产生混凝土收缩的原因

混凝土的收缩是指混凝土在凝结硬化及使用过程中由于混凝土内部的化学反应、水份变化和温度变化等引起的体积减小。依据引起收缩的因素类型，可以简单地将混凝土的收缩分为热收缩和失水收缩。热收缩包括大体积混凝土的水化反应引起的收缩及水化反应期间温差引起的收缩。由于温差引起的收缩在大体积混凝土工程中受到了广泛关注，在大体积混凝土的设计及制造过程中控制温差已经成为预防开裂的重要措施。但是，Rawhouser在1945年就已经指出：温差仅仅是影响混凝土开裂的因素之一，混凝土早期的热应力现象异常复杂，仅仅靠控制温度而忽视其他因素的影响来避免开裂难以有效也几乎毫无意义。在此基础上，失水现象作为另一个引起收缩的因素而引起人们的关注。失水收缩包括混凝土内部水化反应消耗水和外部环境影响下的干燥失水收缩。混凝土的收缩一般可以细分为主要的六大类，包括塑性收缩、自收缩、干燥收缩、温度收缩、化学收缩和碳化收缩。

（1）塑性收缩

在水化终凝前的一段时间内，混凝土由于表面失水过快而产生的收缩，主要在混凝土加水拌合后的3~12h龄期内产生，直到混凝土终凝前最为明显，且仅发生在混凝土表面，因为发生在混凝土的塑性阶段所以被称为塑性收缩，塑性收缩是引起塑性开裂的主要原因。混凝土在新拌状态下，拌合物的颗粒中间充满着水，如果养护不足或环境温度较高、湿度较小、风速较大，当表面的失水速率超过泌水速率时，则会使混凝土毛细管中产生负压，使浆体产生收缩。引起塑性收缩的原因很多，混凝土内部的化学反应、重力作用以及塑性阶段的干燥失水都可能引起塑性收缩，一般都是各向异性，但是主要表现在重力方向上的收缩。塑性收缩多见于大面积的混凝土工程中，如道路、地坪、楼板等，因为夏季温度高，混凝土失水快，所以塑性收缩在夏季施工中比较普遍。

混凝土塑性收缩开裂的影响因素很多，总的来说可以分为内部因素和外部因素，内部因素包括水胶比、矿物掺合料、浆骨比、混凝土的温度和凝结时间等，外部因素包括风速、环境温度和相对湿度等。通常，控制塑性收缩的方法是降低混凝土表面的失水速率，混凝土夏季施工时表面水分的蒸发速率控制在1kg/(m²•h)以下，可以采取防风、降温、加入缓凝剂延缓混凝土凝结速率等方法，其中最有效的作法是表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等在终凝前保持混凝土表面湿润。

（2）自收缩

自收缩是指混凝土或其他水泥基材料在恒温密封条件下，在表观体积或长度上的减小。混凝土初凝后，即使不向外部散失水分，混凝土内部的自由水量也会因水化反应消耗而逐渐减少；封闭状态的混凝土内部相对湿度随着水化反应而降低的现象，称为自干燥作用；自干燥作用导致毛细孔中液面形成弯月面，使毛细孔压升高而产生毛细孔负压，引起混凝土的自收缩。

混凝土的自收缩现象早在20世纪30年代就已经发现，当时观测到的现象是混凝土在恒温恒重下自身能够收缩，但是当时的混凝土水胶比大（W/B>0.5），几乎不掺加矿物掺合料，所以自收缩测定值只有（50～100）×10-6，这与干燥收缩相比小得多，因此一直没有得到足够重视。直到20世纪90年代，随着高效减水剂的使用使配制混凝土可以采用低水胶比，混凝土的自收缩现象才越来越引起人们的关注。当混凝土的水胶比为0.40时，自收缩约占总收缩值的25％，已经不可忽略；当水胶比为0.30时，自收缩约占总收缩值的35％；当水胶比降低到0.19且掺有硅灰时，自收缩占总收缩值的比重高达75％。

产生自收缩的必要条件是内部存在未水化的胶凝材料，充分条件是混凝土中的水分无法满足内部水化的需要。通常可以采取的抑制混凝土自收缩的主要措施有：

矿物外加剂：有大量文献表明，掺入粉煤灰和石灰石粉可以降低混凝土的自收缩。

使用减缩剂：减缩剂通常为表面活性剂，可以降低水表面张力及凹液面的接触角，因而降低因自干燥产生的应力，减缩剂同样可以降低混凝土因干燥产生的自收缩。

充分水养护：充分水养护对减小混凝土的自收缩非常有效，能从根本上减小混凝土的自收缩。

选用适宜的水泥：选用低C₃A、C₄AF和高C₂S的水泥可以降低自收缩。

使用轻骨料：混凝土中掺入浸水的轻骨料，通过轻骨料内部水分在混凝土中水分消耗的情况下继续向水泥石体系的供应水分，可以在不影响其他性能的情况下有效降低混凝土的自收缩。

（3）干燥收缩

干燥收缩是在不饱和的空气中由于水分散失引起的不可逆收缩，不同于干湿交替所产生的可逆收缩，通常在混凝土停止潮湿养护后开始产生。其原理是混凝土内部的毛细孔失水形成弯液面，产生负压而引起收缩，随着相对湿度的降低，水泥浆体的干燥收缩逐渐增大。混凝土中水分可以大致为自由水、物理吸附水（毛细孔水、凝胶孔水）、化学结合水（层间水）。一般认为，混凝土硬化后首先是自由水蒸发（气孔和>50nm的毛细孔中水），此时不会引起硬化浆体收缩；当湿度进一步降低到40%左右，水泥浆体开始失去较小毛细孔中的水，引起毛细孔中形成弯液面对硬化浆体产生负压会引起收缩；当湿度进一步降低到30%左右；浆体会失去大部分物理吸附水而引起进一步收缩；当湿度降到11%以下时，浆体会失去化学结合水而产生明显收缩。通常情况下混凝土不会长期处于能使浆体中C-S-H凝胶失去结合水的极端干热环境下，所以引起干燥收缩的主要是物理吸附水的散失。

影响混凝土干燥收缩的因素非常多，有水胶比、水泥组成、水泥用量、化学外加剂、矿物掺合料种类和用量、骨料的种类和用量、环境条件、试件尺寸等。有研究认为混凝土的干燥收缩值并不受水胶比的影响，但是事实上，研究中的总收缩包括自收缩和干燥收缩，当水胶比降低时，自收缩增大而干燥收缩减小，使得在研究的试验条件下总收缩值在数量等级上保持不变。当水泥用量一定时，降低水胶比骨料用量就将增加，水胶比越大，混凝土的收缩越大，骨料用量越大，混凝土的收缩越小。这是因为骨料用量大，胶凝材料用量就少，其产生的化学收缩和自干燥收缩就小，并且骨料能提高混凝土早期的弹性模量，起到骨架作用为使得收缩变形小。

（4）温度收缩

水泥水化反应会放出热量，因混凝土是热的不良导体，内外的散热效果不同引起内外部的温度存在差异，基于材料的热胀冷缩特性，在不同的部位导致不同的体积变化，当这种体积变形差异所引起的拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，会产生收缩开裂。一般情况下裂缝宽度可达1～4mm，严重时出现贯穿裂缝。混凝土的温度收缩与其本身及各成分的热膨胀系数、内部温度和降温速度等因素有关。在没有约束情况下，混凝土由于温差引起的收缩是温差与混凝土的热膨胀系数的乘积；混凝土的热膨胀系数与很多因素有关，包括但不限于相对湿度、骨料种类和用量等，一般在(6×10^-6～12×10^-6/℃)，若取10×10^-6/℃，则温度降低20℃所产生的收缩值为2.0×10^-4。如果将弹性模量取为30GPa，则因为温度下降引起的收缩在完全约束下会产生6.0MPa的拉应力，超过混凝土抗拉强度时，就会引起开裂。由于大体积混凝土结构的热传导性能差，当混凝土内部温度仍处于较高温度或继续增长时，混凝土的外部温度可能已接近于环境温度，此时外层混凝土收缩而内部混凝土不变甚至膨胀，当外层混凝土降温产生的限制收缩达到一定值时就会产生足以使混凝土开裂的温度应力。在实际工程中，大体积混凝土中形成的较大的温度梯度会产生非常大的结构温差应力。造成混凝土内部温度升高的原因有原材料自身温度较高，水泥水化时放出的热量等，其中水泥水化时放出的热量是温度升高的主要原因。另一种温度应力是由于混凝土各部分不同热膨胀系数引起的。混凝土热膨胀系数是混凝土内部湿度、骨料种类及用量的函数，一般为0.1×10^-4/℃，而水的热膨胀系数为2.1×10^-4/℃，浆体的热膨胀系数为1.3×10^-4/℃，温度变化不同部分产生的收缩（膨胀）不同，使得毛细孔水的表面张力随着温度下降而增大，孔壁受到的收缩力增大导致水泥石的收缩。混凝土、浆体、骨料和混凝土内部的毛细孔水的热膨胀系数的差别造成混凝土在降温的过程中产生局部温度应力，从而会引起混凝土内部的微裂缝。

这两种形式的温度应力在混凝土内部同时存在并叠加，使混凝土承受相当大的温度内应力，有时甚至比荷载产生的应力还大，导致混凝土内部微裂缝扩展，甚至形成上下贯通裂缝。

（5）化学减缩

水泥水化后，生成物的固相体积增加，但固相和液相（水）的总体积减小，固相物质无法全部填充满原本由水占据的空间因而引起的体积收缩称为化学减缩。化学减缩是伴随着水化反应产生的，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，理论上硅酸盐水泥浆体完全水化后，体积减缩总量为7％~9％。在水泥硬化的不同阶段，化学减缩通过不同的方式表现。在水泥硬化前，新生成的固相体积填充了先前水分占据的空间，使水泥石密实，在此阶段混凝土仍然是塑性状态，化学减缩通过宏观体积减小的方式表现；在水泥硬化后，混凝土具有一定的弹性模量而不能轻易产生宏观体积收缩，化学减缩以形成内部孔隙的方式表现。因此，化学减缩在硬化前不影响混凝土塑性阶段的性质，硬化后则随水胶比的不同形成不同孔隙率而影响混凝土的各种力学性质（如强度）和非力学性质（如渗透性）。化学减缩与水泥的矿物组成密切相关，熟料中各矿物相的减缩程度存在差异，其中铝酸三钙矿物水化后的化学减缩最大，约为硅酸盐矿物（C₃S和C₂S）减缩的3倍，因此使用铝酸三钙熟料矿物含量低的水泥是减小水泥化学减缩的有效措施。

（6）碳化收缩

碳化收缩是指混凝土在大气中由于碳化作用引起的收缩。碳化作用是指大气中的CO₂在有水分存在的条件下与混凝土中的水化产物发生化学中和反应生成CaCO₃和水等产物。因为反应后的产物体积较反应前的小而引起水泥石收缩，称为碳化收缩。

碳化首先发生于Ca(OH)₂，反应生成CaCO₃，导致体积收缩。因为Ca(OH)₂浓度的减小使得水泥石中的碱度降低，继而其他水化物（如C-S-H及C₃A·3CaSO₄·32H₂O）也与CO₂反应生成CaCO₃等产物，导致体积收缩。

碳化速度取决于混凝土的含水量、混凝土孔溶液的pH值、环境相对湿度以及空气中CO₂的浓度。混凝土内部的碳化作用只在合适的相对湿度（约50%）下才会比较快地进行。这是因为相对湿度过高（例如相对湿度100%时），混凝土孔隙中被水分充满，CO₂很难通过孔隙扩散至水泥反应产物中去，而且水泥石中的Ca^2-会通过水分扩散到混凝土表面，并且快速碳化生成CaCO₃把空隙堵塞，使得碳化作用难以进行，故碳化收缩较小；相反，相对湿度过低时（例如25%时），由于碳化作用需要水分，而此时孔隙中没有足够的水分，碳化作用也不易进行，碳化收缩相应也较小。

实际上，混凝土所处的环境条件非常复杂，其收缩变形并不是由某一单独的因素造成的，一般都是几种原因引起的几种收缩变形共同叠加作用的结果。例如，自收缩在混凝土的收缩中是肯定会发生的，只是其收缩量的大小及对总收缩量的影响不同，很难完全区分开来。