早期收缩引发的开裂外文翻译资料

 2022-03-06 10:03

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早期收缩引发的开裂

E. Holt*, M. Leivo

芬兰技术研究中心，VTT建筑与运输，邮政信箱1800号，芬兰VTT, 02044

摘要：在评估混凝土的开裂可能性时，参考总收缩是至关重要的：包括在干燥和自生条件下的早期和长期变形。芬兰的一个试验装置被用来测量混凝土混合后的线性和体积变形。这些平板在干燥或自生条件下进行测试。长期收缩可以在同一块板上测量，以准确表示总自由收缩。从这些测量中可以评估早期收缩引起开裂的可能性。结果表明，干燥收缩和自收缩在某些早期情况下可能是显著的。环境因素对干燥收缩影响较大，材料性能对自收缩影响较大。本文就如何解释早期变形，环境和材料因素如何发挥作用，以及如何最大限度地减少早期收缩和开裂的可能性提供了见解。

关键词：自收缩 毛细管压力 干燥收缩 早期 自干燥 体积变化

1引言

混凝土的收缩是不可避免的。甚至水泥的水化也会因产物体积减小而造成体积收缩。额外的收缩也可能是由于干燥。如果收缩过大，混凝土会开裂，结构的耐久性严重受损。自由收缩是导致结构开裂的主要因素之一。此外，还有许多其他因素，如加固、试样尺寸和边缘约束等。要评估与收缩相关的开裂风险，关键是要查看收缩的所有方面:在不同的阶段和由不同的机制驱动。

混凝土的收缩发生在两个不同的阶段:早期和晚期。早期阶段通常被定义为第一天，此时混凝土正在凝结并开始硬化。后期，或长期，指的是混凝土在24小时以上的年龄。在这个后期阶段，混凝土被拆除，并进行标准化的收缩测量。长期收缩通常是大多数文献中唯一确定和处理的部分，也是结构设计中需要考虑的部分。

在收缩的这两个阶段中，也有各种形式的线性变化，这些变化可以在样品上进行物理测量，主要是干燥和自生的。这两种类型都可能发生在收缩阶段。除了干燥和自收缩外，混凝土还会由于热变化和碳化反应而减少体积。收缩类型和阶段如图1所示。

图 1收缩阶段及类型图

早龄期收缩是一个问题，因为在浇筑后的早期，混凝土的应变能力最低，对内应力最敏感。Byfors在瑞典[1]和Kasai在日本[2]的工作表明，混凝土在早期具有最低的抗拉应变能力。图2给出了一个来自Kasai[2]的例子，其中在大约10h时达到最低点，然后拉伸应变能力再次增加。其他一些当前的研究集中在开发方法，以量化这些程度的混凝土应力在第一个小时内的各种收缩负荷[3-5]。

早期的收缩可以导致裂缝，形成的方式与后期相同。即使早期产生的裂纹是内部的和微观的，后期进一步的收缩可能只会打开现有的裂纹并造成问题。VVT与其他机构也曾提出，是否早期自由收缩量超过1mm/m (1000mu;e)，就有开裂的高风险。这符合美国混凝土协会[7]的预期收缩约1/4-1/2英寸。移动20英尺，或0.4-1.0mm/m。注意，1mm /m的极限大约是早期混凝土抗拉应变能力的10倍(见图2)。

图 2 降低早期拉伸强度（1，3）

干缩是由于混凝土失水造成的。在后来的年龄(gt;24小时)，这是很好理解，并经常被测量。它通常被测量为规定时间后长度变化引起的总收缩，如使用ASTM C157中描述的测试方法。这些测量中大部分都没有考虑到非干燥变形引起的收缩。评价干缩的一般思路是，混凝土的w/c比越高，干缩幅度越大，因为未结合水越多。最近，关于早期干燥收缩的研究数量也有所增加，这将在下一节中进一步讨论。

水泥浆体和混凝土的自收缩是指在没有水分传递到外部环境的情况下发生的宏观体积变化。它是水泥颗粒[8]水化作用引起的化学收缩的结果。化学收缩是内部体积的减少，而自生收缩是外部体积的变化。

自生收缩是最近才被记录和精确测量的。它最初是在20世纪30年代被描述为导致总收缩的一个因素，这很难评估。在早期，人们注意到只有在水灰比非常低的情况下才会发生自收缩，而水灰比远远超出了混凝土的实际范围。但随着现代掺合料的发展和频繁使用，如高效减水剂和硅灰，比例混凝土易自收缩更现实。今天，我们对高强高性能混凝土的结构要求越来越高。这使得工程师和设计师们指定了比w/c低的混凝土，远远超过了20世纪30年代的限制。尽管这些规范提高了许多强度和耐久性方面，但自收缩的风险更大。

混凝土的收缩应始终作为一个整体来处理，包括干燥和自生变形。这里介绍的工作的目的是显示在这两种类型的收缩可能的变化。给出了环境和材料如何影响收缩率的实例，并给出了降低收缩率和开裂可能性的方法。

2原材料和试验方法

2.1干燥收缩试验材料

在混凝土、灰浆和膏体上进行了各种项目，以评估其早期体积变化。在所有的干燥收缩试验结果中，水泥是一种芬兰快速水泥，类型为CEM II A，与类型为III的美国水泥相对应。

在许多干缩试验中，水灰比保持在0.63，水泥用量为300kg/m3。最大骨料粒径为10mm，无化学外加剂。这些比例适用于所有即将得到的关于环境条件的结果。

给出了一些干燥收缩的结果，以调整混合参数。其中包括增加:

  • 较高剂量的三聚氰胺型高效减水剂，其中混凝土的w/c为0.45，目标坍落度保持在75毫米。水泥快速用量由450kg/m3调整为375kg/m3。
  • 两种不同的减缩外加剂(由Masterbuilders和Perstorp公司生产)制成高强度混凝土，其中快速水泥为500kg/m3，w/c为0.38kg/m3。

图 3普通混凝土的VTT数据，早期收缩率与蒸发量有关（凝固后2小时）

当环境条件与干缩之间存在相关性时，上述两种调整后的混合物也包括在分析中。为了对这种相关性进行调整，还增加了两个参数(图3)，如下图所示:

  • 最大骨料尺寸变化:5mm、10mm和18mm;
  • 集料级配变化:砂质或岩质。

2.1.1自收缩试验材料

自收缩试验的结果来自两个不同的试验系列。第一个系列评估了三种不同类型水泥制成的砂浆:如上所述的普通芬兰快凝水泥;芬兰抗硫酸盐(SR)水泥;还有丹麦白水泥。这三种水泥的化学成分和细度见表1。所有这三个混凝土都是w /c=0.3，含275kg/m3的水。

在第二个自收缩系列中，w/c比率从0.30调整到0.45。水重量保持在275 kg/m3不变，使用相同的芬兰快凝水泥，最大骨料尺寸为2 mm。没有使用化学外加剂。

2.2如何测量早期收缩

芬兰技术研究中心开发了一种测试装置，可以在混合后立即测量混凝土的线性和体积变形。测量设备的细节可以在其他参考文献中找到。[10、11]。

表 1三种用于早期自生试验的芬兰水泥的化学成分和细度

成分(%)

普通芬兰快凝水泥

丹麦白水泥

芬兰抗硫酸盐水泥

C3S

68

67

75

C2S

10

23

5

C3A

8

4

1

C4AF

8

1

14

Blaine细度（m2/kg）

440

400

300

试验是在30厘米厚、10厘米厚的方形平板上进行的，模拟现场施工，从顶部进行单边干燥，就像在预制构件或地板上一样。混合后约30分钟可获得水平变形、垂直变形(沉降)、内部毛细压力、蒸发、凝结时间和温度等信息。这些平板可以在干燥或自生环境中进行测试，使用的材料有混凝土、灰浆或糊状物。长期收缩可以在相同的板上测量，从而准确地表示混凝土经历的总收缩。从这些测量数据可以评估混凝土早期收缩开裂的可能性。这种特殊的安排提供了最小的约束收缩，以获得自由变形的措施。日本和挪威等国也建立了类似的检测安排[4,8,12]。

在测试早期自生变形和测定凝固时间时，环境始终为20°C和100% RH。在干燥收缩的情况下，测试环境通常是20°C和40% RH。在某些情况下，环境被调整以促进不同的蒸发速率，例如使用2-7m/s的风速、5 - 30°C的温度和40% - 100%的湿度。

还进行了化学收缩试验，以补充砂浆混合物的自收缩结果。化学收缩测试使用浮力法，如Geiker和Knudsen[13]所述。测试记录了置于水下的新砂浆样品的重量变化。

3结论

3.1环境条件如何影响收缩

早期干燥收缩的大小与周围环境条件密切相关。随着新鲜混凝土中自由水的蒸发增加，早期干燥收缩的幅度也随之增大[14,15]。这是通过以下方式调整环境来测试的:

  • 温度:5℃、20℃和30℃;
  • 相对湿度40%、70%、100%;
  • 风速为0、2.5、5和7.5m/s。

试验表明，在混合后的第一个小时内，干缩的大小与蒸发量成正比。如图3所示，干燥收缩量随着[15]的蒸发而增大。图3中的线性趋势可由式(1)给出，其中总蒸发量在初始设定时间后2小时取:

早期干燥收缩（mm/m）={蒸发（kg/m2）*2}-0.5 （1）

请注意，图3所示的大多数试验是在无风条件下进行的(20°C和40% RH)，因此许多蒸发量集中在1.0 kg/m2左右。图3中的数据也仅包括“正常”混凝土。高强度混凝土很可能不会落在同一条线上，因为它们失血较少，因此水从混凝土内部流失得更快。对于这样的高强度混凝土，预计趋势线将向左上角移动，而不会出现表示公式(1)末尾出血的“0.5”项。

实验室试验表明，新拌混凝土的蒸发量是由风速、温度和相对湿度等环境因素控制的。通过了解这些环境因素并使用各种预测工具，如1954年的ACI Nomograph[16]，可以估算用于预测收缩的蒸发率。Uno[6]简化了具有式(2)的nomograph，其中蒸汽压力被15-35℃范围内的温度所代替:

E=5([Tc 18]2.5-r*[Ta 18]2.5)(V 4)*10-6 （2）

在E=蒸发率,kg /m2 / h;Tc=混凝土(水面)温度, ℃;Ta=空气温度,℃;r=(RH %) / 100和V=风速度,kph。

知道了蒸发速率和凝结时间，就可以计算式(1)中的“蒸发”项，从而得到早期干燥收缩的估计值。

在施工实践中，需要强调的是，通过适当的养护技术可以完全消除蒸发。任何减少蒸发的措施都将有助于减少早期干燥收缩，从而减少开裂的风险。建议的减少蒸发的措施包括使用外加剂，如蒸发缓凝剂，在混凝土上覆盖湿的粗麻布和塑料，并对环境喷雾以保持高湿度。如果蒸发被消除，那么早期干燥收缩将不存在，唯一的收缩应力将归因于自生变形。

长期的干燥收缩也会受到周围环境的影响，但这些现象在现有的文献中有很好的记录，在实践中也有更好的理解.

3.2材料性能如何影响收缩

混凝土的组成确实影响总早龄期收缩的预期量。所选材料，如水泥类型、外加剂用量等，在早期干燥和自收缩过程中起着控制其他因素的次要作用。

3.2.1干燥收缩

材料参数通过改变出血的数量、持续时间和凝结时间来影响早期干燥收缩。如前所述，干燥收缩主要是由于环境条件造成的，因此有问题的材料因素是那些延长了收缩发生时间的因素。在VTT[6,7]的研究表明，当泌水量一致时，可以预测混凝土的收缩量。收缩仅仅与蒸发量有关，蒸发量发生在凝固后两小时。在这个年龄，混凝土已经获得足够的强度来承受引起收缩的应力。图3的趋势是非常普遍的，只包含了“正常”的强度混凝土与各种混合比例，但它仍然适用于蒸发驱动收缩。

图4和图5提供了一些材料选择如何影响早期干燥收缩的例子。在图4中，在混凝土中加入了一种高效减水剂，其用量从0%增加到1.5%。随着剂量的增加，凝结时间延迟(见表2)，也可以认为水泥分散性得到了改善。这两个因素都导致了更大的早期干燥收缩，尽管结果仍然包括在图3和公式(1)的相关性中。

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