高性能混凝土自收缩机理及预测模型的研究进展.pdf

2 0 1 2 年 第 1 0期 (总 第 2 7 6 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 1 0 0 1 4 高性能混凝土自收缩机理及预测模型的研究进展 曹秀 丽 2 1张红飞 。 ，董 先锋 。刘元寿 ( 1 河海大学 土木与交通学院 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ；2 南京工程学 院 建筑工程学院 ，江苏 南京 2 1 1 1 6 7 ； 3 达华集团北京建标诚和咨询有限公司 南京分公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 0 ；4 中国联合工程公司，浙江 杭州 3 1 0 0 2 2 ； 5 江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 2 8 ) 摘要： 介绍了高性能混凝土 自 收缩的定义与发展， 综合论述了国外各种关于混凝土的自 收缩机理与预测模型， 分析了其各 自的特点、 机理、 适用范围以及各模型间的联系， 并在此基础上提出了一些新见解， 为模型的改进与完善提供了思路。 关键词： 高性能混凝土；自收缩；机理；相对湿度；预测模型； 孔结构 中图分类号 ： T U5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 0 0 0 4 8 0 3 Re vi e w o f me c ha ni s ms a nd pr e di c t i on mod el s of a ut oge nous s hr i n ka ge i n hi gh pe r f o r ma nc e c on c r e t e CAOXi u - l i 1 ,2 ， ZHANGHo n g- f e i 3 , DONGXi a n - f e n g4 , L I UYu a n - s h ou ( 1 S c h o o l o f C i v i l a n dT r ans p o r t a t i o nE n g i n e e ri n g ， H o h a i U n i v e r s i t y ， Na n j i n g2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， N anj i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， N anj i n g 2 1 0 0 6 7 ， C h i n a ； 3 N anj i n g B r a n c h ， B u i l d H o n e s ty a n d C o n s u l t a t i o n L i m i t e d C o m p a n y o f D e h u aGr o u po f B e ij i n g ， Na n j i n g2 1 0 0 0 0 ， C h i n a ； 4 C h i n a Un i t e dE n g in e e r i n gC o r p o r a t i o n， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 2 ， C h i n a ； 5 J i ang s uP r o v i n c eC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n gQu a l i tyT e s t C e n t e r C o ， L t d , Nanj i n g2 1 0 0 2 8 ， C h i n a ) Abs t r act：T h e d e fin i t i o n a n d n e w p r o g r e s s o f a u t o g e n o u s s h r i n k a g e i n h i g h p e r f o r manc e c o n c r e t e we r e i n t r o d u c e d b rie fly， f o u r a u t o g e n o u s me c h ani s ms andmo d e l s o f c e m n e t - b a s e dma t e r a i s w e r e c o l l e c t e d T h e c a h r a c t e r i s t i c s ， me c h ani s ms ， a p p l i c a b i l ty andt h e r e l a t i o n s h i pb e twe e nt h e s e mo d e l s we r e r e s p e c t i v e l y a n a l y z e d S o me n e w o p i ni o n s t h a t c o u l d i mp r o v e t h e mo d e l s were p r o p o s e d o n the ana l y z i n g K e y wo r d s ： h i p e r f o r man c e c o n c r e t e ； a u t o g e n o u s s h r i n k a g e ； me c h ani s m； r e l a t i v e h u mu d i t y； p r e d i c t i o n mo d e l ； p o r e s t r u c t u r e 0 引言 在商 能混凝土中， 由于水灰比较低( O 2 0 - 4 ) 3 5 ) 且添加了硅 粉等矿物掺合料， 导致水泥浆体的内部相对湿度在水化反应早期 会有较大的下降u 。 此时就会发生白干燥现象( s e l f - d e s i c c a t i o n ) ， 且 混凝土发生收缩。 如果这种白干燥收缩受到约束产生的收缩应力 小于混凝土此时的抗拉强度， 那么就会引起结构物的早期开裂2 。 AM N e v i l l e t3 认为当混凝土的水灰比低于 0 4 2时， 混凝土 就需要额外的水来保证水化反应的充分进行， 此时早期的 自收 缩变形就较为明显。 E E H o l t t4 J 通过试验验证了他的观点 ， 当混 凝土的水灰比低于 0 3 0时， 自收缩变形值会达到2 0 0 - 4 0 0 微应 变， 且其 自收缩变形会达到总收缩值的一半。 但作为一新兴领域， 研究仍处在起步阶段 ， 尤其是关于早期 自收缩的机理及预测模 型的研究比较少， 至今仍没有一个公认的模型。 本研究对当前国 外学者提出的自收缩机理与预测模型进行总结与评述， 以便促 进相关 自收缩抑制与控制开裂方面研究的进行 ， 为结构裂缝控 制提供参考。 1 自收缩的形成机 理概述 混凝土自收缩的机理比较复杂， 目前达成共识的是认为混 凝土 自收缩源 自于内部的水分迁移和物理化学变化。 通常认 为， 混凝土收缩很难用单一机制可以解释清楚 ， 而是多种原因 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 4 1 4 48 重叠交错造成的， 不同情况下不同机制分别起主导作用。 有如下 4种机理 ： 1 1 毛 细孔张 力 T C P o we r s ts 首先提出毛细管张力学说， 认为混凝土的白收 缩变形与白干燥过程中毛细孔的水弯液面的形成有关， 毛细孔 水的水面是向内弯曲的， 孑 L 径愈细， 水面曲率越大。 毛细孔水蒸 发后， 由饱和变为不饱和， 内部相对湿度开始低于 1 0 0 ， 弯液 面后退的过程中， 曲率也随着增大。 由于表面张力作用， 毛细孑 L 水面对下面的水可产生牵引效应， 使空内产生负压 ， 孔壁靠紧， 混凝土处于不断增强的压缩状态 ， 宏观体积缩小。 毛细孔压力与相对湿度的关系可以用 Ke l v i n等式来表示： P： ! f 1 )1 式中； R气体常数； 开 氏温标表示的温度 ； 水的分子模量。 T C P o we r s 6 1 将 Ke l v i n等式与 L a p l a c e等式结合来阐明毛 细孔弯液面的曲率半径与相对湿度的关系， 如式( 2 ) 所示： ln ( R H )- ln = ( 2 ) 式中： 孔隙内液体的表面张力 ； r孔隙弯液面的曲率半径。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式 ( 2 ) 常被称为 K e l v i n L a p l a c e 等式 。 Vi s s e r J H I V I F 0 认为毛细孔张力机理只适用于毛细孔隙水体 系连续的情况下， I s h i d a t 指出适用的内部相对湿度 R H在 4 0 以上， F H Wi t t ma n n m 认为毛细孔张力在 R H范围为 5 O 1 O O 起 主要作用， 而 F e l d ma n R 则认为适用的R H范围是 3 5 1 0 0 o 。 毛细管应力在相对湿度小于 4 0 o 0 , ,4 5 后可能不再存在 ， 因为这 时弯月面不再稳定存在。 所以， 这种机理难以回答相对湿度很低 时收缩的产生机理。 1 2表 面张 力 表面张力机理认为各种物质的表面分子或原子与内部相 比处在高能量状态 ， 这是由于表面分子间束缚力不平衡造成的 。这种能量差异在物体表面产生表面张力， 相当于在固体物体上 施加静水压力。 环境湿度变化时，吸附水从水泥凝胶体上脱离， 表面张力就要增加， 胶粒被压缩从而引起固体颗粒体积变化。 F H Wi t t ma n n t 指出， 由于水泥凝胶颗粒的比表面积较大， 表面张力引起的压应力甚至可以达到 2 5 0V l P a 。 相对湿度降低 时， 表面张力的减少量可以用式( 3 ) 来表示： ， P A y = Y o T = R T f F d 1 n ( P ) ( 3 ) J U 式中： ，某一蒸汽压 P下的吸附层的厚度。 K o n e r d e r s AB 指出， 由于只有物理吸附水才会导致的表面 张力的变化， 所以此机理只适用于低相对湿度时。 F HWi t t r n a n n m l 也指出， 表面张力机理的适用范围为相对湿度 5 o 5 O 。 1 3拆散 压 力 分离压力定义为粒子间范德华引力和层间排斥力的合力。 Vi s s e r M【 认为 ， 在一定状态的系统中， 相邻固体粒子间有一 定厚度的水分子层， 会使相邻粒子之间产生排斥力。 由于吸附水 分子层的厚度依赖于系统中相对湿度， 当系统相对湿度下降时， 吸附水分子层的厚度减小， 相应层间排斥力减小， C S H固体粒 子在范德华力的作用下距离变小而产生收缩。 而 T C P o we r s 1 认为拆散压力 的形成是 由于两个 C S H 颗粒形成锥状接触时， 内部吸附力与毛细孔压力平衡的结果。 T C P 0 w e r s 日 认为此机理在任何湿度范围内均适用 ， Mu n i c h 则认为其适用的相对湿度范围为 5 0 一 1 0 0 ， 而 F e l d ma n R F ， S e r e d a 则认为此机理不能用于解释收缩的形成。 1 4层 间水 的移动 水泥凝胶体颗粒 C S H是层状结构的， Mu n i c h m 】认为在相 对湿度变化时， 层间空间内水分子的可逆运动会导致层间空间 的体积变化进而引起宏观的体积变化。 t 】 k ， Tr L、I、 r H 2 自收缩的预测模 型综述 R H低于3 5 4 0 。 2 1 C Hu a ， A Er l a c h e r 模 型 C Hu a ， A E r l a c h e r t “ 】 提出了基于宏观尺度的自收缩预测模 型。 模型中引入了毛细孔压力引起的宏观应力， 并将其考虑进材 料的黏弹性性能中。 硬化混凝土被认为是黏弹性的连续介质， 可以用徐变函数 式( 4 ) 来表征其黏弹性： ) ) ( 4 ) 式中： ( ) 、 ( t ) 、 b ( t ) 经验常数， 可以通过一系列相关试 验来得到。 收缩应变的计算用式 ( 5 ) 计算 ： s ( t ) = l ) 1 一 d ( ) ( 5 ) 式( 7 ) 中( ) 可 以 用 式( 6 ) 计 算 得到： ) 妒 (- 孚)P ( 6 ) 式中： 孔隙内液体的表面张力； r弯液面的曲率半径 ； 尸 孔 隙率。 C H u a t “ 】 还通过试验发现预测结果与试验值吻合 良好 ， 他 还指出， 水泥浆体的黏性效应不能忽视， 且通过试验结果可以 进一步证实毛细孔隙力是导致 自收缩的主要驱动因素。 2 2 C Hu a ， A E r l a c h e r 模 型 CHu a ， AE r l a c h e r t 还基于微观尺度提出了自收缩的预测 模型。 模型中， 自收缩的初始阶段定义为凝结时间时， 此时材料 形成固相结构并可以承受毛细孔力的作用。 为了简化模型 ， 假 设所有的水泥颗粒是球形与同样大小 ， 且水化物的空间分布与 时间有关。 模型中认为从微观尺度说 ， 材料由3个组分组成 ： 无水水 泥、 水、 水化产物。 无水水泥被认为是弹性与各向同性体， 水化 物的黏性用 Z e n e r 流变模型来表征。 水化物 的体积采 用 T C P o we r s 模 型的结果 ， 用式 ( 7 ) 来计 算 ， 并认为凝胶孔隙率为 2 8 。 ( ) = 2 1 5 6 V d I ( t ) ( 7 ) 基于上述微观结构的计算和假设， 可以得到用于宏观计算 模型的参数， 进而得到自收缩预测值。 虽然模型的参数多基于假 设 ， 但是从试验与预测结果的比较可以发现 ， 模型得到的预测 值能较好的吻合试验结果值。 2 _ 3 E AB Ko e md e r s ， K v a n B r e u g e l 模 型 E A BKo e md e r s ， Kv a l l B r e u g e l t 基于热动力学原理提出 了自收缩的预测模型， 该模型实质上是 Kv a n B r e u g e l 的微观结 构模型 H YMO S T R UC模型的延伸。 该模型中认为表面张力的 变化是导致 自收缩产生的主要驱动因素。 毛细孔径分布模型用式( 8 ) 来表示： V P ( d ) = l n ( d d o ) ( 8 ) 式中： P ( d ) 孔径d的毛细孔的体积； 毛细孔的最小孔径值； 。 常数， 反映孔径与孔体积的关系。 由于模型中认为毛细孔在自收缩变形中其主导作用， 这样 被认为是 0 0 0 2 tz m， 为毛细孔径与凝胶孔径的临界值。 表面张力的变化引起的长度变化可以由 a a n g h a l n式子来 表示， 如式( 9 ) 所示 ： A I I = A A y ( 9 ) K o n e r d e r s A B 提出， 胶凝材料体系中比例因子 A可以由 式 ( 1 0 ) 得 出 ： A = ( 1 O ) 3 E 式中： 有水孔隙的孔隙壁面积的和； p 密度； E 材料的弹性模量。 虽然其试验结果显示模型的预测效果良好， 但其用 a a n g h a m 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公式来计算 自收缩值是值得推敲的。 正如前面阐述收缩机理 中提到的， 混凝土一般白干燥后内部相对湿度不会低于 7 5 ， 而 B a n g h a m公式的适用范围是相对湿度低于 4 0 。 2 4 I s h i d a 模 型 I s h i d a t 4 1 基于混凝土孔中水的物理力学特性提出了自收缩 预测模型。 模型认为毛细孔张力是混凝土 自收缩的主要驱动因 素。 材料的力学性能随时间的变化通过分析水化， 水分迁移， 孔 结构的发展的共同作用得出。 孔被分为三类： 层间孔隙、 凝胶孔隙、 毛细孔隙， 模型中孔 径分布用式( 1 1 ) 来表示： 咖 ( r ) = r g l e x p ( 一 B g r ) + 。 1 一 e x p ( - B 。 r ) ) ( 1 1 ) 式 中： r 孔 径 ； B 、 分布参数。 对应的是孔径分布对数曲线上的两个峰值点。 层间水的吸 附解吸附特征是基于 F e l d ma n S e r e d a 层间水模型得到的。 模型中， 毛细孔应力的计算引入了面积系数A。 ( 定义为单 位体积内的含水量) 。 毛细孔应力由式( 1 2 ) 得到： , - A ( 1 2 ) r 目 混凝土的力学性能在早期是非线性的。 在模型中， 笔者引入 了有效弹性模量( E) 来用于计算宏观 的 自收缩变形 ： 8 - s ( 1 3 ) I s h i d a t 4 1 在文中还相应的进行了数个 自收缩测量试验来验 证模型的适用性， 结果表明该模型能较好的预测 自收缩变形。 3结 论 对混凝土自收缩的机理及预测模型进行了总结与分析， 可 以得到以下结论 ： ( 1 ) 目前对于 自收缩的机理研究者尚未达成统一 ， 仍有待 进一步的研究与探讨。 大多数研究者认为相对湿度超过 4 0 时 的自收缩可用毛细孔张力机理来解释， 而相对湿度低于4 0 时 的自收缩变形则可以用层间水的移动来解释。 ( 2 ) 目前尚无适用性广泛的能够精确描述混凝土早期的自 收缩模型， 因此要在科学的分析 自收缩产生机理的基础上， 采用 试验与理论相结合的方法， 以建立合理的自收缩模型。 参考文献 ： 1 】J E N S E N O M， HA B S E N P F A u t o g e n o u s d e f o r ma t i o n a n d c h a n g e o f t h e r e l a t i v e h u mi d i t y i n s i l i c a f u m e - mo d i fi e d c e m e n t p a s t e 叨 A C I Ma t e r i als J o u r n a l 9 3 6， 1 9 9 6 ( 6 ) ： 5 3 9 5 4 3 2 】WE B E R S ， R E I N HA R D T H W A n e w g e n e r a t i o n o f h i g h p e rf o r manc e c o n c r e t e ： c o n c r e t e w i t h a u t o g e n o u s c u ri n g J A d v anc e d C e m e n t B a s e d Ma t e ri als ， 1 9 9 7 ( 6 ) ： 5 9 6 8 3 】NE V I L L E A M， A I T C I N P C H i g h p e rf o r m anc e c o n c r e t e - A n o v e r v i e w J Ma t e r i als a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ( 3 3 ) ： 1 1 1 一 l 1 7 【 4 】HO L T E EE a r l y a g e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f c o n c r e t e M VI t I P u b l i - c a t i o n 4 46， Te c h n i c a l Re s e arc h Ce n t e r o f F i n l a n d， 2 oo 1 5 】P O WE R S T C， B R O WN Y AR D T L S t u d y o f p h s i e al p r o p e r t i e s o f h a r d - e n e d p o r t l and c e me n t p a s t e J J o u r n a l o f A m e r i c a C o n c r e t e S o c i e t y， 1 9 4 7 ( 8 ) ： 6 7 8 7 6 】P O WE RS T C I Ih e t h e rm o d y n a mi c s o f v o l u me c h a n g e a n d c r e e p J Ma - t e r i als an d S t r u c t u r e s ， 1 9 6 8： 44 3 4 6 3 f 7 1 VI S S E R J H M E x t e n s i l e h y d r a u l i c f r a c t u ri n g o f s a t u r a t e d ) p o r o u s m a t e - ri a l s D P h D T h e s i s ， D e l f t U n i v e r s it y ， t h e N e t h e r l and s 【 8 WI T r MA NN F H S u rf a c e t e n s i o n ， s h ri n k a g e a n d s t r e n g t h o f h ard e n e d c e me n t p a s t e J Ma t e ri a l s and S t r u c t u r e s ， 1 9 7 8 ， 1 ( 6 ) ： 5 4 7 5 5 2 9 】F E L DMA N R F， S E R E D A P J A m o d e l o f h y d r a t e d p o r tl and c e m e n t p a s t e a s d e d u c e d f r o m s o r p t i o n l e n g t h c h an g e a n d me c h an i c a l p r o p e r - t i e s J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 6 8 ， 7 ( 1 1 ) ： 5 0 9 5 1 9 1 0 KO N E R D E R S A B， V A N B r e g u e l KMode l i n g d i m e n s i o n al c h a n g e s i n l o ww a t e r e e me n t r a t i o p a s t e s J C e me n t a n dC o n c r e t eR e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 1 1 ( 8 ) ： 2 3 1 - 2 4 0 1 1 H U A C， E HR L AC HE R A， AC K E R P A n a l y s i s and mo d e l s o f t h e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f h ard e n i n g c e mn e n t p a s t e： I Mode l i n g a t ma c r o s c o p - i c s c ale J 1 C e me n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 4 5 7 1 4 6 8 1 2 H U A C， E HR L AC HE R A， AC K E R P A n al y s i s a n d mo d e l s o f t h e a u t o - g e n o u s s h rin k a g e o f ha r d e n i n g c e mn e n t p ast e： 1 1 Mo d e l i n g a t ma e ms c o p i e s c a l e J C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 4 5 7 - 1 4 6 8 1 3 K 0 N E R DE R S A B， V A N B R E G U E L K N u m e r i c al mo d e l i n g o f a u t o g e - n o u s s h ri n k a g e o f h ard e n i n g c e me n t p ast e 1 C e me n t and C o n c r e t e R e - s e arc h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 4 8 9 1 4 9 9 1 4 I S H I D A T， C H A U B E R P ， K I S H I T， e t a 1 Mi c r o p h y s i c a l a p p r o a c h t o c o u p l e d a u t o g e n o u s a n d d r y i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e C P r o c e e d i n g s o f I n t e r n Wo r k s h o p 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 r e t e ， J C I ， J u n e 1 3 - 1 4 ， Hi r o s h i ma， J a p an ： 3 01 -3 1 2 作者简介 联系地址 ： 联系电话： 曹秀丽( 1 9 8 0 ) ， 女， 博士研究生， 研究方向： 水泥基材料性 能研究。 南京工程学院建筑工程学院( 2 1 1 1 6 7 ) 1 3 7 7 0 9 7 7 4 7 7 l ， l ll l l l ll I I l m m m m m。m、 ， ， ， 、 欢 迎 订 阅 2 O1 3年 混 凝 土 杂 志 ( 月 刊 ) ： ： 混凝土 杂志创刊于 1 9 7 9 年 ， 是全国中文核心期刊 ， 国际标准连续出版物号为 I S S N1 0 0 2 - 3 5 5 0 。 全国各地邮局 ： 2中国核心期刊( 遴选) 数据库、 万方数据库、 中国科学引文 均可订阅， 定价每期 1 5 0 0 元， 全年定价 1 8 0 0 0 元， 邮发代 ： 数据库 、 美国化学文摘( c A) 及剑桥科学文摘( 工程技术 ) 号为 8 - 1 1 0 ； 读者也可直接汇款到本编辑部订阅( 每期 杂 2统计源期刊， 中国建筑业协会混凝土分会会刊。由中 华人 志另收邮费2 O 0 元， 如需挂号每期另收邮费和挂号费 ： ：民共和 国建设部主管 ，中国建筑东北设计研究院有限公 5 O 0 元 ) 。 ：司 、 中国建筑业协会混凝土分会主办 。主要报道与混凝土 本刊地址 ： 沈 阳市和平区光荣街 6 5 号 ； ：专业有关的科研、 设计、 生产、 施工等内容， 以加强科技指 邮 编： 1 1 0 0 0 6 ： 导 ， 交流行业信息， 促进行业科技进步为宗 旨。 电 话 ： 0 2 4 6 2 1 2 3 8 6 5 8 3 8 6 0 4 4 9 2 杂志为大 1 6 开本， 彩色胶版印刷， 每月2 7 E l 出 传 真： 0 2 4 8 3 8 6 0 4 4 9 ； ：版， 国内外发彳 亍 。 国内统 | 一连续出版物号为C N 2 1 - 1 2 5 9 T U， E - m a il ： h n t b j b v i p 1 6 3 C O B ： 。 lI I t Il l lI I t ll I ll I I tl l II t t I l I。 。 I II I t ll I I I l t l lI t I l l l l 。 I l I I Il t t tt I t I I II l lI I I I I l 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m