摘要 本文分別用CEB-FIP模型和Dliger模型對普通混凝土(C30)和高強(qiáng)混凝土(C60)的干縮率進(jìn)行了預(yù)測，并初步探討了預(yù)測值與試驗(yàn)實(shí)測值的相關(guān)性。結(jié)合孔結(jié)構(gòu)測定（壓汞法）結(jié)果，分析了摻加不同高效減水劑的混凝土的干縮機(jī)理。結(jié)果表明，用CEB-FIP模型預(yù)測普通混凝土的干縮還存在一定的誤差，Dliger模型則可以較好的預(yù)測本試驗(yàn)條件下C60混凝土的干縮率；強(qiáng)度等級不同的混凝土，隨齡期增長，干縮率的變化規(guī)律不同；混凝土干縮率隨小于50nm的孔體積增加而線性增加。
關(guān)鍵詞 混凝土干縮；預(yù)測模型；孔結(jié)構(gòu)；高效減水劑
中圖分類號 TU528
Study on relationship between predictive and real shrinkage of concrete
Abstract: This paper predicts the shrinkage of common concrete and high performance concrete by CEB-FIP model and Dliger model, and discusses the relationship between predictive and real shrinkage. The shrinkage mechanism of cement with different superplasticizer was analyzed by measuring of pore structure and pore size distribution. The results show that, there is a considerable difference between CEB-FIP predictive value and real shrinkage value in this experiment, but Dliger model can predict the shrinkage of C60 concrete much better, and the change regularity of shrinkage of C30 concrete is different from that of C60 concrete. The shrinkage of concrete increases linearly with small pore volume (≤50 nm pore diameter).
Key words: concrete shrinkage; predict models; pore structure; superplasticizer
前言
近年來混凝土技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而混凝土的收縮裂縫仍是一個普遍性的難題。混凝土的干燥收縮是當(dāng)混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔中的吸附水而產(chǎn)生的不可逆收縮。研究表明，混凝土中水泥漿體的量是影響混凝土干縮性能的關(guān)鍵因素，為了排除水泥漿體量變化對干縮性能的影響，必須采用保持配合比不變、只改變減水劑種類和摻量的方法來測定含減水劑混凝土的干縮性能。根據(jù)這一思路，筆者進(jìn)行了多種高效減水劑對C60和C30兩種強(qiáng)度等級的混凝土干縮性能影響的研究。 混凝土內(nèi)水分的損失引起混凝土發(fā)生收縮。而普強(qiáng)度的混凝土，其早期收縮率就相對小的多。
在對混凝土收縮進(jìn)行估算時，需將高性能混凝土和普通強(qiáng)度混凝土分別對待。對高性能混凝土而言，分開考慮早期水化階段收縮和強(qiáng)度發(fā)展階段的干燥收縮十分必要。本文按照國標(biāo)GBJ82-85普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法中混凝土干燥收縮測試的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)要求測定了混凝土從加水時起3天后的干縮。高性能混凝土從加水?dāng)嚢栝_始，最初的24h到3d內(nèi)，水化反應(yīng)十分迅速，水化反應(yīng)需要消耗水，
1 混凝土干縮預(yù)測模型簡介
本文選用CEB-FIP模型和Dilger模型來分別預(yù)測C30和C60兩種強(qiáng)度等級混凝土的收縮性能
(1) CEB-FIP模型
理論上，CEB-FIP(Comite Euro-International du Beton–Federation International de la Precontrainte)預(yù)測收縮模型(1990年建立并使用)對抗壓強(qiáng)度不超過90MPa的混凝土均適用。但在實(shí)際情況中，此模型常用于預(yù)測普通強(qiáng)度混凝土(即抗壓強(qiáng)度低于60MPa)的收縮。
其中βRH：由濕度定義的收縮發(fā)展因子；βsc：與水泥品種有關(guān)的收縮發(fā)展因子，使用普通水泥時，該因子取5，使用快硬水泥和高強(qiáng)(高標(biāo)號)水泥時，取8，配制高性能混凝土?xí)r，因子的取值需仔細(xì)斟酌；ƒc,28：28d混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度，ksi；RH：環(huán)境的相對濕度，%。
(2) Dilger模型
此模型(建于1997年)主要針對的是水膠比0.15到0.40,漿體體積占混凝土總體積的30%左右，使用高效減水劑，以及硅灰摻量5％以上的高性能混凝土。此預(yù)測模型將混凝土的總收縮分為基本收縮(basic shrinkage，即因水化消耗水引發(fā)的收縮)和干燥收縮兩部分。
2 試驗(yàn)原材料與方法
2.1 原材料
水泥：廣州珠江水泥廠生產(chǎn)粵秀牌PⅡ42.5水泥，化學(xué)成分見表2.1。高效減水劑各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2.2。
細(xì)集料：采用級配良好的中砂。
粗集料：增城永和石場生產(chǎn)的碎石，采用兩級配，粒徑在5～10mm和10～20mm之間。
水為潔凈自來水。
2.2 試驗(yàn)方法
按照表3中的試驗(yàn)配合比，參照國標(biāo)GBJ82-85普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法中混凝土干燥收縮測試的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)要求，成型100mm×100mm×515mm棱柱體混凝土試件，進(jìn)行混凝土收縮試驗(yàn)。每組試驗(yàn)的混凝土試件成型工作都在一天完畢，以減少氣候等其它外部條件的干擾。在成型完畢后，立即帶模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)24小時后拆模，繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，標(biāo)養(yǎng)達(dá)三天后（從攪拌混凝土加水時算起）轉(zhuǎn)移至溫度20±2℃、相對濕度60±5%的恒溫恒濕室中，預(yù)置4小時后，用混凝土收縮儀測量其初始長度。然后繼續(xù)在此恒溫恒濕室中養(yǎng)護(hù)，并按規(guī)定時間（1、3、7、14、28、45、60、90、120、150、180天，從移入恒溫恒濕室內(nèi)算起）測其變形讀數(shù)，這樣測試所得的混凝土收縮值實(shí)際即它的干縮值。 混凝土收縮值應(yīng)按式（2.1）計(jì)算。
本文試驗(yàn)選用的C30和C60混凝土的配合比見表2.3，其中高效減水劑摻量為混凝土保持相同坍落度(160mm±10mm)時的摻量。
3 結(jié)果與討論
3.1 混凝土干縮率預(yù)測值與實(shí)測值的關(guān)系研究
本試驗(yàn)用水泥為普通水泥，所以βsc取5，ƒc,28為棱柱體28天抗壓強(qiáng)度取為30×85％＝25.5MPa。代入CEB-FIP模型的式（1.1）～（1.4），得到普通混凝土(C30)的收縮率公式如式（3.1）
本試驗(yàn)C60混凝土水灰比為0.32，ƒc,28取為60×75％＝45MPa，干縮開始的齡期ts取為4。代入Dliger模型的式（1.6）～（1.15），得到高性能混凝土（C60）的收縮率公式為：
圖3.1和圖3.2是摻有不同高效減水劑的C30和C60混凝土干縮率隨齡期變化的曲線。結(jié)合表4和圖3.1可以看出，1號樣即摻加萘系FDN-5L的干縮率7天以前的實(shí)測值小于預(yù)測值，7天后的大于預(yù)測值；2、3、4號樣1天后的收縮率實(shí)測值均大于預(yù)測值；由圖3.2可見，C60混凝土因摻加不同的高效減水劑而表現(xiàn)出不同的規(guī)律：8號樣即FD-19-1的實(shí)測值各齡期均小于預(yù)測值，而5、6、7號樣28天之前的實(shí)測值均小于預(yù)測值，28天以后均大于預(yù)測值。由此我們可以得出，高效減水劑種類對C30混凝土干縮率的影響較大，特別是28天后，干縮率由大到小的順序?yàn)? > 4 > 2 > 1，而對高性能混凝土干縮率的影響不大。
圖3.1和圖3.2是摻有不同高效減水劑的C30和C60混凝土干縮率隨齡期變化的曲線。結(jié)合表4和圖3.1可以看出，1號樣即摻加萘系FDN-5L的干縮率7天以前的實(shí)測值小于預(yù)測值，7天后的大于預(yù)測值；2、3、4號樣1天后的收縮率實(shí)測值均大于預(yù)測值；由圖3.2可見，C60混凝土因摻加不同的高效減水劑而表現(xiàn)出不同的規(guī)律：8號樣即FD-19-1的實(shí)測值各齡期均小于預(yù)測值，而5、6、7號樣28天之前的實(shí)測值均小于預(yù)測值，28天以后均大于預(yù)測值。由此我們可以得出，高效減水劑種類對C30混凝土干縮率的影響較大，特別是28天后，干縮率由大到小的順序?yàn)? > 4 > 2 > 1，而對高性能混凝土干縮率的影響不大。
將各試樣干縮率的實(shí)測值與預(yù)測值進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖3.3和3.4所示：
C30混凝土干縮率實(shí)測值與預(yù)測值的線性擬合方程為：Y=－0.4773＋1.96189X，相關(guān)系數(shù)為0.9933；C60混凝土干縮率實(shí)測值與預(yù)測值的線性擬合方程為：Y=－0.44503＋1.13269X，相關(guān)系數(shù)為0.9883。
由圖3.3和3.4可見，C30混凝土干縮率實(shí)測值與CEB-FIP模型的預(yù)測值的線性擬合方程的相
關(guān)系數(shù)雖然比C60混凝土的高，但是這并不說明兩者的相關(guān)性就好，因?yàn)榉匠痰男甭蕿?.96189遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，也就是干縮率實(shí)測值與CEB-FIP模型的預(yù)測值的相關(guān)性不大，說明用CEB-FIP模型預(yù)測普通混凝土的干縮率還存在一定的誤差，而C60混凝土干縮率實(shí)測值與Dliger模型的預(yù)測值的相關(guān)性良好，斜率接近1，相關(guān)系數(shù)也很高，說明Dliger模型可以較好的預(yù)測本試驗(yàn)條件下C60混凝土1～60天的干縮率。
3.2 C30和C60混凝土收縮率對比研究
圖3.5表示的是C30（1～4#）和C60（5～8#）混凝土1～28天的干縮率實(shí)測值及預(yù)測值。
從圖中可以看出，7天干縮率C60混凝土普遍大于C30混凝土，這主要是因?yàn)镃60混凝土的水灰比比C30的要小的多。以摻加FD-19-1的4#和8#混凝土為例，水灰比為0.32 的C60混凝土1d時的干縮值約為7d時的47.3%，而水灰比為0.55的C60混凝土則只有21.6%。當(dāng)水灰比較小時1d齡期時，水泥水化吸收毛細(xì)孔中的水分，使混凝土內(nèi)部自身相對濕度下降較快，同時孔隙的細(xì)化程度也較高，混凝土的臨界半徑減小，從 而自干燥引起的收縮值也就越大。1d后，混凝土的水化速度逐漸減慢，不同水灰比的混凝土干燥收縮增長速率基本相同。因此，對于高性能混凝土而言，1d 內(nèi)收縮的研究比隨后測到的收縮更為重要，這也是高性能混凝土早期容易產(chǎn)生裂縫的一個重要原因，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)早期裂縫控制，做好混凝土早期養(yǎng)護(hù)工作。
3.3 孔徑分布對干縮性能的影響
將壓汞法得到的各混凝土試樣在干燥7d時 的孔分布進(jìn)行分類，如圖3.6所示。
結(jié)合干縮試驗(yàn)結(jié)果（表3.1和圖3.5）與孔結(jié)構(gòu)分布結(jié)果（圖3.6）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，干縮率隨孔徑≤50nm的毛細(xì)孔體積的增加而增大，即干縮值和孔體積大小都符合1 < 2 < 3 < 4，6 < 5 <7 < 8。楊醫(yī)博和黃國興等認(rèn)為，孔徑范圍為3. 2～25 nm 的小毛細(xì)孔（包括孔徑為10～25 nm的毛細(xì)孔和孔徑為3. 2～10 nm 的凝膠間孔）失水所產(chǎn)生的毛細(xì)管張力完全可能超過混凝土的齡期強(qiáng)度而導(dǎo)致混凝土變形，對體系的收縮有很大影響。由文獻(xiàn)資料[6]知，毛細(xì)管應(yīng)力和分離壓力作用對干縮的影響是最大的。孔徑≤50nm的毛細(xì)孔中的水蒸發(fā)過程中，彎月面的張力變大，對毛細(xì)孔壁作用力隨之變大，半徑小的毛細(xì)孔收縮應(yīng)力大得足以使它收縮，甚至跨塌。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到C30和C60混凝土干縮率S與孔徑≤50nm的孔體積百分?jǐn)?shù)V之間的線性回歸方程為：
C30：S＝-14.7139+0.4658V，相關(guān)系數(shù)為0.96
C60：S＝-135.3716+1.22993V，相關(guān)系數(shù)為0.94
4 結(jié)論
1. 用CEB-FIP模型預(yù)測普通混凝土的干縮率還存在一定的誤差，而Dliger模型可以較好的預(yù)測本試驗(yàn)條件下C60混凝土1～60天的干燥收縮率，相關(guān)性很好。
2. 從1d到7d試驗(yàn)齡期，C60的干縮率普遍大于C30的，而后隨齡期的增長，C30混凝土收縮率逐漸增大，14天時與C60混凝土的基本相同，28天時超過了C60混凝土的干縮率。
3. 混凝干縮率隨孔徑≤50nm的毛細(xì)孔體積的增加而增加。
2. 從1d到7d試驗(yàn)齡期，C60的干縮率普遍大于C30的，而后隨齡期的增長，C30混凝土收縮率逐漸增大，14天時與C60混凝土的基本相同，28天時超過了C60混凝土的干縮率。
3. 混凝干縮率隨孔徑≤50nm的毛細(xì)孔體積的增加而增加。
