，28d活性指数101.5%。粉煤灰：45m筛余45.0%，7d活性指数59.5%，28d活性指数68.7%。1.2 试验配合比本试验研究了C25、C35、C50、C55共4个强度混凝土的早期收缩性能，具体试验配合比见表3。拌制混凝土时适当调整外加剂掺量，使混凝土拌合物坍落度控制在（22020）mm。1.3 试验方法（1）早期收缩试验：采用中国建科院CABR-NES型非接触式混凝土收缩变形测定仪，设备和试验方法均符合GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准。具体环境条件见表4。（2）坍落度及扩展度：参照GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行测试。（3）混凝土抗压强度：参照GB/T 500812019普通混凝土物理力学性能试验方法标准进行测试。2 结果与分析2.1 混凝土拌合物状态及强度试验配制了C25、C35、C50、C55强度等级混凝土，各强度等级混凝土的拌合物状态及其7、28d抗压强度测试结果见表5。由表5可知，各等级混凝土拌合物状态良好，施工性能和抗压强度均符合设计要求。2.2 早期收缩试验2.2.1 自然条件下非密封试验各强度等级混凝土在不同环境下，采用非密封的养护方式进行早期收缩试验，试验正式开始前，调整收缩测量仪的传感器使其稳定在最佳测量范围内保持0.5h，表 1 PO 42.5水泥物理性能指标标准稠度/%比表面积/（m2/kg）7d抗压强度/MPa28d抗压强度/MPa24.4362.041.455.8 表 2 减水剂性能指标%样品名称含固量外加剂掺量砂浆减水率鑫统领PC10012.51.816.7鑫统领PC20024.51.319.5 表 3 混凝土早期收缩试验配合比 kg/m3设计强度水泥粉煤灰矿粉用水量细骨料粗骨料外加剂C2521867501909438203.92C3528060601808588755.32C50320481121657479704.80C553405013016069110145.10注：C25、C35混凝土采用PC100减水剂，C50、C55混凝土采用PC200减水剂。试验研究Experimental Research39总165期 2023.03 混凝土世界表 4 混凝土早期收缩试验不同环境条件场所施工时间试块密封情况气候条件室外白天非密封夏季、秋季、冬季室外夜间非密封夏季室外白天密封夏季表 5 C25C55混凝土试拌试验结果设计强度坍落度/mm扩展度/mm7d抗压强度/MPa28d抗压强度/MPaC2520051023.130.4C3521552532.341.0C5021552547.459.7C5523058552.964.6再开始试验。具体的环境条件和试验结果见表6和图1。由表6和图1可知：（1）部分C25、C35、C50、C55等级混凝土样品在水化早期（约4h内）出现不同程度的膨胀现象，这主要是由于随着水泥水化的进行产生较大热量，温度升高会使混凝土产生受热膨胀，若早期混凝土的受热膨胀效果大于收缩，综合起来早期会表现为膨胀，随着水泥水化反应的进行，水泥水化产生的收缩效应开始超过膨胀效应9。与其他样品相比，C50-5#和C55-5#外界温度最低，水泥水化速率慢，膨胀峰值出现的时间也推迟，故表6中C50-5#和C55-5#混凝土4h龄期时仍是膨胀状态。（2）在非雨天无风条件下，温度对早期收缩影响很大，随着温度的升高，各强度等级混凝土的收缩率和收缩速率均增大。通常早期混凝土的极限拉应变在 30010-6左右10-11，当温度超过25，混凝土的收缩率和收缩速率急剧增加，C25-3#、C35-3#、C50-2#、C55-2#混凝土4h内收缩率分别为197010-6、89210-6、272810-6、279210-6，均已超过收缩开裂极限，而当温度达到约30时，C25-2#、C35-2#、C50-2#、C55-2#混凝土2h小时内收缩率就已经超出收缩开裂极限。分析原因主要是由于温度越高，混凝土由于蒸发造成的水份散失越多，相应收缩率越大，且温度越高，水泥水化越快，混凝土收缩速率也相应加快12。故在温度较低的条件下施工，能降低混凝土收缩率及收缩速率。（3）C25-2#与C25-3#混凝土3d总收缩率接近，而C25-3#混凝土收缩速率较慢，这是由于有风环境会加速混凝土表面水份蒸发造成混凝土3d总收缩增加，但环境温度对混凝土早期收缩速率的影响更大，且对C25混凝土来说，五级风环境对混凝土收缩率的影响相当于气温升高3对混凝土收缩率的影响；在C35混凝土试验中，C35-2#混凝土4h收缩率只有C35-1#的1/2，8h、3d收缩率只有3/4。结果表明，对于C35混凝土来说，五级风环境对混凝土收缩率的影响小于气温升高5对混凝土收缩率的影响。故有风环境会增大混凝土收缩率，但温度对混凝土收缩性能的影响更为显著。（4）由C35-3#与C35-4#、C50-4#与C50-6#、C55-4#与C55-6#试验结果可知，试验环境温度接近，而在雨天试验时，混凝土收缩速率和收缩率均较小，其中，C35-4#混凝土4h收缩率比C35-3#低70310-6，8h及3d收缩率比C35-3#低160010-6以上，4、8h收缩占比也相应降低。这是由于在雨天试验时，环境湿度大，混凝土失水干燥慢，早期收缩率明显降低，收缩速率也减慢。由C35-4#与C35-6#试验结果可知，C35-4#混凝土4、8h收缩率高于C35-6#混凝土，而总收缩率接近，这是由于C35-4#混凝土温度较高，收缩速率比C35-6#的快，3d总收缩率接近表明，雨天环境湿度对混凝土收缩性能的影响相当于温度降低13对混凝土收缩性能的影响；由C50-5#与C50-6#、C55-5#与C55-6#试验结果可知，C50-6#混凝土收缩率小于C50-5#混凝土的收缩率，C55-6#混凝土收缩率小于C55-5#混凝土收缩率。试验结果表明，雨天环境湿度对混凝土收缩性能的影响大于温度降低5对混凝土收缩性能的影响，进一步验证了试验研究Experimental Research40CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165C35-4#与C35-6#试验结果。故雨天施工有助于提高环境湿度，从而降低混凝土早期收缩，施工后浇水养护也有利于降低混凝土早期收缩率和收缩速率。（5）由C50和C55等级混凝土收缩试验结果可知，在同一环境条件下，C55等级混凝土均比C50等级混凝土3d收缩率高。分析原因是由于C55等级混凝土配合比胶凝材料总量高40kg/m3，其中水泥用量比C50高20kg/m3，同一环境条件下，水泥用量越高，水泥水化消耗的水越多，混凝土早期收缩率越大，而收缩速率变化不明显13。2.2.2 自然条件下密封试验不同强度等级混凝土在室外密封条件下进行收缩试验，试验季节为夏季，白天环境平均温度约35，晚上温度降低510，收缩试验结果见表7和图2。由表7和图2可知：（1）在密封条件下，C25-7#、C35-7#混凝土一直处于呈膨胀状态，是由于C25-7#、C35-7#表 6 C25C55等级混凝土在不同环境条件下的收缩试验结果序号4h收缩8h收缩总收缩率/10-6环境条件收缩率/10-6收缩占比/%收缩率/10-6收缩占比/%C25-1#310993311793336040C25-2#252090255592278730C25-3#197071256992277827，5级风C25-4#17914110386128722，夜间C25-5#115212113855818，夜间C25-6#149412206136112C35-1#422797422097435440C35-2#217564316993339535，夜间，5级风C35-3#89231241185284826C35-4#1891677166117225，雨天C35-5#27011835342478夜间，23C35-6#50413512111312C50-1#333386351691386335C50-2#272888299297308627C50-3#125954207088235318C50-4#13010726531361夜间，16C50-5#-160-164955197710C50-6#12244159749夜间，雨天，15C55-1#322678372390414835C55-2#279282308090342427C55-3#157755224779285818C55-4#501231345632145夜间，16C55-5#-169-1455545123910C55-6#8119121901夜间，雨天，15注：未标注风力情况的是无风或微风；除标注夜间是夜间施工的，其他为白天施工；除标注阴雨天外，其他试验均为晴天；温度代表的是试验时间段平均温度（尤其是第一天）；收缩占比指的是某时间收缩率占3d总收缩率的比例。试验研究Experimental Research41总165期 2023.03 混凝土世界混凝土水胶比较大，分别为0.57和0.45，密封状态下水份散失较少，有足够的水份提供水泥水化，故自收缩较小，水化温升导致的膨胀占主导作用，混凝土最终表现为膨胀状态。C50-7#混凝土3d总收缩率是同温度条件下C50-1#的1/24，C55-7#混凝土3d总收缩率低于同温度条件下C55-1#的1/6，说明在密封条件下，混凝土收缩相对于非密封条件下的大幅降低，这是由于密封状态下水份散失显著减少，胶凝材料水化随着养护时间延长而越来越充分，毛细孔中自由水大部分已被水化消耗，混凝土内部微观结构更致密，混凝土收缩减小14。故密封是降低混凝土早期收缩的有效措施。（2）对比不同强度等级混凝土早期收缩发现，由于白天夜间温度波动影响，引起混凝土热胀冷缩，收缩率下降和升高来回切换，变换周期约24h，与文献15中提到的混凝土内部温湿度变化规律吻合。但由于C50-7#、图 1 各强度等级混凝土在不同环境条件下的密封收缩率（a）C25（b）C35（c）C50（d）C55表 7 C25C55等级混凝土在室外密封条件下的收缩试验结果 序号室外密封收缩率/10-64h8h12h1d2d3dC25-7#-125-153-114-177-189-207C35-7#-243-138-124-192-192-25C50-7#-66661003245160C55-7#43468457418475603图 2 不同强度等级混凝土的室外密封收缩率试验研究Experimental Research42CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165参考文献1 白斯宇,刘凯,刘虎,等.地下变电站大体积混凝土温控抗裂技术研究J.混凝土世界,2022(7):73-76.2 王明,胡敏,徐可,等.隧道混凝土工程裂缝控制技术研究J.混凝土世界,2022(8):66-71.3 向鹏,麻鹏飞,权伟博,等.掺合料对混凝土早期收缩性能的影响J.混凝土世界,2018(8):82-86.4 张骏,田帅,梁丽敏,等.矿物掺合料对混凝土早期收缩及开裂性能的影响J.混凝土与水泥制品,2018(9):16-19.5 WU L M,FARZADNIA N,SHI C J,et al.Autogenous shrinkage of high performance concrete:a review J.Construction 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钱晓倩,詹树林,周富荣,等.早期养护时间对混凝土早期收缩的影响J.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2007(4):610-614.C55-7#混凝土胶凝材料（尤其水泥用量）多、水胶比低，引起早期水泥水化越快，消耗的水越多，混凝土自收缩在总收缩中占比提高，造成混凝土总收缩率增大，故C50-7#、C55-7#混凝土早期收缩比C25-7#、C35-7#混凝土明显增加，通常早期混凝土的极限拉应变在30010-6左右10-11，也就是说，C55-7#混凝土3d收缩率仍超出混凝土极限拉伸应变，早期收缩开裂风险仍然存在。对于C25、C35低强度混凝土而言，水胶比较大，内部自由水较充足，大部分混凝土收缩是因为水份蒸发引起的干燥收缩，因此延长湿润养护时间能够显著降低收缩16-17，基本避免了早期收缩引起的开裂。而C50及以上高强度混凝土仍需通过掺入合适的膨胀剂、纤维等措施才能避免早期收缩引起的开裂。表8为热胀冷缩造成的混凝土收缩与膨胀的差值。由表8可知，由于温差引起的混凝土收缩与膨胀的差值（图2最大收缩与最大膨胀纵坐标之差）均超过30010-6，最高的超过40010-6。以热胀冷缩差值判断，在夏天白天高温时施工后密封，各混凝土仍然有开裂的风险7，故应尽量避免在夏天高温时段施工。结论本文研究了不同环境条件下密封养护、自然养护2种养护方式对不同强度等级混凝土早期收缩性能的影响，基于测得的不同龄期混凝土试件的收缩结果，得出以下结论：（1）室外非密封施工时，对混凝土早期收缩的环境影响因素中，温度影响最大，温度越高，混凝土早期收缩率越大、收缩速率越快；其次，环境湿度影响也较大，阴雨天（湿度大）施工时混凝土收缩率、收缩速率均大幅降低；水泥用量也影响混凝土早期收缩，水泥用量越高，混凝土早期收缩越大；风对混凝土收缩率、收缩速率有一定影响，会使收缩率、收缩速率增大，但影响相对较小。（2）室外密封条件下，混凝土早期收缩率、收缩速率均明显减小，混凝土早期收缩开裂风险显著降低，但由于温度高、昼夜温差大，收缩率与膨胀差值较大，仍有一定的收缩开裂可能性，其中C55高强混凝土早期收缩率仍超出收缩开裂极限应变，收缩开裂风险仍较大。（3）为降低混凝土收缩开裂风险，应尽量避免在夏天高温时段、大风天气、强日照时间施工，终凝后尽快浇水养护，并采取密封养护措施，施工后尽快密封，当温度较高时需在施工2h内密封，密封时间3d以上，条件允许时应尽量延长密封养护时间。表 8 热胀冷缩造成的混凝土收缩与膨胀的差值 10-6C25-7#C35-7#C50-7#C55-7#362 402 324 358