養(yǎng)護環(huán)境對混凝土早期收縮性能的影響

竇國競，張 雷，王中林，劉志偉，王志華

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

0 研究背景

混凝土具有許多優(yōu)良特性，包括容易成型、強度大以及耐久性等，這些特性使其在水利水電工程和土木工程中廣泛應(yīng)用，成為耗量最大的一類建筑材料。而大型建筑設(shè)施置于西部地區(qū)或是高緯度地區(qū)，以及海洋環(huán)境中時，凍融和鹽侵蝕也會侵蝕混凝土，惡劣環(huán)境下施工及養(yǎng)護問題也尤為突出，這些不利條件對混凝土使用壽命造成巨大影響[1-3]。所以，現(xiàn)在首要的問題就是增強混凝土耐久性以及提升混凝土質(zhì)量。

收縮是引起混凝土開裂的起始原因，除此之外，徐變、彈性模量、抗拉強度這些因素也會促使混凝土開裂。高性能混凝土需要用的膠凝材料比低性能混凝土多，它的水膠比低于其他類型的混凝土，因此內(nèi)部水分缺失，導(dǎo)致混凝土較大的自收縮[4]；干燥環(huán)境下混凝土內(nèi)部水分也會持續(xù)損耗，導(dǎo)致干燥收縮的發(fā)生；普通混凝土的收縮變形只有高性能混凝土的二分之一，因此高性能混凝土在早期發(fā)生較大的收縮[5]。混凝土早期開裂會產(chǎn)生較多工程問題，人們對混凝土的裂縫防治更加關(guān)注，而養(yǎng)護環(huán)境對混凝土收縮性能的影響尤為突出，故本文研究了不同溫濕度條件下混凝土早期收縮性能變化規(guī)律，為制定防縮措施提供理論依據(jù)。

1 試驗內(nèi)容及方法

1.1 原材料

試驗中使用的膠凝材料為新鄉(xiāng)市新星水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）要求，其參數(shù)見表1；試驗選用粒徑為5～10 mm、10～20 mm的單級配玄武巖碎石作為粗集料原材料，混合后滿足《建設(shè)用碎石、卵石》（GB/T 14685—2011）5～20 mm連續(xù)級配要求，如表2所示；試驗細(xì)集料選擇廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司按照GB/T 17671—1999生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂，砂子的級配滿足《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）要求；水為自來水。

表1 水泥物理和力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 粗骨料級配Table 2 Grading of coarse aggregate

1.2 配合比

試驗用混凝土配合比如表3所示，強度等級為C30。

表3 混凝土配合比Table 3 Proportions of concrete mix

1.3 試驗方案

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T 50082—2009），采用接觸法-立式混凝土收縮儀測定混凝土收縮性能，試驗裝置見圖1。試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。澆筑完成后在溫度（20±2）℃、相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護。帶模養(yǎng)護1 d后，取出試塊并置于環(huán)境模擬箱中進行測量，為獲得更加直觀全面的規(guī)律圖，采用實時采集數(shù)據(jù)數(shù)字式千分表，并通過計算機程序同步記錄，采集頻率為10 min。溫濕度環(huán)境模擬箱設(shè)定的環(huán)境參數(shù)如表4所示。

圖1 收縮試驗裝置Fig.1 Apparatus for shrinkage test

表4 混凝土收縮試驗養(yǎng)護環(huán)境參數(shù)Table 4 Parameters of curing environment in concrete shrinkage test

收縮率計算方程式如式（1）所示：

式中：εsh,t為t時刻混凝土收縮率；L0為t0時刻千分表數(shù)，mm；Lt為t時刻千分表數(shù)，mm；L為混凝土試件長度，mm，本文取515 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對混凝土收縮性能的影響

相對濕度60%和90%條件下，不同溫度在14 d齡期內(nèi)混凝土早期收縮試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對C30混凝土收縮性能的影響Fig.2 Effect of temperature on shrinkage performance of C30 concrete

如圖2（a）所示，各組混凝土在測量齡期內(nèi)收縮率都表現(xiàn)出不斷上升增長的趨勢，當(dāng)溫度20 ℃和40 ℃時，后者溫度使得混凝土收縮率在5 d前提高幅度較大，在6 d之后增幅逐漸減少且趨于穩(wěn)定并低于20 ℃條件下收縮率，20 ℃條件下還在繼續(xù)發(fā)生收縮。10 ℃條件下混凝土在整個齡期內(nèi)的收縮率明顯低于其他兩組。40 ℃條件下混凝土14 d收縮率比10 ℃條件下提高了26%，20 ℃條件下混凝土14 d收縮率比40 ℃和10 ℃條件下分別提高了7.6%、35.6%。40 ℃溫度環(huán)境對混凝土收縮率有很大的影響，高溫環(huán)境會改變混凝土的收縮趨勢，同另外兩個溫度相比較，其早期發(fā)展速率較快，收縮持續(xù)快速至6～8 d，此后的齡期里變化不大，40 ℃條件下混凝土3 d收縮率為14 d的61%。

究其原因，當(dāng)溫度過高時，水分子的擴散速度不斷加快，前期的干燥收縮程度較大，所以會消耗較多的水分，因此后期就不那么明顯。升溫幅值影響混凝土的水化反應(yīng)，早期的快速水化反應(yīng)生成大量的水化產(chǎn)物，由此建立了相對穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，可以很好地抵御后期變形。高溫很大程度上加大了混凝土前期的收縮率，同時也減少了混凝土的長期變形，低溫環(huán)境雖然使前期混凝土收縮較小，但過程緩慢持續(xù)時間長，且明顯有超過高溫環(huán)境下混凝土收縮率的趨勢。

如圖2（b）所示，3種條件下1 d齡期內(nèi)混凝土收縮率增長幅度都較快，但在發(fā)生不同程度的膨脹之后，40 ℃條件下混凝土收縮趨于穩(wěn)定，10 ℃和20 ℃條件下持續(xù)增長，20 ℃環(huán)境溫度下混凝土產(chǎn)生更大的收縮速率和收縮量。10 ℃條件下混凝土14 d收縮率比40 ℃條件下提高了55.7%，20 ℃條件下混凝土14 d收縮率比10 ℃和40 ℃條件下分別提高了61.8%、151.9%。

高溫高濕環(huán)境下，并沒有顯著提高混凝土的收縮值。3種溫度條件下不同組的混凝土收縮發(fā)展趨勢有明顯的差異，且40 ℃條件下的收縮變化情況最為特殊，另外兩組混凝土在14 d齡期內(nèi)收縮均保持漸進趨勢。溫度20 ℃時，混凝土14 d齡收縮率為132×10-6；而對40 ℃的高溫環(huán)境下，混凝土干燥收縮在早期快速增長，之后的齡期里變化不大，在40 ℃的條件下混凝土的14 d齡期收縮率為52.4×10-6。

結(jié)合實際工程情況，高溫高濕的環(huán)境是最有利于混凝土水泥水化反映的進行，但同時也要注意因高溫環(huán)境導(dǎo)致周圍環(huán)境水分的蒸發(fā)損失，混凝土內(nèi)部水分加速向外遷移的風(fēng)險，在夏季高溫環(huán)境下施工的前提，應(yīng)加大水分的保濕工作，尤其對于1 d齡期內(nèi)，混凝土的收縮劇烈，如不做好保濕工作會加大后期開裂的可能性。同時應(yīng)適當(dāng)延長噴灑水的工期時長，保證周圍環(huán)境水分的充足。

2.2 濕度對混凝土收縮性能的影響

當(dāng)環(huán)境濕度差異較大的時候，混凝土的收縮變形趨勢會發(fā)生較大變化，以10 ℃、20 ℃和40 ℃恒溫條件為實驗環(huán)境，進行自由收縮試驗，以此展示濕度條件對混凝土早期收縮性能的影響，如圖3所示。

圖3 濕度對C30混凝土收縮性能的影響Fig.3 Effect of humidity on shrinkage performance of C30 concrete

如圖3（a）所示，環(huán)境溫度10 ℃時，從14 d齡期內(nèi)整體曲線發(fā)現(xiàn)，混凝土在RH60%條件下的收縮率明顯大于RH90%條件下收縮率，14 d齡期收縮差值為120.3×10-6。且RH90%條件下的混凝土收縮發(fā)展比較緩慢，有持續(xù)收縮趨勢，RH90%條件下的混凝土收縮在前12 d發(fā)展較快，但在此之后收縮減緩。

如圖3（b）所示，環(huán)境溫度20 ℃時，混凝土在RH60%條件下的收縮率明顯大于RH90%條件下的收縮率。伴隨齡期的增加，濕度差異會加大對混凝土收縮率的影響，14 d齡期收縮差值為141.8×10-6，前三天混凝土早期收縮發(fā)展趨勢和增長幅度相近，但在RH90%條件下混凝土在第一天內(nèi)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，并隨著齡期的增長而后混凝土發(fā)生緩慢持續(xù)的收縮。分析其原因，混凝土外部環(huán)境濕度影響著內(nèi)部水分的含量，尤其對自由水的影響最為明顯，混凝土初始狀態(tài)下含有大量的自由水，排除填充孔隙，依舊有很多水分剩余，就算是在非常干燥環(huán)境中失水，混凝土也可以保持內(nèi)部的相對濕度。伴隨水化反應(yīng)，混凝土孔結(jié)構(gòu)變得細(xì)密，小孔增加，自由水在干燥過程損失，抑或是在水化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)水，這些情況都會使得內(nèi)部相對濕度降低，由此導(dǎo)致收縮量增加。

如圖3（c）所示，環(huán)境溫度40 ℃時，不同濕度對各組混凝土收縮率影響差異大，其中RH60%濕度下的收縮影響最大，早期與在RH90%條件下收縮情況相近，但在1 d齡期后差距逐漸拉大，且RH60%條件下發(fā)展更快，RH90%條件下混凝土收縮率逐漸趨于穩(wěn)定，且14 d齡期的收縮率遠(yuǎn)大于RH90%，約相差385.5%。環(huán)境溫度為40 ℃時，混凝土14 d齡期收縮差值為202×10-6。

高溫條件下不同濕度在早齡期對混凝土的收縮影響不是很明顯，但隨著齡期的增加，同時加上濕度大的共同作用，有利于混凝土的水化進程，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來抵抗后期的變形。

結(jié)合實際工程情況，無論在何種溫度環(huán)境條件下，后期濕度的降低都不利于混凝土收縮，一方面加大收縮率，另一方面會延長收縮時間，加重后期因收縮而產(chǎn)生的開裂，所以在混凝土工程脫模養(yǎng)護后應(yīng)進行相關(guān)保濕工作，在澆筑混凝土后可以鋪蓋雜草或者布料等等，噴灑水分保持混凝土表面濕潤狀態(tài)，尤其高溫天氣下，初凝就要進行灑水養(yǎng)護，還要做好防暴曬工作。

2.3 混凝土不同齡期收縮量對比

收縮試驗環(huán)境為10 ℃、RH60%，20 ℃、RH60%，40 ℃、RH60%，10 ℃、RH90%，20 ℃、RH90%，40 ℃、RH90%，不同環(huán)境條件下各組混凝土的1 d、3 d和 14 d齡期總收縮變形對比，如圖4、5所示。

圖4 溫度對C30混凝土不同齡期收縮性能的影響Fig.4 Effect of temperature on shrinkage performance of C30 concrete at different ages

圖5 濕度對C30混凝土不同齡期收縮性能的影響Fig.5 Effect of humidity on shrinkage performance of C30 concrete at different ages

由圖4可知，在相同相對濕度90%不同溫度條件下，混凝土14 d總收縮量的差異最為突出，說明在RH90%情況下溫度的變化對混凝土收縮的影響較大，且在溫度為20 ℃時收縮差異越明顯；相反，在相同相對濕度60%不同溫度條件下，混凝土14 d總收縮量相差不大，但在1 d和3 d早齡期內(nèi)收縮差異較大，可見在RH60%情況下溫度的變化對混凝土1 d早齡期收縮影響較大，且溫度越高收縮越明顯。

由圖5可知，在相同溫度40 ℃不同濕度條件下，混凝土14 d總收縮量的差異較為明顯，相差約385.5%，說明在40 ℃情況下濕度的變化對混凝土總收縮的影響較大，且濕度越低收縮總量越大，在1 d、3 d齡期內(nèi)規(guī)律相同；在相同溫度20 ℃不同濕度條件下，混凝土14 d總收縮量的差異與在40 ℃情況下類似，即差異較大，相差約為107.4%，且濕度越低收縮總量越大，在1 d、3 d齡期內(nèi)差異不明顯，收縮量大致成相同趨勢；在相同溫度10 ℃不同濕度條件下，混凝土14 d總收縮量差異同樣明顯，相差約147.4%，且濕度越低收縮總量越大，在1 d、3 d齡期內(nèi)差異不明顯。

總體來看在相同濕度條件下，不同溫度對混凝土收縮影響隨著濕度的增大而變大；相同溫度條件下，濕度變化是影響混凝土收縮的重要因素，說明在溫度一定的條件下，應(yīng)重點控制濕度值，且提高環(huán)境濕度對混凝土收縮變形有利。

各組混凝土1 d、3 d齡期內(nèi)收縮率占總收縮變形的比例如表5、6所示。

表5 混凝土1 d齡期內(nèi)收縮率占總收縮率比例Table 5 The proportion of concrete shrinkage rate in total shrinkage rate of 1-day age

表6 混凝土3 d齡期內(nèi)收縮率占總收縮率比例Table 6 The proportion of concrete shrinkage rate in total shrinkage rate of 3 days age

由表5和表6可知，在相對濕度一定的情況下，混凝土1 d齡期內(nèi)收縮率占總收縮率的比例隨齡期（3 d）的增長而增大，且在RH60%條件下變化幅度較大，各組混凝土在不同溫度條件下不同齡期占14 d齡期總收縮率的比例隨齡期1 d增加到3 d分別為1.9%～19.2%、7.1%～44.7%、32.1%～61.0%，由此得出在相對濕度較低的情況下，混凝土前期的收縮變形較大，且溫度越高占比越大，40 ℃、RH60%條件下混凝土3 d齡期收縮率占14 d齡期總收縮率的比例為61.0%。

3 結(jié) 論

（1）研究了C30混凝土在不同溫度（10 ℃、20 ℃、40 ℃）和濕度（RH60%、RH90%）條件下混凝土早期收縮變化規(guī)律。試驗表明，溫度對混凝土收縮影響規(guī)律明顯：在1 d齡期內(nèi)，無論相對濕度高低，混凝土收縮率都會隨著溫度的升高而升高，且在60%濕度環(huán)境下尤為明顯；而對于14 d齡期內(nèi)，高溫增大了混凝土前期收縮變形，但對長期變形有減小作用，且在濕度值越大的情況下溫度提升對混凝土收縮影響較為明顯，升溫過快或過高使混凝土早期迅速發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)抵抗后期變形。

（2）試驗表明，濕度對混凝土收縮影響規(guī)律明顯：在1 d齡期內(nèi)，在環(huán)境溫度10 ℃和20 ℃下，混凝土收縮率隨著濕度的增加而增加，說明在濕度較大條件下有利于混凝土早期水化反應(yīng)；而對于14 d齡期內(nèi)，混凝土在RH60%條件下收縮率明顯大于RH90%條件下收縮率，且隨著齡期的增加，濕度差異對混凝土收縮率影響作用逐漸增強。

本文選自“全國病險水庫安全評估及除險加固技術(shù)前沿研討會”征集論文，會議旨在探討病險水庫評估方法以及除險加固新技術(shù)、新措施，推進病險水庫除險加固工作、提高防災(zāi)和供水保障能力，會議于2021年5月26—27日在杭州召開。

本期刊登其中兩篇精選論文。