(1.水利部科技推广中心, 北京 100038; 2.建华建材投资有限公司,江苏 镇江212000；3.长江科学院 科技成果推广中心, 湖北 武汉 430010)

水工混凝土早龄期收缩发展规律及影响因素试验研究

谷金钰1陶永明2林育强3

(1.水利部科技推广中心, 北京 100038; 2.建华建材投资有限公司,江苏 镇江212000；3.长江科学院 科技成果推广中心, 湖北 武汉 430010)

讨论分析了在不同水泥品种、不同水胶比、不同掺和料掺量及其复掺组合情况下，混凝土早龄期收缩变形的变化规律。试验研究分析结果表明，混凝土早龄期收缩变形随龄期延长而增加，但收缩变形速度减缓，且在某一龄期附近明显减缓，故混凝土收缩变形主要发生在早龄期；水胶比对混凝土早龄期收缩变形影响较大，但增加水胶比可以减小混凝土早龄期收缩变形；掺加掺和料可降低混凝土早龄期收缩变形。

混凝土；龄期；干缩；开裂时间；早龄期收缩变形；收缩变形速度

1 研究背景

水工混凝土的早期收缩问题已逐渐受到工程界的广泛重视。随着水泥和混凝土技术的进步，水泥颗粒越来越细，混凝土强度和密实度也不断提高，混凝土的后期收缩相对减小，早期收缩不断增多，这使得混凝土早龄期裂缝日益严重[1]。混凝土一旦开裂，极易形成深层裂缝或贯穿性裂缝，影响工程安全，缩短工程服役寿命。我国水利水电工程建设正处于蓬勃发展阶段，金沙江、雅砻江、澜沧江等流域的一大批大型和超大型水利水电工程相继兴建，都将面临这一技术难题的严峻挑战。

混凝土早龄期裂缝的研究与控制技术离不开对混凝土早龄期特性的研究。然而，已有的研究、计算、设计及施工控制均依赖于硬化混凝土的性能与技术指标。受传统测试技术的制约，除了强度可以得到相应的重视和测定以外，在混凝土早龄期的收缩变形规律方面缺乏有效的试验手段及系统研究，从而严重影响了对混凝土早龄期性能规律的总体把握及深入了解。

本文结合典型水利水电工程，以预防混凝土早龄期裂缝的产生、发展及控制为目的，系统研究约束条件下混凝土早龄期的收缩变形发展规律，为水工混凝土结构的设计、施工和运行提供科学技术支持。

2 原材料及混凝土收缩试验方案

2.1 试验原材料

试验采用3种水泥，分别为42.5华新中热水泥、42.5华新低热水泥、42.5天山普硅水泥，骨料采用灰岩人工砂和人工碎石，外加剂选用江苏博特高效减水剂JM-II和引气剂GYQ。检测结果显示，上述材料除人工砂细度模数偏大外(2.93)，其他性能指标均满足相应规范的技术要求。掺和料分别采用曲靖I级粉煤灰、矿渣粉和灰岩石粉，掺和料相关品质检测结果见表1～3。

表1 粉煤灰品质检测结果

表2 矿渣粉品质检测结果

表3 石灰石粉检测检验结果

2.2 混凝土收缩试验方案

参照SL352-2006《水工混凝土试验规程》成型一级配混凝土，骨料为小石，砂率为42%，配置成C30混凝土。采用相同水胶比下不同掺和料及不同水泥品种的方案，分别比较相同水胶比条件下各种胶凝材料组合及相同胶凝材料条件下不同水胶比的混凝土早龄期收缩变形规律，具体试验方案见表4。

表4 混凝土收缩试验方案

3 混凝土早龄期收缩变形试验

混凝土早龄期收缩变形试验试件尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，混凝土试件成型后，直接移入标准养护室直接采用NJ-NES型非接触式测定仪进行收缩变形测试。该仪器适用于测定自成型后任意时段的自由收缩变形，也可用于无约束状态下早龄期混凝土与外界隔绝湿交换的条件下自收缩变形测定。

3.1 水泥品种对早龄期收缩变形的影响

相同水胶比下，不同水泥品种的混凝土早龄期收缩变形试验结果如图1所示。

图1 不同水泥品种混凝土早龄期收缩率随时间的变化

从图1可知，水泥品种对混凝土收缩变形有较大影响。混凝土早龄期收缩变形随龄期延长而逐渐增加，且变形增加趋势减缓，20 h龄期后收缩变形速度明显减小；华新低热水泥混凝土的收缩变形小于华新中热水泥，天山普硅水泥最小；华新中热水泥混凝土的收缩变形速度大于其他两种水泥，天山普水泥混凝土收缩变形最为缓慢。

华新中热水泥的比表面积最大，而表面积越大，水泥石中以吸附溶剂层形式存在于亚微观晶体表面的吸附水就越多，在干燥过程中水泥石的收缩变形就越大[2]。较粗的熟料颗粒水化不完全有抑制混凝土收缩的作用。细颗粒的熟料水化较完全，细颗粒多时，水化速度快，水化凝胶产生得更多，收缩增加。水泥中S03不足时，也会增加混凝土的收缩[3]。

3.2 水胶比对早龄期收缩变形的影响

不同水胶比对华新中热水泥的混凝土早龄期收缩变形的影响规律如图2所示。

图2 不同水胶比的混凝土早龄期收缩率随时间变化

从图2可知，随着水胶比增加，混凝土早龄期收缩变形总量明显减小；低水胶比混凝土收缩变形速度大于高水胶比混凝土收缩变形速度，且低水胶比混凝土收缩变形速度变缓时间略微提前。

水胶比降低而其他因素不变时，混凝土内总用水量减少，内部湿度随之降低，空毛细孔率愈大，自干燥现象愈严重；而且水胶比降低使混凝土内部结构密实，孔隙细化，混凝土中产生毛细管张力增大，导致混凝土早期自收缩随水胶比的减小而增大[4]。

3.3 粉煤灰掺量对早龄期收缩变形的影响

不同粉煤灰掺量对华新中热水泥的混凝土早龄期收缩变形的影响规律如图3所示。

图3 不同粉煤灰掺量的混凝土早龄期收缩率随时间变化

从图3可知，随着粉煤灰掺量增加，混凝土早龄期收缩变形呈减小趋势；且混凝土的收缩随龄期增加而增加的趋势变得平缓。但粉煤灰掺量在15%～25%变化时，其掺量变化对混凝土收缩变形总量和速率影响不明显。

掺入粉煤灰后，水泥用量相对减少，降低了早期的混凝土硬化速度，相对减弱了内部自干燥程度，自收缩减少。混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增加而降低，特别是早期收缩降低得非常明显。在相同水胶比下，粉煤灰的掺量不超过20%时，对混凝土性能的影响不大，只是混凝土的温升稍有降低。只有掺量超过25%时，粉煤灰对混凝土的性能才会有明显的改善[5-7]。

3.4 矿渣粉掺量对早龄期收缩变形的影响

不同矿渣粉掺量对华新中热水泥的混凝土早龄期收缩变形的影响规律如图4所示。

从图4可知，随着矿渣粉掺量增加，混凝土收缩变形量呈减小趋势。矿渣粉掺量在25%～35%变化时，前60 h的收缩量变化不大，但60 h后，掺25%矿渣粉混凝土的收缩变形量明显上升，掺35%矿渣粉混凝土的收缩变形量明显下降。

图4 不同矿渣粉掺量的混凝土早龄期收缩率随时间变化

磨细矿渣对混凝土早期收缩的影响与掺量、龄期等有关。掺量较多时因强度发展缓慢，能明显降低自身收缩，但却对早期干燥收缩不利，有可能使混凝土干燥条件下的总收缩值反而大于基准混凝土，因此，应对此类混凝土加强早期保湿养护。

3.5 石粉掺量对早龄期收缩变形的影响

不同石粉掺量对华新中热水泥混凝土的早龄期收缩变形的影响规律如图5所示。

从图5可知，随着石粉掺量增加，混凝土早龄期收缩变形呈减小趋势，20 h前收缩变形速率也随着石粉掺量的增加而减小，20 h后其收缩变形量变化不大。掺35%的石粉混凝土在100 h后，其收缩变形量还略有降低。

石粉与水泥颗粒相比，其表面较为光滑，需水量较低，可以使相同水胶比条件下的水泥石浆体中保留相对较多的自由水，从而减少其收缩。另外，石灰石粉颗粒中的CaCO3可以与水泥颗粒中的C3A发生反应，生成膨胀性水化产物C3A·CaCO3·11H2O以补偿收缩。石灰石粉的微集料效应，填充了水泥石内部的孔隙，并且改善了孔结构，有利于改善混凝土的早期收缩。

3.6 复掺粉煤灰-石粉对早龄期收缩变形的影响

复掺粉煤灰-石粉对华新中热水泥混凝土的早龄期收缩变形的影响规律如图6所示。

图6 粉煤灰-石粉复掺组合的混凝土早龄期收缩变形

从图6可知，相对于纯水泥，复掺粉煤灰-石粉可减小混凝土早龄期收缩变形，减缓混凝土早龄期收缩变形速度，且相比于石粉，粉煤灰掺量对混凝土早龄期收缩变形影响较大。

4 结 论

本文采用混凝土早龄期收缩变形仪研究了水泥品种、水胶比、粉煤灰掺量、矿渣粉掺量、石粉掺量、粉煤灰-石粉复掺等因素对混凝土早龄期收缩变形的影响，得出结论如下。

(1) 混凝土早龄期收缩变形随龄期延长而逐渐增加，收缩变形速度呈变缓趋势，20 h龄期之后收缩变形速度明显减小，由此得出，混凝土收缩变形大部分发生在1 d龄期之内。主要原因是混凝土在1 d龄期内水分蒸发较快，之后水分蒸发逐渐变缓，而混凝土收缩主要为干燥收缩。

(2) 低热水泥混凝土的早龄期收缩变形低于中热水泥的混凝土早龄期收缩变形，且低热水泥混凝土的早龄期收缩变形速度小于中热水泥混凝土的早龄期收缩变形速度。

(3) 水胶比增加，混凝土早龄期收缩变形减小，混凝土收缩变形速度减低，且混凝土收缩变形速度变缓时间提前。主要原因是水胶比降低时，混凝土内总用水量减少，内部湿度降低，毛细孔率加大，自干燥现象变得严重；而且水胶比降低使混凝土内部结构更加密实，孔隙细化，混凝土中产生毛细管张力增大，即混混凝土早期自收缩随水胶比的减小而增大。

(4) 随着掺和料掺量增加，混凝土早龄期收缩变形呈减小趋势，混凝土收缩变形速度也呈减小趋势，但掺和料掺量在25%～35%变化时，其掺量变化对混凝土早龄期收缩变形影响不明显。所有掺和料中，粉煤灰掺量对混凝土早龄期收缩变形影响最大。主要原因是掺入掺和料后，水泥用量相对减少，降低了早期的混凝土硬化速度，相对减弱了内部自干燥程度，自收缩减少。

[1] 袁瑛，何琳. 加掺合料高性能混凝土早龄期收缩特性[J]. 哈尔滨工业大学学报，2004，36(12)：1615-1618.

[2] 杨华全，王迎春，周世华，等．混凝土早龄期性能与开裂敏感性的测试技术[J]．混凝土，2009(5)：24-25．

[3] Wiegink K, Marikunte S, Shah S P. Shrinkage cracking of high strength concrete[J]．ACI Materials Journal.1996，(93)5：409-415.

[4] 杨全兵．高性能混凝土的自收缩机理研究[J] ．硅酸盐学报，2000，28(S)：72-75．

[5] 安明喆．高性能混凝土自收缩的研究[D] ．北京：清华大学，1999．

[6] 翁家瑞．高性能混凝土的干燥收缩和自生收缩试验研究[D]．福州：福州大学，2005．

[7] 高小建，巴恒静．加掺合料高性能混凝土早龄期收缩特性[J]．哈尔滨工业大学学报，2004，36(12)：1615-1617．

2017-08-14

国家重点研发计划项目(2016YFB0303601)；国家自然科学基金项目(51479011)

谷金钰，男，水利部科技推广中心，工程师.

林育强，男，长江科学院科技成果推广中心，高级工程师.E-mail:113697906|@qq.com

1006-0081(2017)12-0049-04

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(编辑：李慧)