黃安良，甘 偉，何堅強，王 慶

（1、廣州立墻墻體材料有限公司 廣州510800；2、廣州大學土木工程學院 廣州510006）

0 引言

水泥基材料（如混凝土）是基于水泥制備而成的復合材料，具有可塑性好、抗壓強度高、原材料簡單等優(yōu)點，在建筑工程領域有廣泛的應用。在水泥與水接觸發(fā)生水化反應及礦物摻合料發(fā)生二次水化作用時，其產(chǎn)物的體積小于反應前水泥和水的總體積［1］，將引起復合材料的體積減小，在密閉且不考慮外界因素作用的狀態(tài)下，表觀體積的減小被稱為自收縮［2］。水泥基材料在發(fā)生自收縮的過程中，不可避免地在材料內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應力，若該應力大于材料本身的抗拉強度，則極容易導致構件或結構發(fā)生開裂，是威脅工程使用性和耐久性的主要因素之一，成為建筑領域的共性難題［3］。因此，掌握水泥基材料自收縮在水泥水化全過程的發(fā)展規(guī)律，對于防止和診治收縮開裂引起的建筑工程質(zhì)量問題具有重要意義［4］。

1 自收縮機理

水泥基材料宏觀體積的減小主要來源于復合材料本身的化學作用和自干燥過程，在體系封閉的情況下，水化反應將消耗混合物顆粒之間的自由水，從而引起材料內(nèi)部相對濕度的降低［5］。根據(jù)Kelvin公式和Laplace方程，反應后材料的毛細孔負壓降低，同時，水泥水化后形成的產(chǎn)物體積減小，這是產(chǎn)生收縮的根本原因；另一方面，在混凝土內(nèi)部相對濕度下降的過程中，沒有外部水源補充的情況下發(fā)生自干燥，混凝土同樣經(jīng)歷體積收縮，即自干燥收縮［6，7］。因此，在研究水泥基材料自收縮時，需將材料放置在密閉條件下，保證與外界不發(fā)生濕度交換［8］。目前，國內(nèi)外對水泥基材料自收縮的研究主要集中在自收縮的測量手段［9］、調(diào)控方法及其與其它材料參數(shù)的相對關系等方面［10，11］，由于超早齡期及超長齡期水泥基材料的自收縮數(shù)據(jù)并不易測得，直接實際工程對自收縮發(fā)展規(guī)律的分析和判斷，因此，基于前期研究數(shù)據(jù)和相關理論建立水泥基材料自收縮模型具有總結性和前瞻性，是自收縮研究領域的關鍵環(huán)節(jié)之一。

由自收縮機理可知，膠凝材料（包括水泥及活性礦物摻合料）的水化速率及最終水化度是化學減縮的主要影響因素，而內(nèi)部相對濕度的變化規(guī)律及自干燥過程則是影響水泥基材料自收縮的另一因素。此外，構件形狀與尺寸、內(nèi)部孔徑大小與分布、輕質(zhì)骨料和外加劑的摻入也與復合材料的自收縮直接相關。如何在眾多影響因素中確定主控因素，是建立適用的自收縮模型的關鍵。

2 收縮預測模型

早在20 世紀90 年代，國際上已陸續(xù)提出了多種自收縮預測模型。如美國混凝土協(xié)會ACI 209基于材料內(nèi)部濕度、試件尺寸與形狀等因素構建了混凝土全齡期的自收縮變化規(guī)律［12］。該模型以開始收縮時刻為0 點，采用分數(shù)模型，充分考慮構件形狀和尺寸的影響，引入相關修正系數(shù)，適用于膠凝材料只采用通用水泥的混凝土材料。

Sirtoli等人［13］進一步探究了不同類型水泥自收縮實驗結果與ACI 209.R-92 預測模型的適應性，發(fā)現(xiàn)ACI 209.R 模型雖然在干燥收縮方面模型計算值與實驗結果吻合良好，但自收縮預測值與實驗結果差異較大（見圖1），尤其是在采用硫鋁酸鹽水泥（SAC）的情況下。此項研究結果表明水泥性質(zhì)對材料的自收縮影響很大，例如硫鋁酸鹽水泥本身含較多硅酸三鈣，更易于早期水化并形成強度，且水化后生成大量的鈣礬石，具有微膨脹的特性（見圖1 中2 種水泥混合的MIX 組），因此，在涉及硫鋁酸鹽水泥作為主要膠凝材料時，應在預測模型中予以區(qū)別。

圖1 自收縮實驗結果與ACI模型結果對比［13］Fig.1 Comparison of Autogenous Shrinkage from Test Results and Aci Model

Wang 等人［14］在ACI 209 R-92 自收縮模型的基礎上，研究陶?；炷恋淖允湛s發(fā)展規(guī)律，引入陶粒體積分數(shù)及骨料含水量，并采用三參數(shù)擬合方法，提出了預吸水陶?；炷磷允湛s模型。從圖2模型與實驗結果對比可知，引入陶粒體積分數(shù)Rv及骨料含水量w后，該模型能準確地描述不同體積替代率Rv（0%，30%，50%，70%，100%）預吸水陶?；炷恋淖允湛s發(fā)展規(guī)律。ACI模型在預測通用水泥基材料的自身收縮上具有一定的可靠性，但當材料組成發(fā)展變化時，需作進一步的調(diào)整和修正。

圖2 陶?；炷磷允湛s模型結果與實驗結果對比［14］Fig.2 Comparison of Autogenous Shrinkage Prediction Model and Test Results of Light Aggregate Concrete

與前述模型不同，歐洲規(guī)范［15］引入材料28 d圓柱體抗壓強度fck作為模型主要參數(shù)之一，將收縮開始時刻記為起始點，提出全齡期自身收縮預測模型。由該模型可知，材料收縮與其強度正相關，亦即材料強度越高，對應自收縮也越大。Oliveira等人［16］將不同強度自密實混凝土自收縮實驗結果與歐洲規(guī)范進行比較，結果發(fā)現(xiàn)歐洲規(guī)范收縮模型低估了材料的自身收縮值（見圖3），且差異較大。只考慮材料強度作為自身收縮規(guī)律預測的模型顯然具備先天缺陷，同一強度等級的水泥基材料可能有多種組成方式，自身收縮規(guī)律因水化程度、內(nèi)部結構、孔隙分布等特征而有所不同。

圖3 自密實混凝土自收縮實驗結果與歐洲規(guī)范模型對比［15］Fig.3 Comparison of self-compacting Concrete Shrinkage Test Results with Eurocode Model

CEB-FIP 基于28 d 混凝土圓柱體抗壓強度，考慮水泥品種及外加劑的影響，給出了收縮終值與齡期t時刻收縮值的計算公式［17］。該公式根據(jù)大量自收縮研究結果與其抗壓強度數(shù)據(jù)進行擬合分析，建立了考慮水泥品種影響系數(shù)的回歸方程，同樣，材料強度的提高將引起自收縮的增大。李聰?shù)热耍?8］將粉煤灰超高性能混凝土收縮與其立方抗壓強度進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者相關性顯著，基于抗壓強度發(fā)展規(guī)律可用于預測自收縮發(fā)展，但仍需大量數(shù)據(jù)作為支撐。江晨暉等人［19］通過對已有試驗數(shù)據(jù)的擬合，建立了二次多項式數(shù)學模型，回歸系數(shù)普遍高于0.94，具有較好的適用性。Tazawa［20］，Jonasson［21］，Lee［22］等人根據(jù)實驗結果與CEB-FIP 模型，分別進一步提出了與各自實驗結果相吻合的修正模型。在此基礎上，Yoo 等人［23］認為自收縮的起點應從應變和內(nèi)部溫度發(fā)生變化時開始，分別提出了考慮減縮劑影響的含硅粉（SF）、同時摻加硅粉（SF）和?；郀t礦渣（GGBFS）的自收縮終值計算公式及預測模型。

Li等人［5］基于毛細管理論，借助毛細管參數(shù)，如表面張力、臨界直徑及彈性模量、泊松比等，提出混凝土早期自收縮的預測模型。相比而言，該模型理論性較強，但相關研究的難點在于如何獲得任意時刻水泥基材料內(nèi)部的孔隙特征和表面張力。

綜上所述，表1 整理了文獻中自收縮模型的相關公式與參數(shù)，主要有以下3大類：⑴基于自收縮實驗結果擬合的多參數(shù)修正模型；⑵與抗壓強度相關的收縮終值公式及發(fā)展模型；⑶考慮材料內(nèi)部孔隙特征的自收縮理論模型。截至目前，對水泥基材料自收縮及收縮開裂的關注日益增加，但因其影響因素眾多，且主控因素不明，實際工程中混凝土自收縮的規(guī)律掌握水平還較為有限，在水泥基材料的模型構建與優(yōu)化方面還需要大量的研究作為理論支撐和數(shù)據(jù)補充。

表1 自收縮模型匯總Tab.1 Self-shrinking Model Summary

3 結論

本文通過對不同規(guī)范及已有文獻的綜述，總結歸納了水泥基材料的自收縮規(guī)律和全齡期發(fā)展模型，得出如下結論：

⑴自收縮模型的相關公式與參數(shù)主要有3類：基于自收縮實驗結果擬合的多參數(shù)修正模型、與抗壓強度相關的收縮終值計算及發(fā)展模型及考慮材料內(nèi)部孔隙特征的自收縮理論模型。

⑵多參數(shù)修正模型能夠有效考慮材料養(yǎng)護時間、濕度、構件形狀和尺寸的影響，還可針對實際工程可能存在的不同品種水泥及內(nèi)養(yǎng)護劑等因素進行相關修正。

⑶單純考慮抗壓強度的收縮終值計算及發(fā)展模型盡管能描述自收縮與材料強度的相關性，但在實際自收縮的預測中具有一定的局限性。

⑷考慮材料內(nèi)部孔隙特征的自收縮模型理論性強，但在試驗研究方面存在一定缺陷，尤其是內(nèi)部孔隙特征的實時測定。

因此，基于對水泥基材料自收縮性能和模型的綜述，該領域可能存在如下幾個研究方向：

⑴提高水泥基材料自收縮測量方法，不僅需要準確監(jiān)測材料收縮零點，而且能夠?qū)崟r監(jiān)測自收縮全齡期曲線。

⑵當材料組成過多時，采用單一變量的原則，分別分析不同組分對自收縮規(guī)律的影響，為多組分協(xié)同工作提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

⑶統(tǒng)計水泥基材料自收縮與抗壓強度的關系，明晰不同影響因素中的主控因素并提出修正參數(shù)。

⑷基于孔隙特征的自收縮模型與材料實際自收縮曲線進行對比分析，借助先進內(nèi)部孔隙測量設備，完善和修正理論模型。