混凝土干縮的物理力學(xué)機(jī)制描述
[摘要] 干縮是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分,在后期,干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用,從而加速裂縫的產(chǎn)生?;炷恋母稍锸湛s機(jī)理通常用毛細(xì)孔失水,形成彎月面,在毛細(xì)孔張力的作用下產(chǎn)生收縮。本文采用物理圖解和數(shù)學(xué)推導(dǎo),形象地描述了混凝土干燥收縮的物理力學(xué)機(jī)制。
[關(guān)鍵詞] 干燥收縮;凝膠顆粒;氣液彎月面;毛細(xì)孔張力;孔徑分布
干燥收縮(drying shrinkage) 通常是混凝土停止養(yǎng)護(hù)后,在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮,隨著相對濕度的降低,水泥漿體的干縮增大。干縮主要發(fā)生在澆筑后3~90d 齡期內(nèi),事實(shí)上,文獻(xiàn)[ 1 ]的研究表明,若養(yǎng)護(hù)不好,早期(齡期前3d) 的干縮相當(dāng)大,不可忽視。
干縮是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分,在后期,干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用,從而加速裂縫的產(chǎn)生。一直以來它都是混凝土收縮研究的重點(diǎn),其形成機(jī)理通?;诿?xì)孔理論展開的。對此,本文將結(jié)合作者的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)重新加以闡述,希望寄此能對干縮有更清晰深入的認(rèn)識(shí)。
1 干縮機(jī)理描述
干縮機(jī)理與水泥漿體內(nèi)部孔隙有關(guān)。水泥水化的結(jié)果是生成水化硅酸鈣(C-S-H) 等水化產(chǎn)物及在內(nèi)部形成大量并被水填充的微細(xì)孔( > 5nm 的毛細(xì)孔與0.5~2.5nm 的凝膠孔) ,這些微細(xì)孔中儲(chǔ)存有水化未消耗的多余水分。混凝土干燥的時(shí)候,水的蒸發(fā)速度可能超過混凝土向外泌水遷移的速度,因此,表層毛細(xì)孔中的水面降低,并隨著蒸發(fā)的繼續(xù),水分的失去從表層逐漸向混凝土內(nèi)部不斷發(fā)展,毛細(xì)孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細(xì)孔內(nèi)水分的失去將在孔中產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓,并促使氣液彎月面(meniscus) 的形成,從而對孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力,造成水泥漿體收縮。
這一過程可通過圖1 加以比較清晰的描述。從圖1a 中可以看到,混凝土處于干燥環(huán)境下時(shí),泌出的水分在混凝土表面被蒸發(fā),當(dāng)表層水分的蒸發(fā)較快,內(nèi)部水分遷移來不及補(bǔ)充時(shí),在氣液界面的外表面(氣相) 形成毛細(xì)孔負(fù)壓,即毛細(xì)孔內(nèi)溶液表面蒸汽壓與液壓(水壓) 的壓力差ΔP(圖1c) ,由于這一壓力差的存在,促使凝膠顆粒間產(chǎn)生一個(gè)氣液彎月面。如圖1c 所示,這一彎月面在毛細(xì)孔負(fù)壓與固(凝膠顆粒) 液(毛細(xì)孔水溶液) 界面處的表面張力σ 的共同作用下形成短暫的動(dòng)態(tài)平衡。隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā),內(nèi)部水分向外遷移的速度越來越慢,從而毛細(xì)孔負(fù)壓越來越大,彎月面的受力平衡被打破,導(dǎo)致液面整體不斷下降,這也使得彎月面的曲率隨之增大(曲率半徑即毛細(xì)孔液面處的孔半徑隨之減?。?,固液表面的接觸角隨之減小,使得表面張力的豎向分力增大(圖1b) ,于是彎月面再次受力平衡,如此反復(fù)。
如圖1c 所示,表面張力實(shí)際上構(gòu)成了凝膠顆粒與彎月面之間的作用力與反作用力。凝膠顆粒通過對彎月面提供表面張力σ 使其受力得以平衡,而彎月面則將表面張力σ′ 反作用于凝膠顆粒,根據(jù)力的平衡可知,這一反作用力的合力在數(shù)值上、方向上均與毛細(xì)管負(fù)壓相同,從而促使凝膠顆粒向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。這即所謂的收縮拉力,它是造成水泥漿體收縮的直接驅(qū)動(dòng)力。在垂直向的蒸發(fā)過程中,這一收縮力還與凝膠顆粒的自重疊加,加速漿體的收縮。
2 收縮拉力( 毛細(xì)孔負(fù)壓) 推導(dǎo)
根據(jù)以上干燥機(jī)理分析,收縮拉力σs 也即毛細(xì)孔負(fù)壓,在數(shù)值上應(yīng)該等于表面張力豎向分量的合力。假設(shè)彎月面是球冠形的,則將圖1b 所示的彎月面向水平面垂直投影得到如圖2 所示的受力單元, 其中表面張力取其豎向分量σcosθ, 作用域?yàn)閳D示的陰影部分的單位寬度圓環(huán),而毛細(xì)孔負(fù)壓ΔP 的作用域?yàn)檎麄€(gè)彎月面的投影圓, r 為毛細(xì)孔彎月面處的孔徑。則取圖中角度為dβ的微元,根據(jù)豎向的受力平衡有如下等式成立:
對上式中β角從0 ~ 2π積分得到:
另外,收縮拉力(毛細(xì)孔負(fù)壓) 也可以用孔隙內(nèi)的相對濕度(RH) 來表征。Kelvin 方程給出了如下孔隙相對濕度與孔徑的關(guān)系:
式中: Ф為相對濕度; M 為水的摩爾質(zhì)量(18gPmol) ;ρ為水的密度(1 000kg/m3 ) ; R 為氣體常數(shù)(8.314J/(mol·K) ) ; T 為溫度(K) ; r 為孔半徑(m) 。
上式也可變化為:
于是代入(4) 即可得到毛細(xì)孔負(fù)壓與相對濕度的關(guān)系:
上述理論公式的推導(dǎo)也證明了毛細(xì)管負(fù)壓隨內(nèi)部相對濕度的降低而降低。根據(jù)C. Hua 等對硬化水泥石收縮模型的研究,當(dāng)水泥漿體中內(nèi)部相對濕度由100 %降低到80 %時(shí),毛細(xì)孔負(fù)壓將從0 增加到30MPa 。當(dāng)降至60 %以下時(shí),毛細(xì)孔負(fù)壓將發(fā)展到100MPa 以上。
3 影響干縮的重要因素
從上述分析可以看出,影響干縮的3 個(gè)重要因素是水灰比、水化程度、失水速率,其中前兩者是決定孔隙分布的主要因素。根據(jù)Powers 的研究,水泥完全水化的水灰比在0.42 左右,用水量直接影響孔徑分布與孔隙率,水灰比越高,孔徑與孔隙率也越大。因此,低水灰比混凝土的孔隙水越低,相應(yīng)的干縮也越低,但當(dāng)水灰比過低時(shí)(0.2 < W/C < 0.42) ,有可能產(chǎn)生自干燥( self2desiccation) 收縮。水化程度實(shí)質(zhì)上也反映了齡期與養(yǎng)護(hù)對干縮的影響,在水化后期,由于更多的水成為化學(xué)結(jié)合水,可供遷移的自由水分就越少,因此早期養(yǎng)護(hù)的越好,暴露于空氣中的齡期越晚,干縮越小。失水速率其實(shí)與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān),通常結(jié)構(gòu)表面積與體積的比率越大,水分的散失越快,干縮也越嚴(yán)重,這也是路面板、橋面板、樓面板更容易干縮開裂的原因。此外,在混凝土中,骨料的種類和含量也會(huì)間接地影響混凝土的自由收縮。骨料因?yàn)橄鄬^為穩(wěn)定將阻止?jié){體的收縮,因此骨料粒徑越大、硬度越高,漿骨比越小,干燥時(shí)的自由收縮越小。至于其他因素如化學(xué)外加劑、礦物摻合料、水泥種類等,也會(huì)因?yàn)楦淖兯^程及漿體孔隙的組成而影響混凝土的干縮。
4 結(jié)語
干縮是混凝土收縮最為常見的一種形式,也是目前為止研究最多的一類收縮。它是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分,國內(nèi)外都有相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對此進(jìn)行評估(如ASTM C2157 、ASTM C2341 、GBJ 82285) ,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及混凝土收縮的計(jì)算(收縮裂縫計(jì)算、預(yù)應(yīng)力收縮損失計(jì)算) 大多是基于干縮試驗(yàn)的結(jié)果估算的。此外,目前在收縮方面研究的較為多的自干燥收縮現(xiàn)象,其形成機(jī)理在本質(zhì)上還是干燥收縮,只是失水的方式不同而已。干縮是水分向外界環(huán)境中蒸發(fā)而減少,而自收縮則是水分在水泥顆粒繼續(xù)水化的過程中被內(nèi)部消耗,而失水引起毛細(xì)孔負(fù)壓進(jìn)而導(dǎo)致收縮這一機(jī)理則是相通的。
原作者: 周永元 朱耀臺(tái) 錢曉倩
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