浅谈高性能混凝土减缩技术

浅谈高性能混凝土减缩技术

张震

恒大地产集团天津有限公司天津市300350

摘要：混凝土是当今社会发展不可或缺的一种材料，而随着社会发展，港珠奥大桥等一系列国家重点工程对混凝土的各项性能要求越来越高。高性能混凝土的减缩技术可以降低其收缩值，进而有效控制其内部微裂纹的产生与发展，减少混凝土的开裂现象，提高结构耐久性，延长建筑物使用年限，有极大的经济效益和社会效益。

关键词：高性能混凝土；减缩技术；耐久性

1引言

进入新世纪以来，一方面地标性超高层建筑以及跨海大桥等一系列建筑工程对混凝土的施工性能、力学性能以及耐久性有了更高的要求；另一方面，为了实现这些性能，研究者往往采用很低的水胶比、较高用量的胶凝材料，加上施工进度的要求，在实际施工过程中一般还会使用过细的水泥，或者加入硅灰等细度大的矿物掺合料来提高其早期强度。这些都会导致超高性能混凝土的早期收缩增大，造成早期开裂现象严重[1]，影响混凝土的耐久性以及表面观感，严重限制了高性能混凝土的应用范围。

2影响高性能混凝土收缩的因素

普通混凝土力学性能和耐久性较差的原因，本质上都是由于水泥水化过程中，水分不断参与水化被消耗，水化产物不能完全填充产生的孔隙，从而造成有效截面变小，力学性能不佳；又由于孔隙的存在，使混凝土的抗渗性和抗冻性变差，且容易受盐溶液的侵蚀，影响混凝土的耐久性。

因此为改善混凝土的力学性能和耐久性，往往选择使用更多的胶凝材料和更细的材料来填充这些孔隙，例如使用更细的水泥、矿渣以及硅灰；或者减少水的用量。这些措施都会造成水泥早期水化反应迅速，导致内部严重缺水，收缩现象比普通混凝土更为严重，从而造成开裂现象比较严重，有时候甚至会造成强度倒缩。因此对高性能混凝土减缩技术的研究，意义重大。

3降低高性能混凝土收缩的方法

针对上文提到的高性能混凝土收缩的影响因素，一般有以下几个方面来减少高性能混凝土的收缩，一是原材料的优化，以及材料配比的优化；二是选择抑制收缩或者补偿收缩的方式来实现，例如掺入纤维、膨胀剂或减缩剂等；三是加强水泥基材料的养护。

3.1优化材料配比

优化混凝土原材料的选择以及不同材料的比例，能够在一定程度上控制其收缩。在原材料方面，严格控制砂石的含泥量，在用水量不变的前提下，可以明显提高混凝土的施工性能，而合理的砂石级配，可以使小颗粒有效的填充大颗粒之间的空隙，优化混凝土内部孔结构。而使用一定比例的粉煤灰等矿物掺合料替代水泥，可以降低早期水化热，减少早期收缩变形[2]。

3.2补偿收缩技术

在混凝土材料中加入膨胀剂是限制其收缩的有效途径之一，其原理是利用膨胀剂自身水化或者与水泥的水化产物反应而产生微膨胀，用以补偿水泥基材料的收缩。目前使用最多的是硫铝酸钙类（钙矾石类）膨胀剂，主要是通过硫铝酸钙在混凝土强度发展的过程中生成钙矾石，利用钙矾石的体积膨胀来补偿混凝土产生的收缩。但是也存在很多问题，一是高温稳定性差，钙矾石的结晶水，在80℃条件下就会分解，导致混凝土强度降低；二是延迟膨胀问题，膨胀剂带来的膨胀作用和水泥水化带来的自收缩很难同步发生，膨胀作用一般会滞后，给混凝土内部带来二次伤害；三是养护问题，膨胀剂在发挥膨胀作用时，对水分的要求比较高，用水量要同时满足混凝土中水泥的水化和膨胀剂的水化，此外还需要加强后期的潮湿养护措施。有研究表明，在密封环境或者充分养护的前提下，掺膨胀剂混凝土的膨胀可以消除自收缩，并且可能产生微膨胀现象，但是如果继续处于干燥环境中养护，其膨胀之后产生的倒缩比基准组混凝土的收缩更大[3]。综上所述，膨胀剂对施工条件和养护环境都有较高的要求，因此膨胀剂不适用于干燥高温环境的高性能混凝土。

3.3纤维增强技术

在混凝土中掺加适量纤维，可以很好地减少其早期收缩，其原理在于：一是掺入纤维可以增加混凝土的粘聚性，避免出现泌水现象；二是掺入纤维使混凝土早期弹性模量降低，使其早期变形能力得到加强；三是由于纤维的限制作用，降低了混凝土后期的变形能力[4]。在目前研究以及实际应用中，用于混凝土中的纤维主要有钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维和玻璃纤维等。通过对纤维混凝土的研究发现，掺加纤维虽然在一定程度上可以降低混凝土的收缩，但是也带来很多问题，如钢纤维会受到氯粒子腐蚀，且使混凝土自重增大；普通的玻璃纤维在碱性环境中容易失效；有机纤维在热、氧作用下存在老化问题，而且纤维的减缩效果完全受其在混凝土中分散程度的影响。此外，纤维虽然可以起到一定限制混凝土收缩的作用，但是并没有消除材料内部产生的应力，只是将这种应力进行了转移，没有从根本上解决，可能会在后期带来耐久性的问题。

3.4化学外加剂

按照毛细管张力学说，收缩是由于水泥石毛细孔、凝胶孔失水带来的毛细管张力造成的，而毛细管张力和溶液表面张力呈正比关系。因此，如果毛细管溶液的表面张力降低，毛细管应力也会减小。

减缩剂是一种能够显著降低水溶液表面张力的化学外加剂，能在水中均匀分散，并且可以使液体的表面张力降低50%左右，因此，理论上可以使水泥石内部孔溶液的表面张力降低一半，从而使水泥基材料的收缩应力降低一半。一些研究也验证了这一点，即混凝土自收缩减小的比例和溶液表面张力下降的比例基本一致。

减缩剂除了有降低溶液表面张力的作用，也有学者认为它可以通过改变水泥基材料内部的孔径分布来影响其收缩。一些学者在研究中发现，掺入减缩剂能够使0.1微米到1微米范围内孔的体积增大，根据毛细管张力学说，毛细管应力是和孔径成反比的，因为较大尺寸的孔在失水时毛细孔应力较小，甚至不存在毛细孔应力，这也是减缩剂能够减小高性能混凝土收缩的原理之一[5]。

3.5养护技术

对于普通混凝土来说，由于其水灰比较高，通常不会由于水泥水化造成内部缺水，往往是由于外部失水造成的干燥收缩比较严重，因此采用外部保湿养护即可缓解其干燥收缩，且效果与养护时间成正比[6]。

但对于高性能混凝土而言，由于胶凝材料的用量高，水灰比则较低，水泥水化会造成内部严重缺水，从而造成其收缩较大。又由于本身密实度较高，如果仅采取外部保湿养护，对于大型构件来说，外部水分进入其内部的时间可能是以年为单位，内部缺水现象很难得到缓解。此时的最佳方式是在混凝土的内部进行水分补充，即内养护。内养护一般使用饱水细轻集料或吸水树脂作为水源的载体，通过释放集料中的水来缓解高性能混凝土内部缺水的问题。目前普遍认为内养护的减缩机理是由于储存于多孔材料中的水分能够及时补偿水泥水化消耗掉的水，使更多的孔隙处于水饱和状态，避免水泥石内部出现缺水现象，从而避免毛细管应力的产生，减小收缩。

4、结束语

综上所述，随着高性能混凝土的制备工艺日趋成熟，高性能混凝土的减缩技术也得到长足发展，但是不同的减缩技术也有其局限性。在社会生产活动中，要根据工程实际情况，有针对性的选择减缩技术，因地制宜，减小高性能混凝土的收缩，进而控制其变形、开裂，提高建筑物的耐久性。同时，不同减缩技术的协同使用，也有待进行更多的深入研究，为高性能混凝土的进一步发展提供技术支持。

参考文献：

[1]曹世勇.超高性能水泥基复合材料自收缩特性及其机理研究[J].硅酸盐通报，2015，34（3）：000813-823.

[2]阎培渝，陈志城.含不同矿物掺合料的高强混凝土的自收缩特性[J].工业建筑，2011，41（6）：124-127.

[3]刘加平，田倩，唐明述.膨胀剂和减缩剂对于高性能混凝土收缩开裂的影响[J].东南大学学报：自然科学版，2006（S2）：195-199.

[4]邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M].科学，2003.

[5]钱春香，耿飞，李丽.减缩剂的作用及其机理[J].功能材料，2006，37（2）：287-291.

[6]党玉栋，钱觉时，曲艳召，等.内养护对不同细度水泥制备的砂浆性能的影响[J].硅酸盐学报，2012，40（5）：657-663.