在外界环境湿度低于混凝土本身的湿度时,混凝土中水泥石内部的游离水被蒸发,毛细血管壁受到压缩,混凝土开始收缩。混凝土的收缩并非仅仅由干燥收缩引起,它还包括其他原因,根据混凝土收缩原因的不同通常可分为以下 6种类型:
干燥收缩是指混凝土干燥时的体积改变,是由混凝土中水分在新生成的水泥石骨架中的分布变化、移动及蒸发引起,是混凝土停止养护后,在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩。随着相对湿度的降低,水泥浆体的干燥增大。
塑性收缩又称为凝缩,是由于混凝土终凝前水化反应激烈,分子链逐渐形成,而出现的体积减缩现象。塑性收缩发生在混凝土拌和后 3 ~ 12 h,因为发生时混凝土处于硬化前的塑性状态,因此把这种收缩称为塑性收缩。塑性收缩的大小约为水泥绝对体积的 1%,随混凝土用水量、水灰比增大而增大。塑性收缩多见于道路、地坪、楼板等大面积工程,以夏季施工较为普遍。
温度收缩又称为冷缩,主要是指混凝土内部温度随水泥水化而升高,最后又冷却到环境温度时产生的收缩。其大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。
碳化收缩是混凝土中水泥水化物与空气中的CO 2 发生化学反应的结果。碳化收缩的主要原因是水泥水化物中的Ca(OH) 2 结晶体碳化成为CaCO 3 沉淀。碳化收缩的速度取决于混凝土的含水率、环境相对湿度和构件的尺寸。当空气中相对湿度为 100%或小至 25%时,碳化收缩停止。碳化收缩相对发展得较晚,而且一般只局限于混凝土表面,其收缩过程是不可逆的。
化学收缩又称为水化收缩,水泥水化后,其生成物相比原料的绝对体积有所减小。所有的胶凝材料水化以后都有这种减缩作用,因为水化反应前后的平均密度不同,大部分硅酸盐水泥浆完全水化后,体积减缩总量为 7%~ 9%。相对于干燥收缩,化学收缩在混凝土的总收缩中所占比例较小,约为前者的 10%。
高强混凝土水灰比低,硬化后水泥凝胶体中的胶孔和毛细孔处于干燥或未饱和状态,将产生较大的毛细孔负压力,导致混凝土发生自收缩。混凝土自收缩的根源在于水泥硬化后未水化水泥继续水化引起绝对体积的减缩,形成的直接原因是无外界水源或水泥水化引起的耗水速率大于外界水的迁移速率。自收缩与干燥收缩相当,是高性能混凝土收缩的主要部分之一。
混凝土的体积收缩是一种必然现象,试验表明,在完全自由的状态下,收缩只会引起构件的缩短,不会在构件内产生应力,因而不会产生裂缝。但实际上由于结构的整体作用,每种构件都受到不同程度的约束,因此混凝土收缩必然在结构、构件中产生内应力,当这些应力足够大时,就会导致结构构件的开裂。
目前提出的混凝土徐变机理理论有很多,这些理论一般都基于水泥浆体的微观结构。较常用的理论有黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论及内力平衡理论等。
黏弹性理论认为水泥浆体是一种凝胶骨架空隙充满黏弹性液体的弹性复合体。水泥浆体承受的荷载部分分配给固体空隙中的水承受,延缓了瞬时弹性变形。当水从压力高处流向低处时,分配给固体骨架的荷载增大,导致弹性变形变大。卸除荷载后,水开始倒流,从而引发徐变恢复。
渗出理论认为混凝土受到荷载持续作用的情况下,凝胶粒子表面吸附水以及层间水会出现流动现象,导致混凝土发生徐变。渗出理论可以较好地诠释初期徐变率大以及非恢复性徐变的现象,但渗出理论无法解释试件在干燥之后再潮湿而发生徐变的现象。
黏性流动理论把混凝土分为水泥浆体和惰性骨料两大部分,前者在荷载作用下发生黏性流动,后者在荷载作用下不发生黏性流动。当混凝土处于受荷状态时,惰性骨料阻碍了水泥浆体的黏性流动,导致力传递给骨料,从而骨料受到较大的应力,而水泥浆体的应力不断减小。这样也就可以解释徐变速率为何会不断减小。
塑性流动理论采用金属材料晶格滑动塑性变形来解释混凝土徐变现象。当金属材料所受工作应力超过其屈服点,就会引起塑性变形。金属材料塑性变形不会引起体积变形,只是晶格沿最大剪切面移动,但是混凝土的剪切能力相比而言强于其拉伸能力。混凝土在剪切破坏之前会先发生拉伸破坏。混凝土徐变有一点与金属塑性变形不一样,混凝土徐变会引起体积减小。
微裂缝理论认为黏结微裂缝在受到荷载作用之前就已经存在于多相材料界面上。当处于正常工作荷载状态下,微裂缝通过摩擦力连续传递荷载,徐变变形略有增加。当受到的工作荷载过大时,微裂缝会扩张而且产生新裂缝;当受到的荷载持续增加时,裂缝会不断发展甚至贯通。承受较大工作应力作用情况下产生的非线性徐变现象可以用塑性流动理论和微裂缝理论解释。
内力平衡理论认为水泥浆体开始处于一种平衡状态,受到工作荷载作用导致其内力平衡状态遭到破坏,从而引发其向一种新的平衡状态发展,这个发展的过程称为徐变。依照这个理论的观点,任何破坏内力平衡的因素都会引发混凝土干燥收缩和徐变,如荷载、温度、湿度变化等因素。
仅通过一种徐变理论是不能充分解释混凝土徐变机理的,想要深入全面地了解混凝土徐变机理需要将几种理论结合分析。例如,采用黏弹性理论和黏性流动理论可以解释混凝土徐变在施加工作荷载初期发展速率大,而后发展速度逐渐减缓,并产生可恢复徐变。采用渗出理论可以解释加荷初期产生的不可恢复徐变。采用黏性流动理论可以解释随工作荷载不断作用,混凝土主要产生不可恢复徐变。采用塑性流动理论和微裂缝理论可以解释当工作荷载过大时,徐变速率不断增大,应力与应变表现为非线性关系。但是实际情况很少引发这一阶段的徐变现象,一般来说混凝土结构的徐变逐渐趋于稳定。