预制混凝土构件生产与应用技术：混凝土力学性能与应用

混凝土是一种结构材料，力学性能是硬化混凝土的重要性能，主要包括强度和徐变两方面内容。

1.强度

强度是混凝土最重要的力学性质，这是因为任何混凝土结构物都主要是用以承受荷载或抵抗各种作用力。同时，混凝土的其他性能，如弹性模量、抗渗性、抗冻性等都与混凝土强度之间存在密切联系。混凝土强度的测试相对来说比较简单，因而经常用混凝土强度来评定和控制混凝土的质量以及作为评价各种因素（如原材料、配合比、制造方法和养护条件等）对混凝土性能影响程度的指标。

材料的强度定义为抵抗外力不受破坏的能力。混凝土的强度主要有抗压、抗折、抗拉、抗剪强度，混凝土与钢筋的黏结强度等。在钢筋混凝土结构中，混凝土主要用来抵抗压力，同时考虑到混凝土抗压强度试验简单易行，因此，抗压强度是最主要最常用的强度指标。

（1）立方体抗压强度和强度等级

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定，立方体试件的标准尺寸为150mm×150 mm×150 mm；标准养护条件为温度（20±2）℃，相对湿度为95%以上；标准龄期为28 d。在上述条件下测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度，以fcu表示。

根据《混凝土结构设计规范》，混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。混凝土立方体抗压强度标准值是指标准方法制作养护的边长为150 mm的立方体试件，在28 d龄期用标准方法测得的具有95%保证率的抗压强度。混凝土强度等级采用符号C和相应的立方体抗压强度值表示，可分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80若干个强度等级。如C30表示立方体抗压强度标准值为30 MPa，即立方体抗压强度不小于30 MPa的概率要求在95%以上。

（2）其他强度

①轴心抗压强度

轴心抗压强度也称棱柱体抗压强度。由于实际结构物（如梁、柱）多为棱柱体构件，因此采用棱柱体抗压强度更有实际意义。轴心抗压强度以标准试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，经标准条件养护到28 d测试而得。同一混凝土材料的轴心抗压强度fcp小于立方体抗压强度fcu，其比值为fcp=（0.7～0.8）fcu。这是因为抗压强度试验时，试件在上、下两块钢压板的摩擦力约束下，侧向变形受到限制，即环箍效应，此效应的影响高度大约为试件边长的0.866倍。因此立方体试件几乎整体受到环箍效应的限制，测得的强度相对较高。而棱柱体试件的中间区域未受到环箍效应的影响，属纯受压区，测得的强度相对较低。当钢压板与试件之间涂上润滑剂后，摩擦阻力减小，环箍效应减弱，立方体抗压强度与棱柱体抗压强度趋于相等。

②抗折强度

道路路面或机场路面所用水泥混凝土通常以抗折强度为主要强度指标，抗压强度仅作为参考指标。标准试件为150 mm×150 mm×600 mm（或550 mm）的棱柱体试件，经标准条件下养护到28 d进行测试，按三分点加荷方式测定抗折破坏荷载F，抗折强度ff（MPa）的计算公式为

式中　F——破坏荷载，N；

l——支座间跨度，mm；

b，h——试件截面的宽度和高度，mm。

采用100 mm×100 mm×400 mm的非标准试件测得的强度值应乘以尺寸换算系数0.85；当混凝土强度等级≥C60时，采用非标准试件的尺寸换算系数应由试验确定。

③抗拉强度

混凝土的抗拉强度很小，只有抗压强度的1/15～1/10，混凝土强度等级越高，其比值越小。因此，在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑承受拉力，而是通过配置钢筋，由钢筋来承受结构的拉力。但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要作用，它是结构设计中裂缝宽度和裂缝间距计算控制的主要指标，也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。

用轴向拉伸试验测定混凝土的抗拉强度，由于荷载不易对准轴线而产生偏拉，且夹具处由于应力集中常发生局部破坏，因此试验测试非常困难，测试值的准确度也较差，故国内外普遍采用劈裂法间接测定混凝土的抗拉强度，即劈裂抗拉强度。

劈裂抗拉强度试验的标准试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体，在上下两相对面的中心线上施加均匀分布线荷载，使试件内竖向平面上产生均匀拉应力。此拉应力可通过弹性理论计算得出，计算式为

式中　fts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；

F——破坏荷载，N；

A——试件劈裂面积，mm2。

采用100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件测得的强度值应乘以尺寸换算系数0.85；当混凝土强度等级≥C60时，采用非标准试件的尺寸换算系数应由试验确定。

劈裂法不但大大简化了试验过程，而且能较准确地反映混凝土的抗拉强度。试验研究表明，轴心抗拉强度低于劈裂抗拉强度，二者的比值为0.8～0.9。在没有试验数据资料可参考时，劈裂抗拉强度也可通过立方体抗压强度由式（2.23）估算：

④混凝土与钢筋的黏结强度

钢筋混凝土结构中，钢筋与混凝土这两种物质特性完全不同的材料之所以能够共同作用，作为一个整体，主要是依靠钢筋与混凝土之间的黏结力。这种黏结力实际上是由三部分作用构成：（a）混凝土中水泥颗粒的水化作用形成的水化产物对钢筋表面产生的化学胶结力；（b）混凝土硬化时体积收缩，将钢筋握裹而产生的摩擦阻力；（c）由于钢筋表面凹凸不平或变形肋与混凝土之间形成的机械咬合作用而形成的挤压力。对于光圆钢筋，黏结强度主要由化学胶结力与摩擦阻力两部分组合而成，而变形钢筋由于肋的存在极大改善了黏结作用，当过渡区的胶结层破坏后，钢筋凸肋对混凝土的挤压力和钢筋与周围混凝土之间的摩擦力构成了黏结滑动阻力、肋的斜向挤压对混凝土产生楔胀作用，导致混凝土齿状凸起部分折角处因应力集中而出现斜裂缝和径向裂缝。

一般来说，黏结强度与混凝土质量有关，它与混凝土抗压强度成正比关系。随着混凝土抗压强度的提高，黏结强度的增加值逐渐减小，对于高强混凝土，黏结强度的增加值则很小，可以忽略不计。由于混凝土的内分层，水平钢筋的黏结强度较垂直钢筋的低。由于混凝土的体积收缩使混凝土与钢筋黏结面更加紧密，干燥混凝土的黏结强度较潮湿混凝土的高。经受干湿循环、冻融循环和交变荷载作用后，混凝土与钢筋的黏结强度会有所降低。温度升高会降低混凝土的黏结强度，温度为200～300℃时，黏结强度约为室温时的一半。

（3）影响混凝土强度的因素

影响混凝土强度的因素很多，从内因来说，主要有水泥强度、矿物掺和料、水灰比、骨料质量和外加剂等；从外因来说，主要有施工条件、养护温度、湿度、龄期、试验条件等。

①水泥和水灰比

混凝土的强度主要来自水泥石及其与骨料之间的黏结强度。水泥强度越高，则水泥石自身强度及其与骨料的黏结强度就越高，混凝土强度也越高。试验证明，在其他条件相同的情况下，混凝土强度与水泥强度成正比关系。

1918年，美国伊利诺伊大学的Duff Abrams经过大量研究发现水灰比（W/C）与混凝土强度（fc）间的关系，也就是现在广为人知的Abrams水灰比定则：

式中　k1，k2——经验常数。

水泥完全水化的理论需水量约为水泥质量的23%，但实际拌制混凝土时，为获得良好的和易性，水灰比为0.30～0.65，多余水分蒸发后，在混凝土内部留下孔隙，且水灰比越大，留下的孔隙越多，使有效承压面积减少，混凝土强度也就越小。此外，多余水分在混凝土内的迁移过程中遇到粗骨料时，由于受到粗骨料的阻碍，水分往往在其底部积聚，形成水泡，极大地削弱了砂浆与骨料的黏结强度，使混凝土强度下降。因此，在水泥强度和其他条件相同的情况下，水灰比越小，混凝土强度越高，水灰比越大，混凝土强度越低。但水灰比太小，混凝土过于干稠，则不能保证振捣均匀密实，强度反而降低。在相同制备工艺情况下，混凝土的强度（fcu）与水灰比存在规律的曲线关系，而与灰水比则呈线性关系。通过大量试验资料的数理统计分析，建立了混凝土强度经验公式（又称鲍罗米公式），这也是目前混凝土配合比设计的基础公式。

式中　fcu，0——混凝土在标准养护28 d龄期时的抗压强度；

fce——水泥28 d抗压强度；

αa，αb——经验常数，主要与骨料种类有关；

C，W——单位体积混凝土中水泥和水的质量。

经验系数αa，αb可通过试验或本地区经验确定。根据所用骨料品种，《普通混凝土配合比设计规程》提供的参数为：对于碎石，αa=0.46，αb=0.07；对于卵石，αa=0.48，αb=0.33。

在此必须指出，这里的水灰比应是有效的水灰比或净水灰比。由于骨料的吸水作用，会降低原始水灰比，因此实际的有效水灰比较原始水灰比小，特别是对于吸水率较大的骨料（如轻骨料）来说，应以饱和面干骨料进行试验。

②外加剂

在混凝土中掺入减水剂，可在保证相同流动性的前提下，减少用水量，降低水灰比，根据水灰比定则，混凝土的强度可以得到提高；保持水灰比一定时，由于减水剂使水泥浆体分散更均匀，水泥水化速率和早期强度发展也有所加快。掺入早强剂，则可有效加速水泥水化速度，提高混凝土早期强度，但对28 d强度不一定有利，后期强度还有可能下降。通常认为，缓凝剂使混凝土早期强度发展缓慢，但混凝土的后期强度会稳步增长甚至超过不掺外加剂混凝土，这可能是由于早期水化速率降低有利于水泥石结构密实、水化热裂缝减小而引起的。掺引气剂可使混凝土强度降低，一般认为，混凝土中含气量每增加1%，混凝土抗压强度降低5%～6%。

③矿物掺和料

对于现代混凝土来说，矿物掺和料几乎成了必不可少的一个重要组分。不同矿物掺和料由于其矿物组成、水化活性和颗粒细度不同，对混凝土强度发展的影响也不同。

硅灰的细度是水泥细度的100倍左右，掺入后由于物理紧密填充作用使水泥石密实性和过渡区明显改善。硅灰中主要含90%以上的活性SiO2，它可以与水泥水化释放出来的Ca（OH）2发生二次水化反应，因此，掺硅灰混凝土强度在整个龄期均明显高于基准混凝土。硅灰对混凝土强度的作用通过与掺炭黑混凝土强度的对比进一步表明它的火山灰效应和显微填料效应。

粉煤灰和矿渣中含有大量的活性SiO2，Al2O3，因而具有与较强的水泥水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应的潜在活性，但其活性远低于水泥熟料，水化速率慢，因而掺矿渣、粉煤灰混凝土的早期强度明显低于纯水泥混凝土。但由于矿渣、粉煤灰的二次水化反应持续时间长，消耗Ca（OH）2可明显改善水泥石微结构，因而其长期强度不断增长，90 d强度通常会达到甚至超过基准混凝土强度。矿渣、粉煤灰对混凝土强度的影响还与其细度、掺量有很大关系，当矿渣细度超过400 m2/kg时，它不会使混凝土早期强度降低，而且后期强度还会高于基准混凝土强度。

④骨料

对于普通混凝土，骨料颗粒强度通常是水泥石基体和过渡区强度的好几倍，因而骨料强度对混凝土强度的影响很小，但对于轻骨料混凝土和高强混凝土，骨料强度与基体强度相差不多，甚至低于基体强度，这时骨料自身的强度会直接影响混凝土整体强度。

对于普通混凝土，过渡区是最薄弱区域，破坏最先发生在过渡区。因而，骨料的颗粒形状和表面粗糙度对强度影响较为显著，如碎石表面较粗糙、多棱角，与水泥砂浆的机械啮合力（即黏结强度）提高，混凝土强度较高。相反，卵石表面光洁，强度也较低，这一点在混凝土强度公式中的骨料系数已有所反映。但若保持流动性相同，水泥用量相等，由于卵石混凝土可比碎石混凝土适当少用部分水，即水灰比略小，此时，二者强度相差不大。

级配良好的粗骨料改变其最大粒径对混凝土强度的影响如下：骨料粒径越大，混凝土需水量越小，但较大骨料容易造成疏松、多孔的过渡区（内分层现象明显）。试验研究表明，增大骨料粒径会对低水灰比的高强度混凝土产生不利影响，但对大水灰比混凝土来说影响不大。由于过渡区对抗拉强度的影响比抗压强度显著，因而可以说，在水灰比一定时，混凝土的拉压强度比随着骨料粒径的增大而降低。

骨料中有害物质含量高，则混凝土强度低。当粗骨料中针片状颗粒含量较高时，将降低混凝土强度，对抗折强度的影响更显著，所以在骨料选择时要尽量选用接近球状体的颗粒。

⑤集灰比

对于普通强度等级的混凝土来说，集灰比对强度的影响并不明显。但对于强度较高的混凝土，集灰比的影响便明显地表现出来。在相同水灰比情况下，混凝土的强度有随着集灰比的增大而提高的趋势。这可能与骨料数量增多，吸水量也增大，有效水灰比降低有关，也可能与混凝土内孔隙总体积减小有关。

在水泥用量较多而水灰比很小的情况下，会表现出混凝土后期强度衰退的现象，这种反常现象特别在采用大尺寸骨料的情况下出现。这种现象产生的原因是：由于骨料颗粒限制水泥石收缩而产生的约束力使水泥石开裂或水泥石与骨料之间失去黏结性。

⑥施工条件

施工条件主要是指搅拌和振捣成型方式。一般来说，机械搅拌比人工搅拌更均匀，混凝土强度也相对较高；搅拌时间越长，混凝土强度越高。但考虑到能耗、施工进度等，搅拌时间一般要求控制在2～3 min。投料方式对强度也有一定影响，如先投入粗骨料、水泥和适量水搅拌一定时间，再加入砂和其余水，能比一次全部投料搅拌提高强度10%左右。

一般情况下，采用机械振捣的混凝土均匀密实，强度也略高，而且机械振捣允许采用更小的水灰比，获得更高的强度。此外，高频振捣、多频振捣和二次振捣工艺等均有利于提高强度。

⑦养护条件

混凝土浇筑成型后的养护温度、湿度是决定强度发展的主要外部因素。养护环境温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度发展也快，早期强度高。但是，当养护温度超过40℃时，虽然能提高混凝土的早期强度，但28 d以后的强度通常比20℃标准养护的强度低。若温度降低到混凝土孔溶液冰点以下，不但水泥水化停止，而且有可能因冰冻导致混凝土结构疏松，强度严重降低，尤其是早期混凝土应特别加强防冻措施。

湿度通常指的是空气相对湿度。相对湿度低，空气干燥，混凝土中的水分挥发加快，致使混凝土缺水而停止水化，混凝土强度发展受阻。此外，混凝土在强度较低时失水过快，极易引起干缩，影响混凝土耐久性。

⑧龄期

龄期是指混凝土在正常养护下所经历的时间。随着养护龄期增长，水泥水化程度提高，水化产物增多，自由水和孔隙率减少，混凝土强度也随之提高。对于普通混凝土，最初的7 d内强度增长较快，而后期增幅变慢，28 d以后，强度增长更趋缓慢，但如果养护条件得当，则强度在数十年内仍将以缓慢的速率增长。

普通硅酸盐水泥配制的混凝土，在标准养护下，混凝土强度的发展大致与龄期（d）的对数成正比关系，因此可根据某一龄期的强度推定另一龄期的强度。特别是以早期强度推算28 d龄期强度，即

式中　f28，fn——28 d和第n天时的混凝土抗压强度，但必须满足n≥3 d。

当采用早强型普通硅酸盐水泥时，由3～7 d强度推算28 d强度会偏大。即使在同一养护条件下，由于水泥品种、水泥硬化速度的波动，以及水灰比、外加剂都会影响混凝土强度的发展速度，因而难以得到一个可以普遍适用的推算公式，上述方法只能作为一个参考。

混凝土的强度不仅取决于时间，还取决于温度。混凝土所经历的时间和温度的乘积的总和，称为混凝土的成熟度，单位为℃·h或℃·d，即

M=∑(T-T0)Δt　(2.27)

式中　T——Δt时间段内混凝土平均温度，℃；

T0——基准温度，℃。

混凝土的强度与成熟度之间的关系很复杂，它不仅取决于水泥的性质和混凝土的强度等级，而且与养护温度和养护制度有关。只有在混凝土的初始温度为16～27℃，并且在所经历的时间内不发生干燥失水，成熟度规则才能很好地适用，即混凝土的强度和成熟度的对数呈线性关系。

在实际工程中，可根据温度、龄期对混凝土强度的影响曲线，从已知龄期的强度估计另一龄期的强度。

⑨试验条件

影响混凝土强度测试结果的因素主要有混凝土试件的尺寸、形状、表面状态和加载速度等。

大量的试验研究结果表明，试件的尺寸越小，测得的强度相对越高，这是由于大试件内存在孔隙、裂缝或局部缺陷的概率更大；同时，较大尺寸试件在测试强度时受到上下压板所产生的环箍效应影响较小，从而导致测得的强度值降低。因此，《混凝土强度检验评定标准》规定：混凝土强度等级小于C60，采用非标准尺寸试件时，要乘以尺寸换算系数。边长100 mm的立方体试件的抗压强度换算成150 mm的标准立方体试件时，应乘以系数0.95，200 mm的立方体试件的尺寸换算系数则为1.05。当混凝土强度等级不小于C60时，采用非标准试件的尺寸换算系数应由试验确定。

试件长径比的改变对混凝土抗压强度的影响如下：通常试件长径比越大，测得的混凝土强度越低，如与标准试件（长径比等于2）的强度相比较，试件长径比为1的强度约高出15%。

若试件表面平整，则受力均匀，强度测试值较高；若表面粗糙或凹凸不平，则受力不均匀，强度偏低。若试件表面涂润滑剂及其他油脂物质时，环箍效应减弱，强度较低。

混凝土含水率较高时，由于软化作用，强度较低，而混凝土干燥时，则强度较高。混凝土强度等级越低，这种差异越大。

（4）混凝土高强化的技术途径

从上节关于混凝土强度影响因素的综合分析可知，提高混凝土强度，配制高强混凝土的主要技术途径包括以下几方面：

①使用高效减水剂以降低水灰比

从配合比角度，水灰比是影响混凝土强度的最关键因素，降低水灰比是提高混凝土强度的主要措施。在保持工作性不变的情况下，水灰比降低势必要求更多的水泥用量，从而造成混凝土成本提高，同时带来混凝土早期水泥水化热大和收缩开裂严重等不利影响。掺高效减水剂可在不提高水泥用量、不影响工作性的情况下，降低水灰比，从而达到混凝土的高强度和其他性能要求。

②使用矿物掺和料

不同矿物混合材在改善混凝土工作性能与耐久性的同时，对混凝土强度有不同程度的贡献。根据混凝土强度发展要求，合理选用、匹配使用矿物掺和料可以提高混凝土不同龄期的强度，例如，掺硅灰可明显改善混凝土早期强度；掺磨细矿渣、粉煤灰可提高混凝土的长期强度；硅灰和磨细矿渣、硅灰和粉煤灰、超细矿渣和粉煤灰复合使用时，既可改善混凝土的早期强度，也可使混凝土长期强度稳步发展。

③改善水泥石的孔隙结构

在一定程度上，水泥石强度直接决定着混凝土强度，而水泥石强度取决于水泥石的孔隙结构，因此可通过改善水泥石孔隙结构提高混凝土强度。改善水泥石结构涉及多方面综合技术，具体可以从降低水灰比、优化水泥颗粒级配、使用矿物掺和料、加强养护等方面改善水泥石孔隙结构。

④改善水泥石-骨料过渡区结构

对于混凝土，水泥石-骨料过渡区结构是最薄弱和最容易破坏的部位，此区域的水灰比较高，孔隙含量较多，晶体物质定向分布，因此改善过渡区结构可明显提高混凝土强度。除了降低水灰比、掺矿物掺和料外，还可采用改善骨料粒形、骨料表面状态、降低骨料中有害物质等措施提高过渡区黏结强度。

2.徐变

早在19世纪以前，混凝土就作为结构材料得到应用。当时混凝土结构设计和钢结构设计相类似，假定混凝土是弹性材料。1905年，威尔逊（I.H.Woolson）发现，在高轴向应力作用下，钢管中的混凝土有流动现象。1907年，美国材料试验学会（ASTM）首先报道了钢筋混凝土梁的徐变特性，结果表明，混凝土除了具备弹性性质外，还有一定的塑性。1915年，姆克米莱（F.R.Mcmillan）进行了混凝土加荷与不加荷依时性变形的试验。1917年，史密斯（E.B.Smith）在美国混凝土学会（ACI）杂志上发表了混凝土徐变与徐变恢复的试验研究成果。直到1931年，戴维斯（R.E.Davis）等人对混凝土的徐变性能进行了系统研究之后，才对徐变性能有了较明确的认识，前后历经30年之久。

（1）定义

混凝土在一定的应力水平下保持荷载不变，随着时间的延续而增加的变形称为徐变。混凝土在受外部荷载作用时瞬间产生的变形为近似弹性变形，之后随持载时间延长而增加的徐变变形通常比瞬时弹性变形大1～3倍，因此，在结构设计中，徐变是一个不可忽略的重要因素。徐变对混凝土结构有不利影响，如：徐变可以引起预应力混凝土结构的预应力损失；在大跨度梁构件中，徐变增加了梁的宽度。在某些情况下徐变也会产生有利作用，如：在大体积混凝土结构中，徐变能降低温度应力，减少收缩裂缝；在结构应力集中区因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，徐变能够削弱结构中的应力峰值。

实际工程中，混凝土徐变变形受干燥环境和荷载条件共同作用，徐变变形与收缩变形同时发生。通常将荷载作用下混凝土的总变形减去无荷载混凝土的体积变形（干燥收缩）得到总徐变变形。混凝土在密封条件下（与周围介质无湿度交换）受持续荷载产生的徐变称为基本徐变，从总徐变中减去基本徐变后的变形部分称为干燥徐变，存在如下关系：

总变形=总徐变+干燥收缩=（基本徐变+干燥徐变）+干燥收缩

在外部荷载作用下，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随着时间的增加，混凝土产生徐变变形，徐变变形速率在加载早期较快，然后逐渐减慢。一般在加载的第一个月内完成全部徐变量的40%，3个月完成60%左右，一年到一年半约完成80%，在3～5年后徐变基本达到稳定。在荷载除去后，部分变形瞬时恢复，即为弹性恢复变形，此恢复变形小于加荷初期产生的瞬时弹性变形；随着卸载时间的增加，还会逐渐产生一部分恢复变形，此过程为徐变恢复；最后还会有大部分的变形不能恢复，这部分变形为残余变形。恢复性徐变在加荷后1～2个月就趋于稳定，而非恢复性徐变则在相当长时间内仍继续增加。

混凝土的徐变与所加荷载大小有关，《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》中规定徐变应力为混凝土棱柱体抗压强度的40%。为了方便起见，定义单位应力下混凝土的徐变变形为徐变，或称徐变度，即

式中　Ct——加荷t天时的混凝土徐变度，1/MPa；

εct——加荷t天的混凝土徐变；

σ——混凝土的徐变应力，MPa。

而混凝土徐变值与加荷时产生的瞬时弹性变形值之比，称为混凝土的徐变系数，即

式中　φt——加荷t天的混凝土徐变系数；

ε0——混凝土在加荷时的瞬时弹性应变值；

Eh——混凝土的弹性模量。

当荷载持续时间无限延长时，徐变值将趋向于某一恒定极限值，这时徐变系数用φ∞表示，在应力σ作用下，混凝土产生的全部变形为

（2）徐变机理

混凝土是由各种形状和尺寸的粗、细骨料颗粒和水泥石所组成的复合材料，混凝土徐变主要取决于水泥石的物质组成与微观结构。硬化水泥石是一种多孔的固、液、气三相共存体，其中所含的固相物质主要包括：水化硅酸钙凝胶体、氢氧化钙晶体、钙矾石和AFm等硫铝酸盐晶体、未水化水泥或矿物掺和料颗粒；液相包括毛细管水、吸附水、层间水和化学结合水等；孔隙包括凝胶孔、毛细孔和气孔。

混凝土的徐变机理，目前尚未完全清楚，有多种理论对其进行解释，主要包括黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、塑性流动理论、内力平衡理论及微裂缝理论等，它们都是基于水泥石的微观结构特征而建立的。

（3）徐变的影响因素

混凝土中产生徐变的物质主要是水泥石，骨料对水泥石的徐变有一定的限制作用。影响混凝土徐变的因素很多，外部因素主要有加荷龄期、加荷应力、持荷时间、湿度、温度、试件尺寸等；内部因素主要有水泥、骨料、水胶比、外加剂以及掺和料等。

①加荷龄期

混凝土徐变随加荷龄期的增长而减小，在早龄期，由于水泥水化仍在进行中，混凝土强度较低，故徐变较大；随着龄期的增长，水泥不断水化，强度不断提高，故加载龄期越晚的混凝土徐变越小。根据国家标准规定，做对比试验或检验混凝土的徐变性能时，试件应在28 d龄期时加荷。

②加荷应力和持荷时间

现有的徐变数据绝大部分是在单轴应力状态下取得的，这是因为混凝土结构主要用来承受压力，并且因为受压状态下的徐变试验要比受拉或其他应力状态下的徐变试验容易做。国家标准规定，徐变应力取混凝土棱柱体抗压强度的40%。当应力不超过强度的0.4倍时，一般假定混凝土徐变和应力成正比；当超过0.4倍时，则徐变随应力的增长而急剧增大，表现出明显的非线性关系。

拉应力作用下的徐变-时间曲线的形状与压应力作用下的情况相似。大体积混凝土的单向张拉徐变较同样大小压应力产生的徐变大20%～30%；在环境相对湿度为50%的情况下，拉力徐变较压力徐变要高100%。扭转徐变-时间曲线也具有相似的形状。应力、水灰比和环境相对湿度等对扭转徐变的影响与压缩徐变相似。扭转的徐变和弹性变形比与压力的徐变和弹性变形比相同。实际上，在单向压应力作用下，混凝土不仅产生压力徐变还产生侧向受拉徐变，这时表现出来的泊松比与弹性变形阶段时的泊松比相同。在三向压应力作用下的混凝土徐变小于单向压应力作用下的压缩徐变。在交变荷载作用下混凝土的变形大于在相同静荷载作用相同时间的徐变。

混凝土徐变随持荷时间的增长而增加，但徐变速率随持荷时间的增长而降低。混凝土的徐变可以持续非常长的时间，但大部分徐变在1～3年内完成。

③环境条件

混凝土徐变与试件所处环境的相对湿度和温度直接相关，这是由于干燥收缩有增大徐变的作用。相对湿度越低，混凝土徐变越大，特别是在加载初期，影响最为显著。在荷载作用时干燥环境可以增大混凝土的徐变，这种由于干燥而增加的徐变称为干燥徐变。如果在加荷之前，试件与周围环境就已建立起湿度平衡，则相对湿度对徐变的影响很小，甚至可忽略不计。Hermite提出了考虑干燥对徐变影响的表达式：

C=C1(1+QS)　(2.31)

式中　C——干燥条件下混凝土的总徐变；

C1——密封条件下的基本徐变；

Q——取决于混凝土的常数；

S——在给定相对湿度条件下的干燥收缩。

研究表明，在20～70℃，温度越高，混凝土的徐变速度越快，但超过70℃时，徐变速度反而减小。这主要是由于温度越高导致相同条件下混凝土中水分散失和流动越快，甚至使凝胶体表面水分发生的解析现象，从而使混凝土产生的干燥收缩和徐变也就越大。但当温度超过一定值时，水分快速散失和逸出，混凝土中液相量很少，凝胶体逐渐变为受分子扩散和剪切流动支配的黏塑性成分，从而使徐变速度减小。对于预先干燥过的混凝土，则不会出现上述现象，徐变速度随着温度的提高而增大。

考虑环境温湿度对混凝土徐变的影响，国家标准要求徐变试验时的环境条件为：温度为（20±2）℃，相对湿度保持在（60±5）%。

④成型质量与尺寸效应

在正常情况下，混凝土总是充分捣实而没有离析的，否则内部残余的孔隙将使徐变增大。试验表明：空气含量为5.4%的混凝土在28 d龄期时开始加载，一年时的徐变比空气含量为1.7%的混凝土在相同条件下的徐变高40%左右。任何捣实不足都将通过强度的下降趋势反映出来，孔隙率高还将增加干燥徐变，从而导致徐变增大。

构件尺寸决定了环境湿度和温度与混凝土内部的平衡过程，因而也影响混凝土徐变性能。混凝土试件尺寸越大，徐变越小，这是由于试件尺寸大增加了内部水分往外迁移的阻力，从而减小干燥徐变。由于干燥，试件表面徐变较中心部位的大，当干燥深入混凝土内部时，内部水泥水化程度已增大且具有较高强度，因而徐变较小。当混凝土与周围环境的湿度达到平衡以后，构件尺寸的影响将消失。

⑤水泥品种和水灰比

水泥品种对混凝土徐变的影响在于其影响混凝土加载时的强度。在加荷龄期、应力及其他条件相同的情况下，混凝土强度发展较快的水泥将导致较小的徐变。据此可知，早强水泥、普通水泥及低热水泥制备的混凝土的徐变依次递增。但如不以“相同应力”作为比较的基础，而以“加载时的应力/强度比”相同作为比较的基础，则在加载后强度相对增加较大的混凝土具有较小的徐变。这样，徐变递增的顺序变为：低热水泥、普通水泥、早强水泥。

现代混凝土常采用矿物掺和料取代水泥，使混凝土的工作性和后期性能满足结构使用要求。而掺和料对徐变影响的研究结果不尽相同。李建勇和姚燕等的研究结果发现，掺有30%比表面积大于600 m2/kg的超细矿渣的高性能混凝土的徐变比空白混凝土大幅减小。赵庆新等研究磨细矿渣掺量为30%和50%时，发现其对高性能混凝土的徐变性能影响不大，当矿渣掺量达到80%时，其对高性能混凝土的徐变性能有显著的负面效应，1年的徐变度为空白混凝土的1.74倍；粉煤灰产量为12%和30%时，明显改善了高性能混凝土抵抗徐变的能力，其1年的徐变度分别为基准混凝土的0.76倍和0.465倍，当粉煤灰掺量达到50%时，其对高性能混凝土的徐变性能影响很小，1年的徐变度为基准混凝土的1.02倍。

近年来，采用膨胀水泥生产无收缩混凝土日渐增多。日本东京大学学者的研究结果表明：在膨胀水泥混凝土中，徐变及预应力的损失均有所减少。由于在钢筋施加预应力之前，对早期膨胀的约束已经产生了先期徐变，从而降低了后期徐变倾向。然而也有试验结果表明，膨胀水泥制备的钢筋混凝土，在常规应力作用下，徐变值比普通水泥制备的钢筋混凝土要大得多。这可能与混凝土潮湿养护时间及加载应力等不同有关。

一般情况下，当水灰比改变时，混凝土的水泥浆含量亦将改变。但在比较不同水灰比对混凝土徐变的影响时，应以相同的其他条件，包括同样的水泥浆含量和同样的初应力作为比较的基础，在此基础上，水灰比越低则徐变亦越低。

如果混凝土的初应力与强度的比值相同，而具有不同的水灰比时，水灰比越小，混凝土的徐变反而越大。这一现象可以理解为：具有低水灰比的混凝土，其早期强度发展快，后期相对强度的发展速度小于高水灰比的混凝土。而在荷载作用下，强度增加率低的混凝土将导致高的徐变，故当初应力与强度的比值相同时，低水灰比的混凝土反而导致较大的徐变。

⑥骨料种类和含量

混凝土中的骨料一般是不发生收缩、徐变的，对水泥石的变形起约束作用，约束的程度取决于骨料的弹性模量及其所占混凝土体积的百分数。A.M.Neville就骨料对混凝土徐变的影响提出如下表达式：

C=Cp(1-g-u)a　(2.32)

式中　C——混凝土的徐变；

Cp——水泥石的徐变；

g——骨料的体积率；

u——未水化水泥的体积率；

a——取决于材料弹性模量的参数，表达式为

式中　μa，μ——骨料、骨料周围水泥石的泊松比；

Ea，E——骨料、骨料周围水泥石的弹性模量。

可见，混凝土徐变随着骨料含量的增多和水泥浆含量的减少而降低。试验表明：骨料所占混凝土体积从60%增加到75%时，徐变可降低50%左右。在配制混凝土时，骨料的级配、最大粒径和形状对混凝土中骨料体积率有着直接或间接的影响，因此这些性质对混凝土徐变的影响也主要体现在骨料体积率上。

骨料的弹性模量越大，对水泥石变形的约束就越大，混凝土的徐变就越小，当骨料弹性模量大于7.0×104MPa时，对混凝土徐变值的影响则趋于稳定。不同岩石种类对混凝土徐变的影响，有试验结果得出以下的徐变增大次序：石灰石、石灰岩、花岗岩、卵石、玄武岩和砂岩。但有的试验结果却得出玄武岩骨料做成的混凝土徐变最小的结论，其次序为：玄武岩、石英岩、卵石、大理石、花岗岩和砂岩。这可能与所用骨料样品及混凝土配合比不同有关。试验表明，当其他条件相同时，加载20年后，以砂岩为骨料的混凝土徐变，约为以石灰石为骨料的混凝土徐变的2.5倍。轻骨料混凝土的徐变大，反映了轻骨料的弹性模量低。此外，轻骨料混凝土的弹性模量比普通混凝土低，如以徐变对初始弹性应变之比来衡量，则轻骨料混凝土和普通骨料混凝土的徐变性能是相近的。

⑦外加剂

使用外加剂可以改善混凝土的和易性，节约水泥用量，或降低水灰比以提高强度。因此减水剂对混凝土徐变的影响与其是否降低水灰比、改变混凝土硬化与强度发展过程有关。

试验表明：氯化钙、三乙醇胺、木质磺酸盐加氯化钙以及木质磺酸钙加三乙醇胺等促凝剂都将增大混凝土徐变。

3.混凝土的尺寸稳定性(www.xing528.com)

混凝土的尺寸稳定性一般是指物理（非受力的作用）、化学因素作用下混凝土尺寸变化情况，传统将其统称为变形性能。近年来，随着国内外混凝土的高性能化，混凝土的非受力变形出现了很多情况，因此成为近些年来的研究热点。

（1）塑性收缩

①定义

在混凝土浇筑数小时后，其表面开始沉降，常出现水平的小裂纹，这种在塑性阶段出现的体积收缩称为塑性收缩，常在钢筋或粗骨料的周围出现小裂纹称为塑性收缩裂缝。

②收缩机理

塑性收缩主要是由于两方面的作用：一方面，混凝土浇筑密实后，由于混凝土原材料存在的密度、质量、形状等差异，在重力作用下必然会出现粗大的骨料下沉和密度较小的水上浮，即沉浮和泌水同时进行，对于大水灰比或明显泌水的混凝土，上表面的水分蒸发后，混凝土的体积比未发生沉降和泌水的体积有所减少；另一方面，当混凝土表面失水速率大于水从混凝土内部泌出速率时，在混凝土的表面及一定深度内就会出现毛细孔，进而出现凹月面，根据Young方程：

式中　Δp——附加压力；

σ——液体表面张力；

r——液体曲率半径。

因此，混凝土就会受到很大的附加压力，又由于此时混凝土尚未硬化，弹性模量很低，因此开始出现塑性收缩，同时当混凝土表面的抗拉强度低于限制收缩导致的拉应力时，开始出现塑性收缩裂纹。

③防止塑性收缩开裂措施

常见的防止塑性收缩开裂措施如下：

a.润湿基础、模板、骨料，以防止其快速吸走混凝土中的水分。

b.支护临时挡风棚，覆盖临时性塑料薄膜。

c.通过降低骨料或拌和水温度降低混凝土温度。混凝土温度越高，混凝土中的水分越容易蒸发，越容易导致塑性收缩。

d.缩短浇筑后开始养护的时间，及时养护，随着混凝土强度等级的提高，混凝土中胶凝材料不断增多，其早期水化速率明显加快，混凝土内部消耗水的速率也在加快，因此及时浇水保湿是十分必要的。

e.当混凝土尚处于塑性阶段时出现柱的沉降裂缝、板的塑性收缩裂缝可以通过重新振动或二次抹压来解决，重新振动能够减轻粗骨料周围的塑性收缩应力而提高混凝土的强度、钢筋与混凝土之间的黏结。

（2）温度变形

通常固体是热胀冷缩的。与温度变化有关的应变取决于材料的热膨胀系数以及温度升高和下降的速率。混凝土是抗拉强度低的脆性材料，温度降低的收缩应变比较重要，所导致的拉应力随弹性模量和约束程度而定，完全可能造成开裂。

在一些超静定结构、大体积混凝土、耐高温混凝土结构中，必须计算由温度变化引起的应力、应变。混凝土的温度变形实际上可分为两种情况，一种是硬化混凝土结构的温度变形，另一种是混凝土硬化过程中的温度变形，前者属结构设计问题。由于混凝土在升温过程中处于塑性阶段，产生的膨胀一般对混凝土的性能影响不大。

①定义

温度变形主要是指混凝土浇筑后随着水泥水化热而开始出现膨胀，峰温后的降温过程中产生收缩。温度收缩又称冷缩，实际指的是混凝土随温度变化而发生的体积变化，用温缩系数表示，即单位温度变化条件下混凝土的线收缩系数，通常为（6～12）×10-6/℃。

对于大体积混凝土或体积稍小、强度等级较高的混凝土，水泥在早期水化过程中将放出大量的热，一般每克水泥可放出350～500 J热量。在绝热条件下，每45 kg水泥水化将使温度升高5～8℃，在没有缓凝剂的条件下，通常在开始浇筑后的12 h左右出现温度峰值。

在水化的后期，水化速度减慢，放热速率降低。随后水化热的速率低于在与外界环境热交换中热量散失的速率，温度开始下降至与环境温度达到平衡。

②温度变形机理

混凝土内部含有一定量的空气，对非引气混凝土，一般密实后含气1%左右，空气的热膨胀系数远大于液体或固体，因此，水泥水化放热，混凝土开始升温，空气将发生明显的膨胀。

水分受热时，既有本身受热膨胀，又有增加湿胀压力的作用。一方面，水的膨胀系数远比凝胶体的大，所以温度上升，凝胶水就产生膨胀应力使凝胶体膨胀，或使一部分水迁移到毛细孔中；另一方面，毛细管水的表面张力随温度上升而减小，加之毛细孔水本身受热膨胀和凝胶水的迁入，使水的体积增加，水面上升到接近水泥石的表面。

弯月面的曲率变小，使毛细孔内收缩压力减小，水泥石膨胀。但是这种湿胀压力的作用，在试件处于干燥状态或饱和水状态时并不发生。所以，水泥石的热膨胀系数也是湿度的函数，在相对湿度为100%或0时最小，大约相对湿度为70%时最大。水泥石的热膨胀系数随龄期的增加而减小，原因是继续水化使水泥石中凝胶体逐渐转化为结晶物质，减少了凝胶体的湿胀压力。因此，对于高压蒸养的水泥石，由于含凝胶体很少，其膨胀系数随温度的变化很小。

混凝土中的骨料遵循一般固体材料的热胀冷缩。

由于混凝土内外散热条件的不一致，表层混凝土温度降低很快，沿混凝土截面出现温度梯度，使收缩在降温过程中沿截面产生不均匀变化。在大体积混凝土中，表层混凝土的收缩值较内部混凝土的收缩值大。如果把内部混凝土看作相对不变的，它就对表层混凝土的收缩形成约束。当混凝土的收缩或温度变形受到外界约束条件的限制而不能自由发生时，将在结构构件中产生“强制应力”，从而导致表层混凝土受拉。根据其起因不同也可以将这种应力称为“收缩应力”或“温度应力”。事实上，在最初的水化过程中也会因温度的升高而产生温度膨胀，但由于此时混凝土通常还是黏塑性状态且温升过程迅速，因而沿截面相对均匀，因此温升膨胀过程对混凝土的抗裂影响不大。而随后的散热降温过程由于较为缓慢，均匀性较差，且混凝土逐渐硬化，往往在这一过程中出现温度收缩裂缝。这在大体积混凝土中（温度升高可达60～90℃）造成的危害更显著，因为大体积混凝土中本身水化热很大，而散热又很慢，因此，这是造成这类混凝土早期裂缝的主要因素。

③影响温度变形的因素

对混凝土性能影响最大的温度变形主要是温度下降时产生的收缩变形。由于收缩而在混凝土结构中引起的冷却应力表现为拉应力，可引发和扩展微裂缝，甚至造成结构开裂和破坏，这种现象在大体积混凝土和高温环境中使用的混凝土构件中更为常见。混凝土的温度变形取决于温度的变化范围及线膨胀系数，因此为控制混凝土的温度变形，尤其是降低大体积混凝土中的冷却应力，可以从以下几个方面考虑。

a.水泥品种与用量

水泥品种与用量决定着水泥水化期的水化热。不同水泥矿物成分的放热量见表2.42，不同品种水泥对净浆和混凝土温度变形系数的影响见表2.43。

表2.42　水泥矿物成分的放热量

表2.43　不同水泥对净浆和混凝土温度变形系数的影响

可见，不同矿物组成的不同种类的水泥水化热是不同的，对净浆和混凝土温度变形系数的影响也是不同的，与硅酸盐水泥相比，中热、低热矿渣硅酸盐酸水泥的水化反应发热量和水化速率要低得多，掺加火山灰、粒化高炉矿渣等矿物也可以取得同样的效果。

b.骨料的种类

混凝土作为多孔的材料，其热膨胀性不仅取决于水泥石和骨料，而且还取决于孔隙中的含水状态。为研究方便，混凝土的热膨胀系数大致可以表示为水泥和骨料的膨胀系数的加权平均值。水泥石的热膨胀系数为（10～20）×10-6/℃，比骨料的热膨胀系数（6～12）×10-6/℃大，而混凝土的膨胀系数通常为（6～12）×10-6/℃。因此，一般可以认为，混凝土的膨胀系数是骨料含量的函数，也是骨料膨胀系数的函数。

c.浇筑温度

浇筑温度对混凝土绝热温升的影响如下：浇筑温度越低，达到峰温的时间越长，混凝土的结构发展越成熟，降温出现不利情况带来开裂的概率越小。

新拌混凝土的预冷是一种控制温度下降的惯用方法。通常规定以冷却骨料或以刨冰作为拌和水的方法来制备大体积混凝土，可用于拌和物温度为10℃甚至更低的工程施工，但需注意在拌和物浇筑之前刨冰必须已完全融化。

d.养护

养护对大体积混凝土温度变形问题最为重要，大体积混凝土温度开裂在很大程度上取决于养护，如果大体积混凝土能够整体均匀地升温或降温，就不会出现温度开裂问题。

一方面，控制养护过程中混凝土内部和表面的温差。大体积混凝土内部必然出现温度梯度，即内部温度高而表面温度低，这样内部混凝土处于膨胀状态，相对来讲，表面混凝土处于收缩状态，加之此时的混凝土尚处于强度很低的状态，抗拉强度很低，一旦出现拉应力，混凝土表面就会出现开裂，因此，在工程上有效的措施之一就是控制温差。《大体积混凝土施工标准》要求混凝土里表温差不超过25℃，混凝土表面与大气温差不超过20℃，混凝土的降温速率不大于2.0℃/d。

另一方面，控制养护过程中混凝土内部和表面的湿度差。和温度梯度一样，大体积混凝土内部必然出现湿度梯度，即内部湿度高而表面湿度低，相对来讲，表面混凝土由于失水而发生干缩，也会产生拉应力，加之大体积混凝土温度升高又加剧了表面干缩，温度、湿度导致的拉应力叠加使开裂的问题更加严重。因此，大体积混凝土表面增湿也是防止开裂的有效措施。

e.约束度

混凝土的构件若能够自由移动，则混凝土内部不会产生和温度变化相关的应力。然而，在实际工程中，混凝土总会受到自身（如基础或内部）或来自外界（如温度）的约束。

减小约束度也是防止大体积混凝土开裂的有效措施之一，比如有防水要求的大型筏形基础，防水层就是很好的滑动层。若没有防水要求，可以加设一层砂垫层，同样能够起到减小约束度的作用，对防止温度开裂也是有效的。

（3）自收缩

混凝土的自收缩现象在1934年前由Lyman和Davis提出，当时发现混凝土自身能够收缩，同时质量和温度没有任何变化。从20世纪90年代开始，随着高强混凝土的广泛应用，混凝土的自收缩现象越来越引起人们的关注。在工程实践中，高强混凝土、自密实混凝土和大体积混凝土的自收缩现象是非常显著的，比如混凝土在恒温水养的条件下仍然开裂，密封的高强混凝土的抗折强度随着养护龄期的增加而降低等。这些现象不能通过冷缩开裂或干缩开裂来解释，而只能通过自收缩来解释。研究表明，水胶比低于0.30的高强混凝土的自收缩率高达（200～400）×10-6；任何类型的自密实混凝土的自收缩率都会随着单位体积中粉料量的增加而增加，单位体积粉料量为500 kg/m3的自密实混凝土的自收缩率为（100～400）×10-6；含有大量磨细矿渣的大体积混凝土自收缩率可以达到100×10-6。因此，对于具有低水胶比、高胶凝材料量或磨细矿渣置换率较高的混凝土，研究它们的自收缩是非常重要的。

①定义

Lyman在1934年提出自收缩，并定义如下：“通常认为，随着凝胶水化铝酸钙与水化硅酸钙的生成，其服从凝胶形成规律产生体积减缩。自收缩这种类型的收缩很容易同其他因热因素或空气中湿度的损失引起的收缩区别开来。”

1940年，H.E.Davis定义自收缩如下：“混凝土的自身体积变形应定义为因其内部本身的物理和化学转化而引起的体积变形，而非下列因素引起：与周围大气的湿度侵入与蒸发，温度的升降，因外部荷载或限制物造成的应力。”

1998年，日本技术委员会将自收缩定义如下：“混凝土初凝后水泥水化引起凝胶材料宏观体积的减小。自收缩不包括因物质的损失或侵入，温度的变化，外部力量或限制物的应用引起的体积变形。”

一般混凝土自收缩一个月约为40×10-6，五年约为100×10-6，但在很低的水胶比条件下，自收缩可达700×10-6。

②自收缩机理

自收缩是指水泥基胶凝材料在水泥初凝之后恒温恒重下产生的宏观体积降低。自收缩不包括由于沉降、温度变化、遭受外力等原因造成的体积变化。如果混凝土本身同时经受干缩或冷缩，那么实际得到的应变是在相应温度条件下包括自收缩的干缩应变或冷缩应变。化学收缩是指水化产物的绝对体积小于水化之前水的体积和未水化水泥的体积之和，它是造成自收缩的主要原因。化学收缩和自收缩是不同的，前者是在有足够水供应的情况下观察到的，而后者是在没有足够水供应的情况下宏观体积的变化。化学收缩虽然是自收缩产生的主要原因，但二者之间没有直接联系。当认为硬化水泥石是由固相、气相和液相所组成时，化学收缩被认为是反应物绝对体积的减小，而自收缩被认为是固相体积形成后外观体积的减小，因此，自收缩是远远小于化学收缩的。

自收缩作用机理可以通过混凝土的自干燥现象得到很好的解释。随着水泥水化的进行，在硬化水泥石中形成大量微细孔，自由水量逐渐降低，水的饱和蒸气压也随之降低，即水泥石内部相对湿度降低，但同时水泥石质量没有任何损失，这种现象称为自干燥。许多试验结果都证实了混凝土内部能够产生自干燥现象。产生自干燥现象的结果是使毛细孔中的水由饱和状态变为不饱和状态，于是在毛细孔水中产生弯曲面，造成硬化水泥石受负压的作用而产生收缩。自收缩作用机理类似于干缩机理，都是靠毛细管应力来说明问题的，但自收缩与干缩在相对湿度降低的机理上不同。造成干缩的原因是由于水分扩散到外部环境中，因此，可以通过浆体密实化或者阻止水分向外扩散的方法来降低干缩；而自收缩是由于内部水分被水化反应所消耗而形成的，因此，通过阻止水分子扩散到外部环境中的方法来降低自收缩并不见效。然而自收缩和干缩都造成了硬化水泥浆体内部相对湿度的降低。因此，适用于干缩的一些机理、毛细管理论也同样适用于自收缩。

③影响自收缩的因素

a.水泥

水泥水化是混凝土产生自收缩的最根本原因，水泥水化产生化学收缩，而水化反应消耗水分产生干燥收缩。水泥熟料中各矿物水化反应时引起的收缩各不相同，一般从大到小排序为：C3A，C3S，C2S，因此早强型水泥、高强度等级水泥因C3A，C4AF含量高，自收缩都较大；低热水泥和中热水泥因C2S含量高而自收缩较小。对矿渣水泥，则水化后期的自收缩较大。

水泥细度越细，化学活性越高，水化速率越快，水化程度越高，水泥的自收缩越大，工程上对抗裂要求较高的混凝土所用水泥的比表面积不宜超过350 m2/kg。

b.矿物掺和料

一般硅灰掺量越大，自收缩越大。由于掺入硅灰后，水泥水化程度提高，使水化产物数量增加，混凝土中孔隙细化，因此掺入硅灰后不但增加了混凝土的干燥收缩，也大大增加了混凝土的自收缩。

当矿渣粉细度小于400 m2/kg时，对减小混凝土自收缩有利，随着矿渣掺量的增大，自收缩减小；但当细度大于400 m2/kg时，矿渣活性明显提高，引起自收缩增大，混凝土自收缩随其掺量的增大而增大；当掺量大于75%时，因胶凝材料活性降低而使混凝土自收缩减小；粉煤灰、石灰石粉、憎水石英粉，随其掺量的增大，混凝土自收缩减小。

c.胶凝材料含量

单位体积水泥用量加大，既增加了混凝土中产生自收缩的水泥石部分，也相应地减少了混凝土中限制收缩作用的骨料部分，因此，单位体积水泥用量越多，混凝土各龄期的自收缩就越大，且自收缩的增加幅度大于水泥用量的增加幅度。

d.水胶比

水胶比越低，混凝土密实度越高，混凝土因环境干燥散失的水分就越少，因而混凝土干燥收缩降低。而相对于干燥收缩，混凝土自收缩随水胶比的减小和水泥石微结构的致密而增加。根据宫泽申吾等的试验结果，水灰比为0.4时，混凝土自收缩占总收缩的40%，水灰比为0.3时，自收缩占总收缩的50%，而水胶比为0.17时（掺入10%硅灰），自收缩占总收缩的100%。普通混凝土的自收缩一般为（40～100）×10-6，而通过使用超塑化剂和硅灰，将水胶比降到0.17时，从初凝时开始测量，混凝土到28 d时自收缩可达700×10-6。由此可见，低水胶比在给混凝土以高强、高密实度、低渗透性等优良性能的同时，也带来了自身体积稳定性方面的问题。

此外，水胶比越低，混凝土中可供水泥水化的自由水就越少，使混凝土在早期就可能因干燥而引起自收缩。因而水胶比降低，会使混凝土自收缩发生得更早，且早期自收缩占最终自收缩的比重越大。

e.养护条件

养护温度对自收缩的影响规律如下：（a）不掺矿物掺和料的普通混凝土在较高的环境温度下，自收缩值较小；（b）当普通混凝土中掺加比表面积为800 m2/kg的磨细矿渣时，较高温度下的早期自收缩应变发展很快，而后期的自收缩应变要低于低温下的自收缩应变；（c）当普通混凝土中掺加硅灰时，较高的环境温度将导致较高的自收缩值。40℃下自收缩在1周时就达到稳定状态，而15℃下自收缩随龄期稳步增长，到1个月后才达到稳定状态。

充分水养护对减小高性能混凝土的自收缩非常有用，水养护不仅影响混凝土的自收缩，同样影响混凝土的力学性能与耐久性，充分的水养护对保证水分渗透是有益的。

（4）干缩和湿胀

硬化后的混凝土在湿度变化时发生体积变化，即干缩或湿胀，由于骨料与水泥石在湿度变化时的膨胀系数不同，结果在混凝土结构中产生内应力，由此而产生的湿差裂缝是混凝土构件中微裂缝的主要来源，对混凝土结构尤其是过渡区的结构，具有显著的破坏作用。

①定义

混凝土在干燥的空气中因失水引起收缩的现象称为干缩；混凝土在潮湿的空气中因吸水引起体积增加的现象称为湿胀。水养护后的水泥石在相对湿度为50%的空气中干燥，其收缩值为（2 000～3 000）×10-6，完全干燥时的收缩值为（5 000～6 000）×10-6。混凝土由于水泥石量少及骨料的限制作用，干缩值要小得多。水养护后的混凝土完全干燥时的收缩量为（600～900）×10-6。在研究中发现，湿水泥石（混凝土）的全部（最大）收缩只有在准静态干燥条件下才会出现，所谓准静态干燥条件是指试件内部与表面之间的湿度差为无限小的状态。此时收缩变形完全与水泥石（混凝土）的含湿量变化相对应，沿整个体积均匀地发生。

水泥石线膨胀的代表性数据为：100 d，1 300×10-6；1 000 d，2 000×10-6；200 d，2 200×10-6。相比之下，混凝土的线膨胀值要小得多：对于水泥用量为300 kg/m3的混凝土，在水中6～12个月，其线膨胀为（100～150）×10-6，其后湿胀增加很小。

混凝土的湿胀同时也引起混凝土质量的增加（约1%），可见质量的增加比体积的增加大得多。原因是相当一部分的水占据了水泥水化浆体中的孔隙体积，这一现象在混凝土干燥过程中也有所表现，即干缩的体积要小于所失水的体积。

②干缩、湿胀机理

干燥和吸湿引起混凝土中含水量的变化，同时也引起混凝土的体积变化——干缩和湿胀。干缩和湿胀是两个相反的过程，但如果在一定外界条件下反复进行干燥和吸湿，二者会逐渐接近于可逆的状态，即平衡态。混凝土的干缩与湿胀主要取决于水泥石的干缩与湿胀，与骨料的性能尤其是弹性模量有很大的关系，此外与过渡区也有密切的关系。

a.分离压力（膨胀压力）机理

水分子在固体颗粒表面的吸附导致固体颗粒表面分子与水分子之间产生相互吸引。吸附水被认为是以一种切线压力（扩散力）沿着固体表面被垂直压缩到表面，在一定温度下，吸附水层的厚度是由环境相对湿度确定的，厚度随相对湿度的增加而不断增加，并达到最大值，相当于5个分子厚度（约1.3 nm），在有些情况下，两相邻固体颗粒之间的距离小于2.6 nm，因此会产生膨胀或分离压力。

该机理是基于吸附水具有推开相邻固体表面以获得热动力平衡的趋势。随着相对湿度的增加，颗粒间的分离压力增加，所以水泥石在干燥时收缩，润湿时膨胀。固体的反抗在水中产生压应力，这种情况下的水也被称为“受阻吸附水”或“承载水”。

分离压力在较高的相对湿度下较强，50%和10%相对湿度的下限分别为1.0 nm，0.5 nm。气体压力降低时，分离压力减小，表面将更加靠近。这种机理在相对湿度大于50%时占主导作用。有学者对这种机理提出了质疑，因为其假设水的吸附永远不会打破颗粒之间的结合。有试验结果表明，收缩并非简单地源自分离压力的减少。首先，当相对湿度较低时，膨胀速度也较低，这是本机理无法解释的；其次，用甲醇置换水，然后用N-戊烷置换甲醇，并没有导致任何显著的收缩。而Derjaguin和Churaev（1974）指出，用非极性分子（N-戊烷）替代极性分子（水或甲醇），分离压力将发生相当大的变化。

b.毛细管张力机理

环境湿度小于100%时，毛细管内形成弯月面，在水的表面张力作用下，便会产生毛细管张力，这种毛细管张力对毛细管壁产生压力，随着毛细管水的蒸发，水泥石处于不断增强的压缩状态中，从而引起水泥石体积收缩。毛细管张力可由拉普拉斯方程计算。由于水泥的失水是从毛细孔开始的，因此早期失水引起的毛细管张力较小；随着失水的进行，较细的毛细孔开始失水，其引起的毛细孔张力也逐渐增大；当毛细孔中不能形成弯月面的时候，毛细孔张力消失。

因为这种机理认为收缩是由于水泥石固体中产生的压应力导致的，因而浆体的弹性模量将影响由这种机理引起的收缩。弹性模量越高，收缩总量越小。若水泥石被重新润湿，孔重新被水填满，应力释放，硬化浆体膨胀（湿胀）这种机理可以解释干燥对水泥石孔的粗化效应，即如果硬化浆体在孔的所有方向上受压，孔径就会增大。如果应变达到了水泥石的非弹性范围，孔重新被水填满，应力释放后，孔也无法恢复至其初期形状，孔径也增大了，即产生不可逆收缩。

c.表面张力机理

表面张力理论认为在固体表面上吸附液体、气体或蒸气将减少固体表面张力，所以吸附水一旦从水泥凝胶上脱离，表面张力就会增加，胶粒被压缩。由于固体颗粒的体积变化是由表面张力变化引起的，故当颗粒大时，体积变化就趋于零，但对于比表面积约为1 000 m2/g的极微小颗粒，其体积变化就不容忽视。

表面张力机理只有在相对湿度小于50%时才会非常明显；当相对湿度为50%时，水分子层厚度不超过2个分子（约0.6 nm）；当相对湿度低于30%时，最后的单分子层吸附水将被干燥，此时，表面张力效应达到最大。

d.层间水移动机理

有学者认为，层间水作用也是干缩的一个重要原因。硅酸盐材料（C—S—H）被认为是一种具有层状结构的材料，而层间水的变化是混凝土体积变化的主要原因。该机理与表面张力理论相似。

层间水移动理论认为水泥水化产物C—S—H（Ⅰ）具有层状结构，水分子能够进入层间使晶格膨胀，当水分失去时，则收缩，从而导致整个固体材料发生变形。相对湿度低于35%时，层间水的可逆移动是引起收缩的主要原因。但是，其他一些C—S—H模型则认为，层间水一旦移动出去就不可再重新进入结构，因此，干燥时的层间水的损失只能说明不可逆收缩，所以，此理论有待进一步研究。

③影响干缩、湿胀的因素

a.水泥品种及用量

混凝土中发生干缩的主要组分是水泥石，因此减少水泥石的相对含量可以减少混凝土的收缩。水泥的性能，如细度、化学组成、矿物组成等对水泥的干缩虽有影响，但由于混凝土中水泥石含量较少及骨料的限制作用，水泥性能的变化对混凝土的收缩影响不大。例如，高铝水泥混凝土的收缩较快，但最终的收缩值与普通硅酸盐混凝土基本相同。

b.单位用水量或水灰比

混凝土的收缩随单位用水量的增加而增大。在混凝土的制备过程中，单位用水量或水灰比越大，制得的混凝土孔隙率越高，增加了吸附水量，也使得材料的干缩值增大。

c.粗骨料种类及含量

混凝土中粗骨料的存在对混凝土的收缩起限制作用。具有不同弹性模量的粗骨料对混凝土干缩的影响也不同，弹性模量大的骨料配制成的混凝土干缩小。此外，混凝土中粗骨料相对体积的提高对混凝土弹性模量的提高起积极作用，一般来讲，骨料含量越多，混凝土的收缩越小。但应注意的是，骨料中黏土和泥块等杂质的存在使其对收缩的限制作用减弱，同时，黏土及泥块本身又容易失水收缩，骨料中含有黏土和泥块可使收缩增加70%。

d.化学外加剂与矿物掺和料

氧化钙、粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等材料易于增加水泥水化产物中细孔的体积，而混凝土的干缩直接与3～20 nm范围内细孔所保持的水分有关，因此含有上述材料的混凝土通常呈现较高的干缩和徐变。

e.养护方法及龄期

延长潮湿养护龄期可推迟干缩的发生和发展，同时收缩的速度随养护时间的延长而迅速减慢，但对最终的干缩值影响不大。蒸气养护和蒸压养护对混凝土的收缩影响较为显著。原因是蒸气养护和蒸压养护使水泥石中的凝胶体向结晶体转化的程度增大，因此导致干缩值减小。

f.环境条件

周围介质的相对湿度对混凝土的收缩影响很大。空气相对湿度越低，混凝土收缩值越大，而当空气相对湿度为100%或混凝土处于水中，干缩值为负值，即湿胀。

（5）碳化收缩

混凝土除干缩外，还因受碳化作用而收缩。实际上干缩和碳化收缩总是相伴发生，而且碳化收缩还对混凝土的长期收缩起主要作用。

①定义

混凝土的碳化作用主要是大气中的二氧化碳在存在水分的条件下与水泥水化产物发生化学反应，产生碳酸钙、硅胶、铝胶和游离水，并产生收缩。由于二氧化碳主要与碱性物质发生反应，结果导致混凝土的碱性降低，因此混凝土的碳化过程又称中性化过程。

混凝土的碳化作用除引起收缩外，同时也直接影响混凝土对钢筋的保护作用（称为护筋性）。硬化后的混凝土，由于水泥水化生成氢氧化钙，因此形成的碱性环境使钢筋表面生成难溶的氢氧化铁层（称为钝化膜），对钢筋有良好的保护作用。但在混凝土的碳化收缩过程中，由于空气中的二氧化碳与碱性物质发生作用，使混凝土碱度不断降低，破坏了混凝土对钢筋的保护作用，并加速钢筋的锈蚀。

碳化收缩增加了不可逆收缩部分的数量，并可能产生混凝土表面裂缝，但碳化作用也有增加混凝土强度和减少渗透性的作用。

②碳化收缩机理

碳化收缩机理目前尚不十分清楚。但根据反应来看，体积却是增加的。

TC Powers认为，Ca（OH）2是有压力作用的，而CaCO3的生成是在无压力的空间中。

还应该注意，碳化除了上述反应外，还存在如下反应：

从热力学角度，自由焓越小，化学反应越易进行，当自由焓为正值时，化学反应则逆向进行。从上述碳化反应式可以看出：暴露于空气中的硬化水泥石中Ca（OH）2与C—S—H的自由焓最小，因此最易碳化，试验也证明了Ca（OH）2和C—S—H的碳化反应几乎最早同时进行。

③影响碳化收缩的因素

混凝土材料因素包括以下几方面：

a.水胶比

水胶比（W/B）是决定混凝土孔结构和孔隙率的主要因素，其中游离水的多少还关系着孔隙饱和度（孔隙水体积与孔隙总体积之比）的大小。因此，水胶比是决定CO2有效扩散系数及混凝土碳化速度的主要因素之一。水胶比增加，则混凝土的孔隙率加大，CO2有效扩散系数变大，混凝土的碳化速度也加快。有研究认为，假设水灰比为0.6时的碳化速度为1，则碳化速度与水灰比之间有一定的线性关系。

b.水泥品种与用量

水泥品种决定着水泥中的各种矿物含量，掺有混合料的水泥水化后，单位体积混凝土中可碳化物质含量减少，而且活性混合料由于二次水化反应还要消耗一部分Ca（OH）2，使可碳化物质含量更少，故碳化速度加快。因此，相同水泥用量的硅酸盐水泥混凝土的碳化速度最小，普通硅酸盐水泥混凝土次之，粉煤灰水泥、火山灰质硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥混凝土较大。相同水灰比条件下混凝土碳化速度之比为普通水泥∶早强水泥∶矿渣水泥[w（矿渣）=30%]∶矿渣水泥[w（矿渣）=60%]∶粉煤灰水泥[w（粉煤灰）=20%]=1∶0.6∶1.4∶2.2∶1.9。同一品种的掺混合料水泥，碳化速度随混合料掺量的增加而加大。

水泥用量决定着单位体积混凝土中水泥熟料的多少，二者是决定水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要因素，因而也是影响混凝土碳化速度的主要因素之一。水泥用量越大，则单位体积混凝土中可碳化物质的含量越多，消耗的CO2也越多，混凝土碳化速度越慢，反之，混凝土碳化速度越快。

c.水泥含碱量

水泥含碱量越高，孔溶液pH值增加，碳化速度加快。这是因为含碱量升高，水泥硬化石中的C—S—H结构不均匀，毛细孔增多，水泥石中粗大孔隙增多；含碱量升高，孔溶液中OH-浓度增大，碳化后沉积的碳酸钙溶解度减少，即孔溶液中钙离子浓度减小，补充钙离子浓度的氢氧化钙晶体易溶解，加速混凝土碳化，即混凝土的含碱量越高，碳化速度越快。

d.掺外加剂

混凝土中掺加减水剂，能直接减少用水量，降低混凝土的水胶比，而引气剂使混凝土中形成很多封闭的气泡，切断毛细管的通路，二者均可以使CO2有效扩散系数显著减小，从而大大降低混凝土的碳化速度。

e.骨料种类

混凝土所采用的骨料不同，碳化速度有明显的差异。水灰比相同时，轻骨料混凝土的碳化速度为普通混凝土的1.1～1.5倍，这主要与骨料的透气性有关，透气性越大，CO2的扩散能力越强，配制的混凝土碳化速度加快。采用石灰岩骨料配制混凝土，包裹骨料的砂浆周围碳化后形成“碳化环”，孔隙率大、水泥用量少、水灰比高的混凝土尤为严重。这是由于石灰岩中的方解石与水泥石中的C3A或C4AF反应生成C3A·CaCO3·11H2O。

f.混凝土强度

混凝土强度是其密实度和孔隙率的宏观反映，因此与混凝土的抗碳化性能密切相关。通常情况下，混凝土强度越高，碳化速度越小。

环境条件因素包括以下几方面：

a.周围介质的相对湿度

环境相对湿度通过温湿平衡决定着孔隙水饱和度，一方面影响着CO2的扩散速度，另一方面，由于混凝土碳化反应均在溶液中或固-液过渡区上进行，相对湿度也是决定碳化反应快慢的主要环境因素之一。Kroone认为混凝土或砂浆的可蒸发水过多或过少都不利于碳化。过多时，CO2主要通过在孔溶液中溶解后的迁移进行扩散，因此碳化速度慢；而过少时则不足以溶解CO2和Ca（OH）2晶体，此时的碳化速度主要取决于CO2和Ca（OH）2晶体的溶解速度，而不是CO2的扩散速度。只有当可蒸发水约为水泥质量的12%时，CO2的扩散和液相反应同时进行，因此碳化速度快。

混凝土的碳化作用只有在适中的湿度下（50%～70%）才会较快地进行。处于水中的混凝土，或环境相对湿度达到100%左右，混凝土孔隙中充满着水，CO2不易扩散到水泥石中，水泥石中的钙离子也难以通过水层扩散到混凝土表面。水阻止了CO2与混凝土的接触，生成的CaCO3堵塞了表面孔隙，所以碳化作用不易进行。而在过低的湿度下（25%以下），孔隙中没有足够的水使CO2生成碳酸，碳化作用也无法进行。

b.CO2浓度

由于碳化反应是一种化学反应，CO2浓度对碳化速度有很大影响，环境中CO2浓度越大，混凝土内外CO2浓度梯度就越大，CO2越容易扩散进入孔隙，同时也使化学反应速度加快。日本学者通过在CO2浓度为1%～20%的条件下进行加速碳化试验后，认为混凝土碳化速度与CO2浓度的平方根成正比。一般农村室外大气中CO2浓度为0.03%，城市为0.04%，而室内可达0.1%。经实测，北京地区室外混凝土的碳化速度约为室内混凝土的72%，而南京水科院对上海港10年混凝土暴露试验表明，低强度混凝土室内碳化速度约为室外潮湿混凝土的1.6倍；中等强度混凝土除个别外，室内试件碳化深度约为室外的2～3倍。这既有室内外相对湿度差异的因素，又有室内外CO2浓度不同的影响。一般可认为，碳化速度与CO2浓度的平方根近似成正比。

c.环境温度

温度的升高，一方面可促进碳化反应速度的提高，另一方面还可以加快CO2的扩散速度，温度的交替变化也有利于CO2的扩散。因此，温度越高，碳化速度越快。

d.应力状态

刘亚芹等研究了单轴拉压状态下混凝土的碳化。试验结果表明：当压应力f不超过0.7fc（fc为混凝土的抗压强度）时，压应力可以使部分原生裂纹闭合，对碳化起延缓作用；当压应力f超过0.7fc时，会使混凝土产生新的裂纹，碳化速度加快。在拉应力作用下，拉应力f不超过0.3ft（ft为混凝土的抗拉强度）时，应力作用对混凝土的碳化影响不明显；当拉应力超过0.7ft时，也会使混凝土产生新的裂纹，碳化深度增大近30%。

e.干燥与碳化的交替作用

干燥和碳化的次序对总收缩量有很大影响。干燥与碳化同时发生比先干燥后碳化的总收缩量要小得多。这是因为二者同时发生时，大部分碳化作用发生在相对湿度高于50%的条件下，因此碳化收缩大大减小。

施工质量因素包括以下几方面：

a.混凝土密实程度

实际工程中，在相同材料、相同环境条件下，混凝土碳化深度的离散性比实验室的大得多，密实性差及存在蜂窝、麻面、漏浆、裂缝等缺陷部位的碳化深度比振捣密实、表面无缺陷部位的碳化深度大得多。可见实际工程的施工质量对碳化的影响可能比材料和环境因素更大。因此，确保工程施工质量是提高结构耐久性的重要环节。

b.养护方法与养护龄期

碳化速度还受养护条件的影响。养护方法与养护龄期的不同，导致水泥水化程度不同，在水泥熟料一定的条件下生成的可碳化物质含量不等，因此会影响混凝土碳化速度。若混凝土早期养护不良，会使水泥水化不充分，从而加快碳化速度。试验研究表明，水灰比同为0.6的矿渣水泥混凝土，湿养3 d时的碳化深度是湿养7 d时的1.5倍左右。高压养护的混凝土碳化收缩非常小，因为这时Ca（OH）2与SiO2进一步反应形成了强度高、结晶度好、抗碳化性能强的水化硅酸钙。

水化速度越快的水泥，受养护条件的影响越小，碳化速度也越慢；而水化速率越慢的水泥，受养护条件的影响越大。一般来说，湿养时间越短，碳化速度越快。因此，为避免掺混合材料混凝土因碳化引起的耐久性不良现象，应保证足够的湿养时间。

c.覆盖层

表面覆盖层对碳化起延缓作用。混凝土的表面覆盖层通常分为两类：一类是含可碳化物质，如砂浆、纸筋、石膏灰等；另一类是不含可碳化物质，如沥青、涂料、瓷砖等。含可碳化物质的覆盖层，其内部的可碳化物质先与从环境扩散进入的CO2发生碳化反应，消耗CO2，延迟CO2接触混凝土表面的时间，即混凝土开始碳化的时间，同时使混凝土表面的CO2浓度比环境中CO2浓度低，从而降低混凝土的碳化速度。沥青、涂料、瓷砖等不含可碳化物质的覆盖层，通常比较致密，能密封住混凝土表面部分开口孔隙，阻止CO2扩散，从而延缓碳化速度。增大覆盖层厚度和提高覆盖层的密实度对延缓碳化作用有明显效果。