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来源：职称驿站所属分类：材料科学论文 发布时间：2011-04-29浏览：156次
摘要：在查阅大量文献的基础上，对高性能混凝土与普通混凝土的特征进行了全面对比，系统归纳了影响高性能混凝土体积稳定性的塑性收缩、温度收缩、化学收缩、自收缩和干燥收缩，总结了高性能混凝土体积稳定性的特点。
关键词：高性能混凝土；体积稳定性；收缩
1高性能混凝土的定义
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理的条件下制成的；除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与高效外加剂，HPC重点保证下列性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济合理性。HPC不仅在性能上对传统混凝土有很大突破，在节约资源、能源、改善劳动条件、经济合理等方面，尤其对环境，有着十分重大的意义，因此是一种可持续发展的绿色材料。
2高性能混凝土的特征
现从特征指标、组成材料、水胶比、微观结构及宏观性能等方面对普通混凝土与高性能混凝土进行分析比较。
2.1普通混凝土与高性能混凝土的特征指标不同
虽然高性能混凝土是在普通混凝土的基础上发展起来的，但二者的特征指标截然不同。普通混凝土是以（抗压）强度作为其最基本的特征，或者说强度是普通混凝土配合比设计和生产需要的唯一指标。而高性能混凝土则以耐久性作为首要指标，同时兼顾强度、工作性和体积稳定性等。
2.2普通混凝土与高性能混凝土的组成材料不同
普通混凝土是传统的四组分混凝土，而高性能混凝土则是六组分混凝土，即在普通混凝土的四组分基础上增加了化学外加剂和矿物掺合料。由于上述两种组分的超叠加效应，使高性能混凝土与普通混凝土相比产生了质的变化。
（l）外加剂的引入使混凝土由于工作性不足而采取高水胶比的措施成为历史。外加剂（尤其是高效减水剂）作为一种表面活性剂解决了低水胶比与工作性的矛盾，它具有高度分散水泥颗粒、消除絮凝结构的作用，也使混凝土的水胶比突破理论水胶比（0.38）的愿望成为现实，甚至能大大低于理论水胶比而不必挂心工作性不良。
（2）高性能混凝土中的掺合料有别于普通混凝土中的掺合料。出于经济和环保的需要在普通混凝土中掺加的掺合料。作为高性能混凝土第六组分的掺合料，是品质优良（硅灰）或经过再加工的工业副产品（粉煤灰或水淬矿渣），其细度一般达到400~800m2/kg，甚至1200m2/kg，因此具有极高的活性。这些超细掺合料在高性能混凝土中的作用主要有：可以代替相当比例的水泥，改善混凝土的体积稳定性；改善了混凝土中粉体集料的级配组成，增加了密实度；能与水泥水化产物中的薄弱结晶臼不邢处发生火山灰反应，形成对强度和耐久性有益的水化硅酸钙凝胶，有抑制有害化学反应的作用。
2.3普通混凝土与高性能混凝土的水胶比不同
普通混凝土与高性能混凝土在耐久性和强度方面的本质区别，源于二者的水胶比不同，其分界为水泥的理论水灰比0.38（或0.4）。普通混凝土为满足工作性需要普遍采用0.4~0.8的水胶比，而高性能混凝土由于加入了高效减水剂使水胶比降低至0.38（或0.4）以下，甚至可以达到0.2或更小。
高性能混凝土由于普遍采用了低水胶比，拌合物内没有多余水分存在，混凝土硬化后毛细孔隙数量大大减少，而且毛细孔的孔径也比普通混凝土的孔径小（一般在10~50nm范围内或更小）。此外超细掺合料的粒径小于水泥颗粒，能填充水泥颗粒之间的空隙，改善了粉体材料之间级配，进一步减少了混凝土中的毛细孔隙数量。上述因素的共同作用，使高性能混凝土形成了致密的微观结构，耐久性和强度明显增加。图1-1是高水胶比和低水胶比在水化开始前及结束后的微结构示意图。
图1-1普通强度和高强度混凝土在水化开始前和结束后的微结构示意图
2.4普通混凝土与高性能混凝土的微观结构不同
从宏观上看，混凝土包括水泥石、粗细集料、微集料（主要指混合材料）、孔隙和水。而从微观上看，水泥石中包含水化产物、未水化水泥颗粒及毛细孔等，水化产物又包含晶体、凝胶和凝胶孔。因此，混凝土是一种具有不同孔隙的多孔体。在这个体系中，毛细孔和凝胶体数量是决定混凝土强度和耐久性的重要因素。
普通混凝土由于水胶比大，使硬化混凝土中毛细孔体积占混凝土总体积的比例高以及界面过渡区的存在，混凝土的密实性差。
高性能混凝土采用低水胶比，硬化后毛细孔数量显著减少，而超细掺合料又改善粉体集料的级配，也能大幅度降低毛细孔数量，使高性能混凝土形成高度致密的微观结构，此外超细掺合料活性大，火山灰反应强烈，消耗掉大量的Ca(OH)2结晶，产生的凝胶体数量多，因此对强度的贡献大，Ca(OH)2的减少相应也提高了高性能混凝土的抗腐蚀性能。
2.5普通混凝土与高性能混凝土的宏观性能不同
混凝土的宏观性能主要包括强度、耐久性及工作性等。普通混凝土因水胶比大、其强度较低（<C50）；耐久性也因毛细孔及集料界面过渡区的存在而难以提高；工作性则维持在塑性混凝土（坍落度≤100mm）基础上。宏观性能的缺陷限制了普通混凝土的应用范围和发展前景。
而高性能混凝土的强度随其水胶比的降低显著提高，目前一般将高性能混凝土的强度下限定在C50，通过合理的配合比设计C100以上的高性能混凝土也已大量应用于工程实践。高性能混凝土耐久性比其高强度更有优势。因毛细孔的减少和粉料的合理级配使其微观结构达到相当致密的状态，外界有害介质很难侵入，即使对遭受海水腐蚀的海上钻井平台和跨海大桥也能达到很高的耐久性。
3高性能混凝土的各种收缩
“收缩”简单地说，就是混凝土失水造成体积缩小的现象。严格地说，它是三维的变形，但通常以线性变形表示，因为多数情况下，混凝土构件一个或两个方向的尺寸往往要比第三个方向小很多，尺寸最大的方向收缩也最大。
混凝土的收缩发生在两个明显的时期：早期和后期。在收缩的这两个时期又分别包含各种类型不同的线性体积改变，这些体积改变能够在试样上得以物理测量，主要包括干燥收缩和自收缩（如图1-2所示），这两种收缩类型都发生在收缩的两个时期。[!--empirenews.page--]
图1-2收缩的两个时期及其包含的收缩类型
正确定义“早期收缩”依赖测量的环境和时间。在这种情况下，早期收缩被定义为从混凝土开始搅拌到24小时所发生的体积改变。早期这段时间包括三个阶段：流动状态阶段、凝结状态阶段（或称之为骨架形成阶段）和硬化状态阶段，针对早期各阶段的时间分隔如图1-3所示。而“后期收缩”是指混凝土搅拌24小时以后硬化状态阶段混凝土的收缩。
在这三个阶段中凝结阶段是混凝土的过渡状态，S.Mindess和J.F.Young把凝结定义为“新拌混凝土刚性的开始”。凝结与硬化不同，硬化描述实用的可测定强度的发展，凝结在硬化之前，但是应当强调两者都是逐渐变化的，这种变化为水泥的不断水化所控制，所以混凝土凝结可以认为是真实的液态与真实刚性状态的过渡。其中初凝大概相当于混凝土凝结阶段的开始，而终凝接近于硬化阶段开始的时间，在初凝以前新拌混凝土将失去一定的塌落度，而终凝之后某一时间将获得适当的强度。
图1-3凝结与硬化过程
混凝土技术的发展，尤其是高效减水剂等外加剂的推广应用，所配制出的水灰比（水胶比）较低而工作度良好的混凝土己不存在困难，这样的混凝土硬化后的微结构密实，孔隙率小，普通混凝土结构的薄弱环节一过渡区一得到显著加强，从而渗透性明显降低，外界水份和侵蚀性介质难以进入，而体内的相对湿度又在较短时间里下降到较低的程度，这是耐久性可以得到很大改善的主要机理。但是另一方面，它们的收缩变形，包括塑性收缩、自身收缩和温度收缩，又使得它们在变形受到约束时容易出现开裂的趋势，尤其是在早期，可能要比普通混凝土大，因而加强养护，特别是初期及时与充分地湿养护，就显的格外重要。
3.1塑性收缩
塑性收缩裂缝是混凝土界关注的技术问题。产生塑性收缩裂缝的根源是塑性收缩。1942年Swayse定义塑性收缩为“水泥浆体积收缩（收缩值的大小是干水泥绝对体积的1%）”，而目前ACI将其定义为“发生在水泥浆、砂浆、灰浆或者混凝土凝结前的收缩”。塑性收缩发生在混凝土（或浆体）处于塑性状态期间，其持续的时间较短，大约l~2小时，开始于混凝土表面光泽消失时，结束于混凝土凝结时。这种由塑性收缩引起的裂缝，即所谓的“塑性收缩裂缝”。
混凝土浇筑成型后初凝前，由于重力作用，粗细骨料及水泥颗粒比重大，产生沉降；水分比重小，上浮至混凝土上表面，产生沁水。水泥净浆上浮至混凝土表面产生外分层，水泥净浆浮至粗骨料下方，产生内分层。
3.2温度收缩
混凝土随温度下降而产生的收缩变形称为温度收缩。温度收缩如果受到限制，就可能导致混凝土开裂。对于大体积的高强混凝土，温度收缩是产生裂缝的原因之一。混凝土中的热量来源于原材料和水泥的水化热，后者是热量的主要来源。与普通混凝土相比，高性能混凝土的水泥用量大，水泥标号高，水化放热速率大，放热量高。实验表明，高性能混凝土在硬化过程中，水化热使混凝土升温较高，在短时间内可升温至60℃~80℃以上，而高强混凝土的导热系数一般约2.50w/m.k左右，内部热量释放较慢。混凝土在升温期间发生膨胀，在降温期间发生收缩。
3.3化学收缩
当水泥和水一接触就立即发生化学反应，水泥的各个组分开始溶解，当水溶液中各离子浓度达到一定程度时，部分水化产物析出，形成能粘结粗细集料的可塑性浆体。随后水化反应继续进行，产生大量的凝胶和结晶产物，与骨料结合在一起使混凝土成为具有很高强度的结构材料。同时，水泥水化后，其水化产物的固相体积Vh增加，但小于水化前水的体积Vwh及水泥的体积Vch之和，即Vh=Vwh+Vch-ΔV，这个现象在1900年首先由LeChatelier发现，所以被称为“LeChatelierConiraetion（收缩）”，亦为化学收缩，也即公式中的ΔV。
表1-1列出了水泥熟料矿物完全水化后不同程度的减缩作用，以及在高性能混凝土中各种掺合料与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应所表现的化学减缩作用。从表1-1中可见，矿渣、粉煤灰、硅灰发生二次水化作用，产生的化学减缩分别为反应前体系总体积的13.34%、16.98%、9.04%。同时，掺合料的二次水化反应降低了溶液中Ca(OH)2的浓度，反过来又起到加速水泥继续水化的作用。
表1-1不同矿物质水化反应前后的体积变化
种类 反应式
各物质质量（g） 密度
（g/cm3） 体系绝对体积（cm3）
反应前反应后 绝对体积变化率（%）
体系固相
水泥 2C3S+6H2O→C3S2H3+3Ca(OH)2
10023.687548.68 3.14
1.00
2.44
2.23 55.53 52.7 -5.33 +65.06
2C2S+4H2O→C3S2H3+Ca(OH)2
10020.9299.4121.51 3.28
1.00
2.44
2.23 51.41 50.39 -1.98 +65.27
3CaO•Al2O3+3(CaSO4•2H2O)+25H2O
100191.17166.7
→3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O
457.87 3.04
2.32
1.00
1.73 282.00 264.66 -6.15 +129.55
3CaO•Al2O3+25H2O
10040.01
→3CaO•Al2O3•6H2O
140.01 3.04
1.00
2.20 72.90 55.56 -23.79 +68.90
矿渣 (CaO+SiO2+Al2O3)+Ca(OH)2+H2O
50351531.3823.99
→C3S2H3+C3AH6
99.7655.65 2.89
2.23
1.00
2.44
2.52 72.66 62.97 -13.34 +29.8
粉煤灰 (SiO2+Al2O3+CaO)+Ca(OH)2+H2O
603010163.1819.09
→C3S2H3+C3AH6
171.02111.31 2.20
2.23[!--empirenews.page--]
1.00
2.44
2.52 137.72 114.26 -16.98 -3.68
硅灰 SiO2+Ca(OH)2→C3S2H3
100184.95284.95 2.20
2.23
2.44 128.39 116.79 -9.04 -9.04
3.4自收缩
密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细管中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自生收缩。混凝土的自收缩现象早在60多年前就由Davis和Lyman提出，当时发现混凝土自身能够收缩，同时质量和温度没有任何变化。从20世纪90年代开始，随着高强混凝土的广泛应用，混凝土的自收缩现象越来越引起人们的关注。在工程实践中，发现高强混凝土、自密实混凝土和大体积混凝土的自收缩现象是非常显著的，比如混凝土在恒温水养的条件下仍然开裂、密封的高强混凝土的抗折强度随着养护龄期的增加而降低等。这些现象不能仅通过冷缩开裂或干缩开裂来解释，而只能通过自收缩来解释。在普通混凝土中，这部分收缩较小，一般为（0.5~1.0）×10-4，比干缩小得多。但是，对高性能混凝土则不同，由于它的水胶比很低，早期强度较高地发展会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而高性能混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，在这种条件下开始产生自生收缩。研究表明，2个月龄期，水胶比为0.4的高性能混凝土自收缩率为1×10-4；水胶比为0.3的高性能混凝土的自收缩率为2×10-4；水胶比为0.17的高性能混凝土的自收缩率为8×10-4。高性能混凝土的总收缩中干缩和自收缩几乎相等，水胶比越低，掺合料越细，自收缩所占比例越大。高性能混凝土自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部微裂缝，若混凝土变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝。
3.5干燥收缩
相对于自收缩而言，混凝土的干燥收缩有一个相当长的发展过程，指混凝土停止养护后，在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝结孔的吸附水而发生的不可逆收缩。严格的讲，干燥收缩应为混凝土在干燥条件下，实测变形扣除相同温度下密封试件的自收缩变形。在普通混凝土中干燥收缩较大，其值在（200~1000）×10-6，而自收缩值较小，约为（20~100）×10-6，后者是前者的1/10左右，所以干燥收缩的试验结果基本上反应了混凝土收缩的大小。但在高强混凝土和高性能混凝土中，干燥收缩和自收缩基本相等。
4高性能混凝土的体积稳定性特点
综上所述，高性能混凝土同普通混凝土相比有以下特点：（l）水泥标号偏高，掺入了大量的高细度矿物掺合料；（2）水胶比小，水泥浆体积的相对含量高；（3）水泥水化快，水化结束得早；（4）水泥石结构密实，总孔隙率降低，毛细孔细化，且界面过渡区消失。由此可见，高性能混凝土具有强度高、密实度大等特点。基于高性能混凝土的上述特点，其体积稳定性也与普通混凝土有显著差别，即：自收缩大，并且主要发生在早期；温度收缩大，并且温度收缩出现的时间提前；水分向周围环境散失而引起的干燥收缩相对来说较小，但其实测值（其中包括部分自收缩值）并不一定小，而且干燥开始的时间愈早，混凝土的这一实测值愈大。由此可以推断，自收缩、干燥收缩与温度收缩是引起高性能混凝土早期开裂的主要原因。这种早期体积稳定性不良的因素与其早期弹性模量增长快、而抗拉强度并无显著提高等力学特点相耦合，造成了高性能混凝土的早期抗裂性差。混凝土的温度收缩及裂缝控制技术已很成熟，有关温度收缩的影响因素、预测模型、温度收缩引起的开裂形式及防治措施等方面的研究很多，可供高性能混凝土研究与应用借鉴。
《高性能混凝土体积稳定性综述》
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文章名称： 高性能混凝土体积稳定性综述
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