收縮對高強混凝土短期變形行為的影響

劉曄琴

(呂梁高速公路有限公司，山西呂梁 033000)

0 引言

高強度材料的應用越來越普遍，導致長跨度小剛度的混凝土結構體頻繁變形，已經將其作為標準設計的重要考慮因素。外部負載，環境條件，以及有害反應可能會導致在結構體中產生應力。對于高強混凝土結構，本身抗斷裂應力能力低，內應力因素通常會導致其龜裂，并降低其結構耐久性。混凝土收縮的抑制對高強混凝土結構的開裂和變形有重要的作用，但是經常被忽視。在一般實踐中，蠕動收縮［1-3］是在預加應力的損失或長期的變形分析中經常被考慮。然而，即使在第一次加載，無收縮混凝土的應變程度可能是遠遠超過了開裂應變。由于鋼筋或特殊性結構體系的制約作用，混凝土的收縮引起應力可能會顯著降低抗裂性和提高高強混凝土構件的變形。由于這種影響效果通常被忽視，因此，利用傳統的本構物理模型［4］預測短期變形和裂縫寬度可能產生錯誤。

早在20世紀下半葉，斯坎倫和其他研究人員在研究鋼筋混凝土的變形行為的實驗中就指出收縮影響的重要性。由于第一次嘗試評估鋼筋混凝土結構設計中的收縮效果，調查主要從兩個獨立的方面進行。一方面，收縮被認為是混凝土的材料屬性。材料科學家認為混凝土中混合物的組合物和化學添加劑對收縮變形起著重要的作用，忽略結構性問題。另一方面，結構的研究，認為對結構行為的收縮對整體收縮起關鍵的作用，主要摒棄了經驗公式中所涉及的簡單開裂和變形分析中拉伸或彎曲應力的影響。

1 混凝土的收縮

混凝土的收縮即隨著時間的延長混凝土體積減小。收縮效應可以看作是一個復雜的物理現象，涉及幾個過程:水泥水化形成內結構，物理機械性能的變化，水分的運輸。收縮變形的四個主要來源是塑性收縮，自體收縮，碳化收縮和干燥收縮。

1)塑性收縮即水分從混凝土內部結構散失到周圍環境中。

2)自體收縮是混凝土的最早期收縮，水從毛細管孔損失和水化引起而不含水的環境損失。在較低的水灰比(W/C)或較高的水泥含量情況下，自體收縮增加明顯。自體收縮發生主要是由兩個因素引起的，第一是化學反應，即在混凝土中內部水發生水化反應而體積減小，第二是自干燥(水的內部消耗)作用，水分顯著減少(0.2 ＜W/C ＜0.42)。

3)碳化收縮是由各種水泥水化產物與環境中的二氧化碳發生化學反應引起的。

4)干燥收縮是由于水分在混凝土硬化過程中的損失，進而導致了體積變化。為了使內部與外界環境濕度達到平衡，所以內部水分在毛細管壓力的作用下，從內部流動到外表面而導致干燥收縮。由于混凝土較薄的結構(具有較高的表面積與體積比)中水的快速損耗，因此干燥收縮相比其他上述因素可能成為最顯著的因素。

一般情況下，干燥收縮和自體收縮在混凝土收縮中起著重要的作用，是兩個主要組成部分。雖然自體收縮在20世紀初進行了相關報道，但是對于其對結構性能的影響被忽略，被認為只有在水灰比高的情況下才更加明顯。當鋼筋在低水灰比的高強度混凝土(HSC)結構應用條件下，自收縮才開始引起了關注。對于普通強度混凝土，自收縮作用不太明顯，不必區分自體收縮和干燥收縮，可以認為隨時間均勻收縮。在高強混凝土中，自體和干燥收縮應加以區別，因為這些收縮不同的時間段將顯著不同。

有些學者指出影響收縮的最實質的因素是水灰比。另外，收縮還取決于該混合物的比例，聚合性能，固化的方法，環境溫度和濕度條件。影響收縮的其他因素包括:

1)水泥的特性。在研磨過程中，加入到熟料中石膏的比例對混凝土收縮有關鍵作用。

2)粘土狀骨料將增加干燥收縮。

3)集料的種類，高吸水性的集料將增加變形收縮率。

4)干燥收縮率正比于集料的絕對體積。收縮率與單位水含量存在一定的關系。尺寸較小的集料，需要更多的水分，收縮率增加。

5)在混合過程中，混凝土溫度的提高將增加收縮率以確保水的需求的供應。

6)有些化學外加劑如水緩凝劑可能會顯著提高干燥收縮。

電網信息化水平評價體系建設過程主要包括評價體系框架設計、評價體系指標設計、評價指標權重設計和評價指標評分標準設計四個環節，最終研究制定一套切實可行的電網信息化水平評價指標體系。具體原則如下：

集料的變形特性也對混凝土的干燥收縮影響顯著。已經報道，如果增加集料的變形性能，收縮率會增加2.5倍。不同于干燥變形，自收縮的變形特性實際上不依賴于粗骨料，只要粗骨料體積不變，其種類對自收縮的影響非常小。

收縮引起的應力可能是難以量化的，由于松弛效應，不等于彈性應力。雖然應力松弛類似于蠕變，蠕變可以被看作在恒定負荷下隨時間變化的變形，而應力松弛指恒定的變形條件下，應力逐漸減小。

2 減小收縮對混凝土的變形影響

正如上述指出的，收縮的幅度取決于混凝土配合比和材料特性，固化的方法，環境溫度，濕度條件及構件的幾何形狀。克勞斯認為，若集料的彈性模量低、熱膨脹系數低、熱導率高，將減小收縮應力和熱應力。高彈性模量的集料將增加混凝土的彈性模量，從而減小干燥收縮變形。

Miller報道了提高橋梁結構的抗裂性的建議，通過以下措施可降低收縮效應:

1)通過增加減少水泥的量，比如骨料粒徑。

2)使用緩凝劑(例如飛灰)，從而降低了需水量和水化溫度。

3)確保澆筑和混凝土養護質量。

4)減小水與水泥之比。

5)添加收縮補償外加劑。

收縮引起的裂縫擴展可以通過減小變形的結構性限制得到控制。具體可以在設計階段通過減少結構間距來實現。利用飽和輕質骨料替代部分砂進而釋放更多的水和水泥水化，減少了內部干燥。

羅素提供了一些做法可減少鋼筋混凝土橋梁的甲板開裂:

1)減少橫向桿尺寸和間距;

2)降低混凝土強度;

3)盡量減少預制混凝土表面蒸發;

4)完成表面后立即應用濕固化方法;

5)應用濕固化后的固化化合物。

延長固化時間可以降低滲透性，導致了水泥水化更充分，減少游離水含量和收縮。此外，在收縮開始時增加拉伸強度，提高抗裂性。其中提高鋼筋混凝土結構的耐久性的最好方法之一是將纖維作為添加劑。已經證明，在混凝土中應用纖維能夠降低收縮混凝土的變形。與普通混凝土相比，摻雜了1%纖維的高強混凝土其收縮率減少了10%［5］。研究還發現，收縮率的減少不僅依賴于強度而且還與纖維形狀有關。另外，摻雜0.5%纖維(按體積計)可以降低90%裂縫寬度。纖維增強穩定增長的有效性隨著纖維含量從0.3%增加到1.0%，若超過一定限制，纖維的有效性降低［6，7］。

3 結語

混凝土收縮和蠕變對抗裂性和結構變形有重要的影響。為了提高高強混凝土的養護性能，在設計階段可注意以下幾個方面的問題:

1)混凝土配合比;2)集料的機械性能;3)固化的方法;4)環境溫度和濕度條件;5)結構體的幾何形狀。

為了減輕高強混凝土中裂紋的發展，可以減少水泥含量或用膨脹的粘合劑代替它，使用具有較高的彈性模量的集料，在滿足和易性的要求情況下盡量減少水灰比。減少混凝土內部結構約束和增加纖維的應用，降低加強體的彈性模量，從而減小收縮引起的開裂。

［1］姜永東，鮮學福.巷道巖體蠕變斷裂失穩區預測研究［J］.巖土工程學報，2008，30(6)：906-910.

［2］黃炳香.溫度影響下北山花崗巖蠕變斷裂特性研究［J］.巖土力學，2006，24(S2)：203-206.

［3］楊挺青.含裂紋體蠕變斷裂理論及其應用研究［J］.力學進展，1999，29(2)：178-183.

［4］王正東.蠕變斷裂局部損傷方法的有限元模型［J］.材料工程，1998(4)：6-8.

［5］Gribniak V，Kaklauskas G，Bacinskas D，et al.Investigation of shrinkage of concrete mixtures used for bridge construction in Lithuania.Baltic J Road Bridge Eng，2011(6)：77-83.

［6］Beygi MHA，Kazemi MT，Nikbin IM，et al.The effect of water to cement ratio on fracture parameters and brittleness of self-compacting concrete.Mater Des，2013(50)：267-276.

［7］Gribniak V，Kaklauskas G，Kwan AKH，et al.Deriving stressstrain relationships for steel fibre concrete in tension from tests of beams with ordinary reinforcement.Eng Struct，2012(42)：387-395.