现代混凝土早龄期自收缩发展模型研究.pdf

成大宝 ： 现代混凝土早龄期 自 收缩发展模型研究 2 7 现代 混凝土早龄期 自收 缩发展模 型研 究 成大宝 ( 河海 大学土木与交通学院 南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要】 混凝土收缩是影响现代混凝土早期开裂的主要因素， 文中在对比分析国外 自收缩计算模型基础 上 ， 提出适用于现代混凝土早龄期 自收缩发展的计算模型。并通过试验研究一组 C 3 0混凝- I- 2 8 d龄期 自收缩发展 规律， 验证文中提出模型的可靠性 ， 同时模型也可用于其他强度混凝土早龄期 自 收缩的推算。 【 关键词】 自 收缩； 早龄期； 计算模型； 现代混凝土 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 - 0 0 2 7 一 o 4 0 引言 混凝土结构易产生裂缝n ， 在混凝土早期硬化过 程中， 内部骨料对浆体的约束作用， 会在其粘结面上形 成微裂缝口 ， 当裂缝宽度扩展到 0 0 5 m m以上， 就会 影响结构的正常使用功能和耐久性 ， 所以混凝土早期 开裂是混凝土结构研究的重点。 混凝土早期开裂是诸多变形受到约束的结果， 收 缩变形是引起开裂的主要原因 ， 包括干燥收缩、 自 收缩、 温度收缩等。混凝土自收缩是指由胶凝材料的 水化作用引起的混凝土 自生体积变化， 发生在与周围 环境的湿度无交换的情况下 ， 是水化消耗水的速度大 于外界水分通过毛细孔迁移到体系内部的速度或者 无外界水分供应而在混凝土内部的 自干燥过程0 。 混凝土 自收缩现象早在 7 0多年前 就 由 D a v i s 和 L y m a n 提出， 当时的混凝 土 自收缩很小 ， 一直被忽 略。从上世纪 9 0年代开始， 随着现代混凝土中大量使 用水泥和添加各种矿物掺合料 ， 自收缩现象越来越明 显 。 。 T a z a w a 的研究 表 明适 当的 外 加剂 可 以减少 自 收缩， 不过文中测得 自收缩包含热变形及塑性收缩， 并 不是严格定义上的 自收缩 ； 巴恒静等u 采用非接触式 位移传感器测量混凝土早期收缩， 结果表明水胶 比越 低混凝土 自收缩占总收缩的比例越大 ， 但是整个试验 过程带模测量， 会对试件造成约束， 同时系统在 自动控 制方面还有待完善。 张君 通过向混凝土中埋设湿度传感器和压力 传感器 ， 来检测混凝土的早期变形， 定义一个与混凝土 凝结时间相关的类 比函数来进行研究 ， 并通过修正早 期水化程度 ， 对早期收缩进行 了很好的模拟。王铁 梦提 出 M。 、 M 等修正系数调整非标准状态下的收 缩的计算公式， 认为标准下极限收缩是一个定值 ， 实际 上混凝土会 由于配置参数和原料等不 同最终收缩也 不 同。 自收缩预测模型的建立有利于掌握 自收缩的发 展规律， 对控制 自收缩引起的裂缝有一定的指导作用， 但由于影响 自收缩的因素较多， 很难全面考虑这些 因 素做 出准确预测 ， 需要进 一步研究 。 文中对比现有混凝土 自收缩预测模型 ， 在现有模 型的基础上进行修正。文 中还通过对 C 3 0混凝土早 龄期 自收缩试验 ， 研究了自收缩早龄期的发展规律 ， 并 验证文中预测模型的可靠性， 希望能对相关研究人员 提供参考。 1 混凝土自收缩计算模型的建立 表 1 几种计算模型及特点 模型 计算公式 适用特点 适用 于抗 压 强 度 不 超 过 ( t ) ： c 10 ) ( t ) 9 o MP a 的普通、 高强高性 C E BF I P 能混凝 土 ， 常 用 于预测 抗 ( t ) =1 - e - (1 压强 度低 于 6 0 MP a的普 通混凝 土的收缩 。 8 a ( t )- 8 ( ) 1 一e x p EN 一1 9 9 2 ( 一 ) 8 ( *)；25( ， 一1 O ) 1 0。 6 适用普通、 高强混凝土， 以 2 8 d 棱柱体抗压强度为基 本变量 ； 未 考虑 初凝 时 间 对收缩 的影 响 。 早期 收缩 预测偏低 。 混凝土 自收缩模型大致可分为分析模型和计算 模型两大类。分析模型从理论 出发 ， 反映 自收缩形成 的机理 ， 但是由于试验手段的限制及理论假设条件的 不确定性 ， 很难获得准确的参数大小 ， 对实际工程设计 而言难以满足简单实用的要求。计算模型的形式简 单， 便于指导实际工程设计 ， 表 1中列出国外 C E B F I P 1 、E N一1 9 9 2 1 和 日本工业标准 J S规范推荐 使用的三个典型的计算模型的计算公式及适用特点。 低温建筑技术 2 0 1 4年第 l 0期 ( 总第 1 9 6期 ) 选用文献 中 C 4 0 ( 表示水灰 比为 0 4的纯水泥混凝 土) 和 C 3 0 7 S F ( 表示水灰比为 0 3且掺有 7 的硅灰 的混凝土) 两种工况参数带入这三个模型中， 并与文 献 中 自收缩数 据进 行 比较 ， 验 证模 型 的适 用性 ， 结 果见图 1 和图 2 。 粪 6 一 X 婿 娶 0 4 8 1 2 1 6 20 24 28 龄期， d CEBF I P EN一1 9 9 2 一日本J I S 一文献 1 8 1 中C 4 0 数据 图 1 C 4 0 数据 与三个模型的计算值 比较 0 4 8 l 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄期， d C EB- F I P EN一1 9 9 2 一 日本J I S 一 文献 1 8 d 0 C 3 0 7 S F 数据 图2 C 3 0 7 S F 数据与三个模 型的计算值比较 从图 1和图 2看出， 忽略混凝土起初的微膨胀， 混凝土自收缩值的发展趋势差不多， 都是先快速增长 后减速增长， 但是在收缩终值上存在很大差异。C E B F I P 、 E N一1 9 9 2模 型的最终收缩值较小 ， 更适用 于普 通纯水泥混凝土， 而国内现代混凝土考虑了矿物掺合 料和外加剂的影响， 在模型计算形式上选用 日本 J I S 规范推荐的模型更合适。基于以上分析， 提出混凝土 早龄期 自收缩模型， 具体公式如下： 。( t )=g 。 ( ) 卢 ( f ) ( 1 ) s ( )= s 2 8 ( 2 ) JB 。 ( t )=1一e x p 一口 ( t t 。 ) ( 3 ) 式中， ( t )为龄期t 时刻的自收缩 ； 是混凝土最 终收缩值和第 2 8 d 收缩值的比值； 丝为混凝土2 8 d龄 期的自收缩值； 3 ( t )是描述 自收缩随龄期发展规律 系数； o和 b 是温度变化影响系数； t 为混凝土的龄期， d ； t 为混凝土的初凝时间， d 。 该模型采用 日本 J I S 规范推荐模型的基本形式 ， 对其模型进行总结修正得出。 式 ( 1 )为模 型基本形式 ， 表 明某一 时刻混凝 土 的 收缩值 ( t )为足够长 时间后混凝 土最 终收缩值 s ( )与 自收缩随龄期发展规律系数 卢 ( )的乘积 。 式( 2 )为混凝土最终 自收缩值 ( )与混凝土 2 8 d自收缩值 s 。 ( 2 8 )的关系。 通常情况下认为混凝土 2 8 d以后的自收缩值很小 ， 实际试验操作中也基本上 取第 2 8 d自收缩值代表总的收缩值 ， 取 =1 。 但是 ， 在 实际情况下混凝土 2 8 d以后还有一定量 自收缩， 这一 部分 自收缩对模型预测的准确性有着较大的影响。 因 此 ， 考虑 的取值有利于提高模型的精度。 式 ( 3 )为 描 述 自收 缩 随 龄 期 发 展 规 律 的 系 数 ( )的公式 ， 式 中 ， o和 b 是温度变化影 响系数。 该式 代表的是一条经过零点， 逐渐递增 ， 递增速度逐渐下 降 ， 最终趋 向于某一极 值的曲线。 该 曲线形式与混凝土 自收缩值随时间的发展规律大致相符。 其中， n 取值越 大 ， 则混凝 土初期 自收缩快速增长阶段持续时间越长 ， 该阶段收缩值越大； 6值的变化影响混凝土 自收缩缓 慢发展 阶段 的发展速度 。 2 计算模型的验证 为验证模型公式 ( 1 )一( 3 ) 的适用 性 ， 文 中还通过 试验配置 C 3 0混凝土测量其 2 8 d自收缩 ， 具体配合比 和2 8 d 立方体抗压强度见表 2 。 表2 C 3 0混凝土配合比及性能 k g m 试验方法依据 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准 中混凝土收缩试验 方法 ， 同 时 考 虑早 期 自收 缩 主 要 产 生 于初 凝 至 2 4 h 内 引， 采用 u型标靶测试端头和 L V D T位移传感器测 试系统， 混凝土试件浇筑 1 d 后拆模密封即开始测量。 混凝土 自收缩测试装置示意图见图3 。 I L vD T 传感器 2 一 特富纶板 3 一 钢板4 - 1 1 型标靶5 一 铝箔锡纸 6 一 固定架7 一 混凝土 8 数据采集仪 9 _ - 计算机 图3混凝土 自收缩测试装置示意 图 加 蚴 0 成大 宝 ： 现代混凝土早 龄期 自收缩发展模型研究 2 9 2 1 混凝土早龄期 自收缩的发展规律 图4为混凝土 自收缩试验 2 8 d龄期发展规律图 ( 图中正向为收缩) 。三个试件的收缩发展趋势基本 一 致 ， 呈两阶段发展规律 ： 第一阶段内自收缩在数天中 快速发展， 第二阶段内收缩减速增大。 b X 倒 嫖 龄期， d 试件1 试件2一试件3 图4 混凝土 自收缩早龄期发展规律 根据 图 4的 2 8 d龄期 自收缩 曲线 ， 可将混凝 土从 浇筑完成后收缩发展分为 5个阶段 ： 第 1 阶段( 第 l d 内) 混凝土刚开始表现 出微小的线性膨胀， 考虑原因 为在混凝土骨架初步形成前 ， 重力作用下塑性沉降引 起的侧向膨胀。第 1 I 阶段( 前3 d内) 混凝土的刚度还 是很 低 ， 随着水泥水化反应 的快速发展 ， 引起的化学收 缩能大幅度提高 自收缩。第 1 I I 阶段( 第 3 a ) 混凝土出 现第二次膨胀 ， 表现为先快速膨胀然后减速膨胀( 试 件 1有点偏差) ， 直到达到膨胀峰值。可能原因为当 试件表面被塑料薄膜完全密封， 混凝土内分泌出的水 又全部从新吸 收继 续水化 引起膨 胀 ， 也 有可 能与 热变 形 等因素有关 系。第 1 V阶段 ( 31 5 d ) 水 泥水化 过程 逐渐缓慢， 混凝土骨架趋于形成 ， 刚度逐渐变大， 开始 有能力抵御 自收缩变形 ， 混凝土收缩减速增长。从 图 3中看出7 d龄期 自收缩 占2 8 d 龄期的 5 0 左右， 1 5 d 龄期时 自收缩接近 2 0 0微应变， 达到 2 8 d龄期总收缩 的 8 0 ； 第 V阶段 ( 1 5 d以后) 混凝土 自收缩平稳发 展， 混凝土内部湿度有所降低， 在毛细张力作用下， 收 缩发展很缓慢 ， 几 乎趋于稳定。 2 2 混凝土自收缩计算模型的验证 将试验数据与文中所建立模型计算 比较 ， 利用最 小二乘法拟合得出模型中参数 =1 1 2， 0=0 1 9 ， b = 0 7 2 ， 具体结果见图 5 。为进一步验证模型的可靠性， 选用文献 中强度 C 5 0混凝土 自收缩的试验数据， 将 文中所建模型和文献中收缩值 比较 ， 如图 6所示。模 型中 口= 0 4 3 ， b = 0 5 1 ， 可见随着强度提高， 混凝土 自 收缩初期发展时间短， 但发展速率很快， 后期发展速率 相对 慢很多 。 结果 表明文 中所建立 的混 凝土 早龄 期 自收缩 模 b X 婿 倒 彗 一 试件 1一试件2 一 试件3 一一 拟合公式 曲线 图5文中试验数据与 自收缩模型计算值比较 龄 期， d 一一文献【 2 3 】 数据 一 拟合公式曲线y = 2 5 2 ( 1 一 e x p ( 一 0 4 3 ( t 一 ) 图6文献【 2 0 试验数据与 自收缩模型计算值 比较 型适用于自收缩的发展规律 ， 但相关参数还有待进一 步研究确定。 3结语 ( 1 ) 文中综合对比欧洲规范和 日本规范中混凝 土 自收缩计 算模型 ， 验证模型对现代混凝土的适用性。 对国外模型进行修正 ， 提出适合国内现代混凝土 自收 缩发展的计算模型。 ( 2 ) 通 过试 验研 究 C 3 0混凝 土早 龄期 自收缩 ， 获得了2 8 d龄期的自收缩的发展曲线 ， 大体呈两阶段 发展规律 ： 混凝土 自收缩 在数 天中快速发 展随后 减速 增大的过程 。 ( 3 ) 混凝的 自收缩主要发生在早期 ， 7 d龄期 自 收缩 占2 8 d 龄期 的 5 0 左右 ， 1 5 d龄期 自收缩达到 2 8 d 龄期总收缩 的 8 0 。 ( 4 ) 通过 C 3 0 混凝土自收缩试验以及文献中其 他强度混凝土 自收缩试验结果验证文中提出的计算 模型， 吻合较好。 ( 5 ) 由于混凝土 自收缩受多方面因素的影响， 为应用于实际工程 ， 模 型 中的参数还需要 通过 进一 步 的研究来确定。 参考文献 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版 一 1 J 1 J 1 J 上 O 2 l l 3 0 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 O 期( 总第 1 9 6 期) 社 1 9 9 7 2 E T a z a w a ， S Miy a z a w a E x p e ri me n t s t u d y o n m e c h a n i s m o f a u t o g - e n o n s s h r i n k a g e o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 8 ) ： 1 6 3 31 6 3 8 3 T C H o l l a n d ， e t c U s e o f s i l i c a f u m e c o n c re t e t o r e p a i r a b r a s i o n e r - esi o n d a m ag e o n t h e r i z a n a d a m s t i ll i n g b a s i n C 2 t h C e m e n t AC I I n t e r n a t i o n a l Co n f e ren t c e o f F l y As h，S i l i c a F u me，S l ag an d Na t u r a l P o z z o l an s i n Co n c r e t e 1 98 6： 8 4 18 6 3 4 B u r r o w s RW，K e p l e r W F， H u reo m bD， e t a1 T h ree s i m p l et e s t s f o r s e l e c t i n g l o w c r a c k c e m e n t J C e m e n t and C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ， 2 6( 5 )： 5 0 9 5 1 9 5 J u e n g e r M C， J e n n i n g s H ME x a m i n i n g t h e rel a ti o n s h i p b e t w e e n t h e mi c r o s t r u e t u r e o f c a l c i u m s il i c a t e h y d r a t e a n d d r y i n g s h r i n k age o f c e m e n t p a s t e s J C e m e n t and C o n c re t e R e s e a r c h 。 2 0 0 2 ， 3 2 ( 2 ) ： 2 8 92 9 6 6 孙振平， 蒋正武， 王培铭， 等 水泥混凝土路面裂缝成因及预 防措施 J 公路交通科技， 2 0 0 5 ， 2 2( 4 )： 1 5 1 9 7 张鑫 现代混 凝土抗裂 等级 及其评 价方法 研究 D 南 京 ： 河海大学 ， 2 0 1 4 8 D a v i s H E A u t o g e n o u s v o l u m e c h ang e o f c o n c re t e C P r o c e e d i n g o f t h e 4 3 t h An n u al Ame ric a n S o c i e t y for T e s t i n g Ma t e r i a l s At l an t i c c i t y：AS TM 1 9 4 0 1 1 0 3一 l l l 3 9 L y m a n C G G r o w t h and m o v e m e n t i n P o r t l and c e m e n t c o n c r e t e D L o n d o n ， O x f o r d U n iv e r s i t y P r e s s ， 1 9 3 4 ， 1 1 3 9 1 0 T a z a w a E ， M i y a z a w a S ，K a s a i I n fl u e n c e o f c e m e n t a n d a d - m i x t u re o n a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f c e m e n t p a s t e J c c R ， 1 9 9 5， 2 5( 2 ) ： 2 8 1 2 8 7 沈洋 硅灰对硬化水泥浆体早期收缩的影响 J 建筑材料 学 报， 2 0 0 2 ， 5 ( 4 ) ： 3 7 53 7 8 1 2 E i i c h i T a z a w a ， S h i n gn M i y a z a w & I nflu e n c e o f c e m e n t a n d a d m i x t u re o n a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f c e m e n t p a s t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 2 )： 2 8 3 2 8 7 1 3 巴恒静， 高小建 高性能混凝土早期 自收缩测试方法研究 J 工业建筑 2 0 0 3 ， 3 3 ( 8 ) ： 1 4 1 4 Z h a n g J u n ， H o u D o n g w e i ， H an Y u d o n g M i c re m e c h a n i c a l m o d e l i n g o n a u to g e n o u s a n d d r y i n g s h ri n k a g e s o f c o n c re t e J C o n s t r u c t B u i l d Ma t e r ， 2 0 1 2， 2 9 ( 3 )： 2 3 02 4 0 1 5 J a m e s A n d r e w G il l i l a n ， T h e r m a l a n d S h ri n k a g e E ff ect s i n H i g h P e r f o r m anc e C o n c re t e S t r u c t u re s d u ri n g C o n s t r u c t i o n D ： U n i v e ri ty o f Calg a r y， 2 0 0 0 1 6 E N 1 9 9 2 1 1 E u r o c ode 2 ： D esi g nof c o n c re t e s t r u c tu res ： P a r t 1 1 ： G e n e r a l r u l e s a n d r u l es fo r b u i l d i n g s S 1 7 S M i y a z a w a and E T a z a w a P r e d i c t i o n m ode l fo r s h ri n k age o f c o n c re t e i n c l u d i n g a u t o g e n o u s s h r i n k age J C re e p ， S h r i n k a g e and D u r a b i l i t y Me c h ani c s o f C o n c ret e and o t h e r Q u a s i B ri t t l e Ma t e ri a l s ， e d i t e d b y F 一J Ul m，乙 Ba z a n t and HWi t t ma n n，2 0 01：7 3 57 4 0 1 8 l n y e o p C h u ， S e u n g H ee K w o n E s ti m a ti o n oft e mp e rature e ff e c t s o n a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f c o n c ret e b y a n e w p r e d i c ti o n mod e l J C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 3 5 ： 1 7 1 1 8 2 1 9 钱晓倩， 孟涛， 詹树林 减缩剂对混凝土早期白收缩的影响 J 化学建材， 2 0 0 4 ， ( 4 ) ： 5 0 5 3 2 O 王雪芳， 郑建岚 矿物掺合料对高性能混凝土 自收缩影响 及计算模型研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 ) ： 9 3 9 8 _ 收稿日期 2 0 1 4 0 6- 2 3 作者 简介 成大宝( 1 9 8 9一) ， 女 ， 江苏盐城人 ， 硕士研究 生 ， 从事混凝土早龄期裂缝研究。 ( 上接 第 1 3页) 综合本试验结果及经济效益与实际应用的考虑 ， 当泡沫混凝土作为保温材料或填充材料使用时， 最佳 水胶 比为 O 4 5 0 5 ， 在这 个范 围内 ， 泡沫混 凝土 的于 密度等级可达到 5 0 0级 以上 ， 抗压强度也达到 1 M P a 以上 ， 完全满足工程对泡沫混凝土的要求 。 3结语 水胶 比对泡沫混凝 土 的性 能有 一定 的影响 ， 当水 胶 比过低时， 在泡沫混凝土搅拌及硬化过程中会破坏 一 部分泡沫 ， 而使得混凝土内部的孔隙率低， 干密度 大， 吸水离低 ， 抗压强度大。而水胶 比过大时， 泡沫混 凝土内部的游离水过多， 硬化蒸发后形成连通的孔结 构， 增加混凝土内部的也隙率 ， 干密度小 ， 吸水率大， 但 对泡沫混凝土的强度及耐久性不利。因此， 当泡沫混 凝土用作保温及填充材料时， 建议使用水胶 比为 0 4 5 0 5。 为了使 泡沫混 凝 土更 好更 广 泛 的应 用 于建 筑 工 程中， 还应对泡沫混凝土的其它性能进行深入研究， 主 要包括改性掺料及掺量对各项基本性能的影响、 泡沫 参考文献 李龙珠， 夏永涛， 刘文斌， 等 泡沫混凝土的发展现状及应用 前景 J 商品混凝土， 2 o o 9 ， ( 7 ) ： 2 2 2 3 ， 4 4 才红 ， 刘殿忠 ， 黄伟东 泡沫混凝土力学性能研究方 案的可行 性分析 J 吉林建筑工程学院学报， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 8 1 1 陈兵 ， 刘睫 纤维增强泡沫混凝 土性能试 验研究 J 建 筑材 料学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 3 ) ： 2 8 62 40 范丽龙 基于高性能泡沫混凝土的复合自保温砌块的实验研 究 D 杭州： 浙江工业大学 ， 2 0 1 2 J G T 2 6 6 2 0 1 1 ， 泡沫混凝土 s 李应权 。 朱立德， 李菊丽泡沫混凝土配合比设计 J 徐州工 程学院学报( 自然科学版) ， 2 0 1 1 ， ( 2 ) ： 15 刘文坤 ， 陈宇申， 徐明， 等 再生混凝土 自 保温承重砌块砌体 抗压性能试验研究 J 工业建筑， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 1 ) ： 8 4 8 9 收稿日期 2 0 1 4 一 o 5 1 6 【 作者简介】 郑秀梅( 1 9 7 6 一) ， 女， 黑龙江兰西人， 副教授， 硕 士， 主要从事高性能与智能混凝 土研究 。 11 ；1j = J