黃小濤

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅天水 74025）

0 前言

混凝土做為當今土木工程中用量最大的建筑材料，其各種性能也隨著相應的科學研究得到了極大的提高，各種外加劑和礦物摻合料的廣泛應用，使得混凝土的性能得到了很大提升[1]。但是，不論是普通混凝土，還是高性能混凝土，開裂問題始終困擾著工程界，成為亟需解決的一大難題?；炷亮芽p的形成原因，主要有收縮、凍脹、化學侵蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料反應及荷載作用等。隨著混凝土技術的不斷提高，對于由凍脹、化學侵蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料反應及荷載作用等裂縫的防治技術日漸成熟，但對于由收縮引起的混凝土裂縫的防治仍需要進一步的深入研究。大量研究表明，80%非荷載裂縫是由收縮造成的，可見收縮是混凝土開裂的最主要因素[2]。

混凝土收縮主要包括化學收縮、塑性收縮、自收縮、干燥收縮和溫度收縮等。化學收縮又稱水化收縮，是由水泥水化和凝結硬化而產生的自身體積縮減引起的。塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，當混凝土中的水分蒸發(fā)速度超過泌水速度時，就會引起塑性收縮[3]。自收縮主要是由于隨著水化的進行，毛細孔中的水逐漸減少，形成彎月面，引起毛細壓力，導致收縮。干燥收縮指的是混凝土停止養(yǎng)護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔水、凝膠孔水及吸附水而發(fā)生的長度或體積的減少[4-7]。溫度收縮主要是指混凝土內部溫度由于水泥水化反應而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時產生的收縮。

本研究為考察探究混凝土收縮最佳條件，以混凝土的收縮量為考察指標，首先選擇齡期、水灰比、水泥用量、含氣量、粉煤灰摻量和礦渣粉摻量等 6 個影響因素進行單因素輪換實驗；在單因素篩選實驗的基礎上，選出 4 個主要的影響因素，進行正交實驗設計，用以研究混凝土的最佳收縮條件。以期為工程工作者提供一定的數據參考。

1 方法

采用 100 mm×l00 mm×515 mm 的棱柱體試件模型，試件預埋檢測頭?；炷猎嚰尚秃髱ｐB(yǎng)護 1 d，拆模后送標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，至 3 d 齡期時從標準養(yǎng)護室取出測量。測量室為恒溫恒濕室，溫度為 20 ± 2℃、濕度為 60 ± 5%，測定混凝土試件的初始長度，此后按 7d 的時間間隔測量試件變形讀數，計算混凝土試件的收縮率，混凝土試件收縮率的計算公式為：

式中：εs——混凝土收縮率；

L0——試件長度的初始讀數；

Lt——試件在 t 時測得的長度讀數；Lb——試件的測量標距。

1.1 混凝土齡期對收縮性能的影響

為考察混凝土的齡期對混凝土收縮性能的影響，以及為實驗的進行選擇最佳的齡期，先將考察的影響混凝土收縮性能的 5 個因素固定，分別是：水灰比 0.40、水泥用量 400 kg/m3、含氣量 7.5%、粉煤灰摻量 20%、礦渣粉摻量 15%。以收縮率為測定指標，考察齡期對混凝土收縮性能的影響，以及為后面的實驗確定齡期。

1.2 單因素實驗

選取水灰比、水泥用量、含氣量、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量等 5 個單因素進行測定，以確定其對混凝土收縮性能的影響。首先水泥用量為 400 kg/m3、含氣量為 7.5%、粉煤灰摻量為 20%、礦渣粉摻量為 15%，考察水灰比為 0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55 時對混凝土收縮性能的影響。然后將最佳的水灰比固定，依次選取考察水泥用量為 320、360、400、440、480 kg/m3，含氣量為 2.5、5.0、7.5、10.0、12.5%，粉煤灰摻量為 0、10、20、30、40%，礦渣粉摻量為 0、15、15、30、45%時對混凝土收縮性能的影響。將每次優(yōu)選后的最佳條件固定，再逐次篩選其余最佳條件，直至結束[8-10]。

1.3 正交實驗

單因素實驗只是考察單一變量對混凝土收縮性能的影響，實驗數據分布不均勻，代表性不強，并且實驗的次數較多，工作量大，不經濟；如果使用正交實驗設計，可以減少的實驗次數，綜合考慮多個多個因素，達到較全面地反映各因素水平的效果。因此本研究根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果和單因素實驗分析結果，優(yōu)選 4 個因素，按照 L9(34)正交表進行正交實驗，用 SPSS 18.0 軟件對其結果進行統(tǒng)計學比較分析，得出影響混凝土收縮性能的最佳收縮條件[11]。

2 結果與分析

2.1 混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果

為考察混凝土齡期對收縮性能的影響，固定其它因素的值，水灰比為 0.40、水泥用量為420 kg/m3、含氣量為 7.5%、粉煤灰摻量為 5%、礦渣粉摻量為 15%，實驗考察結果見圖1，其中實線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖1 混凝土齡期對收縮性能的影響

根據實驗結果，結合圖1可知，混凝土的收縮率隨著齡期的增大總體上呈現增大趨勢，但是當齡期大于 45 d 后，收縮率雖然增大，但增大的幅度比較小，這中增大在我們的實驗研究中是沒有實際意義的，但在實際的施工之中存在很大的意義，因此基于實驗的需求，在實驗研究過程中，將齡期確定為 45 d，以便于實驗研究，以及在后續(xù)的實驗中對齡期和其他因素的綜合考察。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 水灰比對混凝土收縮性能的影響

根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果，在考察水灰比對混凝土收縮性能的影響時，將混凝土的齡期確定為 45 d，考察結果見圖2，其中實線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖2 水灰比對混凝土收縮性能的影響

從圖2可以看出，對于不同水灰比的混凝土，收縮率隨著水灰比的增大而增大，當水灰比小于 0.45 時，混凝土的收縮率隨著水灰比的增大而呈現單向的增大；當水灰比大于 0.45 時，混凝土的收縮率隨著水灰比的增大而有所下降，但收縮率要比低水灰比時的收縮率大。水灰比是影響混凝土收縮的重要因素之一，高水灰比的混凝土，收縮方式主要是干燥收縮和化學收縮；低水灰比的混凝土，主要的收縮方式是自收縮、干燥收縮和化學收縮。若當水泥用量固定時，化學收縮的程度則相對比較固定，而干燥收縮會隨著水灰比的增大而增大；在齡期固定時，混凝土的自收縮同樣比較固定，但仍然是進行的。根據擬合曲線和實測值，最終確定，齡期為 45 d 時水灰比以 0.45 為最佳，在此條件下的混凝土的收縮性能達到最佳。

2.2.2 水泥用量對混凝土收縮性能的影響

根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果和水灰比對混凝土收縮性能的影響的考察結果，在考察水泥用量對混凝土收縮性能的影響時，將混凝土的齡期確定為 45 d，水灰比為 0.45，考察結果見圖3，其中實線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖3 水泥用量對混凝土收縮性能的影響

根據圖3的實測值和擬合曲線不難看出，混凝土的收縮率總體上隨著水泥用量的增大而增大。當水泥用量小于 400 kg/m3時，混凝土的收縮率隨水泥用量的增大而急劇增大，但當水泥用量大于 400 kg/m3時，混凝土的收縮率隨水泥用量的增大同樣是呈現增大趨勢，但增大幅度很小?；炷恋乃嘤昧渴怯绊懫涫湛s的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學收縮會增大，同時由于毛細孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會增大。在實驗中，當混凝土的水泥用量大于 400 kg/m3時，收縮量同樣在增大，增大幅度比較小，此外考慮到經濟性的因素，認為水泥用量為 400 kg/m3 是齡期為 45 d 時的最佳水泥用量。

2.2.3 含氣量對混凝土收縮性能的影響

根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果，在考察含氣量對混凝土收縮性能的影響時，將混凝土的齡期確定為 45 d；此外根據前面的水灰比和水泥用量的考察實驗，將水灰比定為 0.45，水泥用量為 400 kg/m3。關于含氣量的考察結果見圖4，其中實線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖4 含氣量對混凝土收縮性能的影響

從實驗結果和對實驗數據的擬合可以看出，混凝土的收縮率隨著含氣量的增大呈現先增大后見效的趨勢。當混凝土的含氣量在 6.0%以下時，隨著混凝土含氣量的增大，混凝土的收縮率迅速增大；但當混凝土含氣量繼續(xù)增大時，混凝土的收縮率出現下降的趨勢。這表明混凝土的水泥用量是影響其收縮的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學收縮會增大，同時由于毛細孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會增大。根據實驗結果可知，混凝土的含氣量宜控制在小于 7.0%，含氣量為 6.0%是齡期為 45 d、將水灰比定為 0.45、水泥用量為 400 kg/m3時的最佳含氣量。

2.2.4 粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響

根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果，在考察粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響時，將混凝土的齡期確定為 45 d；此外根據前面的水灰比、水泥用量和含氣量的考察實驗，將水灰比定為 0.45，水泥用量為 400 kg/m3，含氣量定為 6.0%。粉煤灰摻量的考察結果見圖5，其中實線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖5 粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響

從實驗結果和對實驗數據的擬合可以看出，隨著混凝土中粉煤灰摻量的增多，混凝土收縮率總體呈減小的趨勢，混凝土中摻入粉煤灰后，一方面由于其水化非常緩慢，另一方面降低了混凝土中的水泥用量，減少了混凝土的化學收縮，并進一步降低了混凝土的自收縮，從而降低了混凝土的收縮率?？紤]到經濟因素等其他因素，認為5%是可以考慮的混凝土中粉煤灰的摻量。

2.2.5 礦渣粉摻量對混凝土收縮性能的影響

根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果，在考察礦渣粉摻量對混凝土收縮性能的影響時，將混凝土的齡期確定為 45 d；此外根據前面的水灰比、水泥用量和含氣量的考察實驗，將水灰比定為 0.45，水泥用量為 400 kg/m3，含氣量定為6.0%。粉煤灰摻量為 5%，礦渣粉摻量的考察結果見圖6，其中實線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖6 礦渣粉摻量對混凝土收縮性能的影響

從實驗結果和對實驗數據的擬合可以看出，隨著混凝土中礦渣粉摻量的增多，混凝土收縮率總體呈增大的趨勢；但這種增大的趨勢緩慢，這表明礦渣粉摻量對混凝土的收縮影響較小，可認為對混凝土的收縮性能來說是不顯著的影響。

這是由于礦渣粉顆粒較水泥更細，摻入水泥中，一方面可消耗水泥水化產物的 Ca(OH)，在堿性物質激發(fā)作用下發(fā)揮其潛在的膠凝活性，進一步降低混凝土的孔隙率，增加混凝土的密實度，另一方面其密實填充效應和水化作用細化了混凝土中的毛細孔徑，使得混凝土自收縮更容易發(fā)生。根據實際的需求可認為 30%齡期為 45 d、水灰比為0.45、水泥用量為 400 kg/m3、粉煤灰的摻量為 5%時的最佳礦渣粉摻量。

2.3 正交實驗結果

根據混凝土齡期對收縮性能影響的考察結果和單因素實驗結果，選擇齡期、水灰比、水泥用量和含氣量 4 個因素，做為影響混凝土收縮性能的主要考察因素，按照 L9(34)正交表進行正交實驗，用SPSS 18.0 軟件對其結果進行統(tǒng)計學比較分析，得出各因素綜合影響混凝土收縮性能的最佳收縮條件。在此實驗中，選擇粉煤灰的摻量為 5%，礦渣粉摻量為 30%，見表1、表2。

由表2可知，I2>I3>I1，I2>I1>I3，I2>I3>I1，I2>I3>I1，即表明影響混凝土收縮性能的最佳收縮條件是：齡期為 45 d、水灰比為 0.45、水泥用量為 400 kg/m3、含氣量為 6%；并且齡期、水灰比、水泥用量和粉煤灰的摻量 4 個影響因素對混凝土收縮性能的影響呈顯著作用；但因素的影響主次有所差異，結合單因素實驗結果和表2可知，RC>RB>RA>RD，這表明幾個影響混凝土收縮性能的因素主次關系為：水泥用量>水灰比>齡期>含氣量>粉煤灰摻量>礦渣粉摻量。綜合分析可得混凝土收縮最佳條件為：水泥用量為 400 kg/m3、水灰比為 0.45、齡期為45 d、含氣量為 6%、粉煤灰摻量為 5%、礦渣粉摻量為 30%，在此條件下，混凝土的收縮量為 281×10-6。

表1 實驗因素水平表

表2 正交實驗結果分析表

3 結論

根據實驗結果可知，水灰比是影響混凝土收縮的重要因素之一，高水灰比的混凝土，收縮方式主要是干燥收縮和化學收縮；低水灰比的混凝土，主要的收縮方式是自收縮、干燥收縮和化學收縮。若當水泥用量固定時，化學收縮的程度則相對比較固定，而干燥收縮會隨著水灰比的增大而增大；在齡期固定時，混凝土的自收縮同樣比較固定，但仍然是進行的[12]?；炷恋乃嘤昧渴怯绊懫涫湛s的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學收縮會增大，同時由于毛細孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會增大?；炷恋乃嘤昧渴怯绊懫涫湛s的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學收縮會增大，同時由于毛細孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會增大[13-15]?；炷林蟹勖夯覔搅康脑龆?，混凝土收縮率總體呈減小的趨勢，混凝土中摻入粉煤灰后，一方面由于其水化非常緩慢，另一方面降低了混凝土中的水泥用量，減少了混凝土的化學收縮，并進一步降低了混凝土的自收縮，從而降低了混凝土的收縮率[1]。

考慮到經濟因素等其他因素，認為 5%是可以考慮的混凝土中粉煤灰的摻量。礦渣粉顆粒較水泥更細，摻入水泥中，一方面可消耗水泥水化產物的 Ca(OH)，在堿性物質激發(fā)作用下發(fā)揮其潛在的膠凝活性，進一步降低混凝土的孔隙率，增加混凝土的密實度，另一方面其密實填充效應和水化作用細化了混凝土中的毛細孔徑，使得混凝土自收縮更容易發(fā)生。經綜合分析得出混凝土收縮最佳條件為：水泥用量為 400 kg/m3、水灰比為 0.45、齡期為 45 d、含氣量為 6%、粉煤灰摻量為 5%、礦渣粉摻量為 30%，在此條件下，混凝土的收縮量為281×10-6。通過實驗分析，為今后混凝土工藝的優(yōu)化與改進提供了一定的理論參考。

[1] 王健,鞏玉霞.水泥混凝土收縮影響因素分析嘲[J].山西建筑,2009(5):153-155.

[2] P.C.Aticin,A.M.Neville,P.Acker.Intergrated view of shrinkagedeformation[J].Concrete International,1997(9):35-45.

[3] 李林香,謝永江,等.混凝土的收縮及防裂措施概述[J].混凝土,2011(4):113-117.

[4] 馬冬花,尚建麗,等.高性能混凝土的自收縮[J].西安建筑科技大學學報,2003(1):82-84.

[5] Y.Yuan.,Z.L.Wan..Prediction of cracking within early-age due to thermal,drying and creep behavior[J].Cemeniand Conerete Research,2002(32):1053-1059.

[6] 錢曉倩,詹樹林,等.減水劑對混凝土收縮和裂縫的負影響[J].鐵道科學與工程學報,2004(9):20-24.

[7] J.Y.Li.,Y.Yao.,A study on creep and drying shrinkage of high performance concrete[J].Cement and Concrete Research,2001(31):1203-1206.

[8] 朱蓓蓉,吳學禮,等.超細礦渣摻合料對普通硅酸鹽水泥性能的影響及其作用機理[J].混凝土與水泥制品,1997(6):20-22.

[9] 高志斌.水泥和減水劑對混凝土收縮開裂的影響[J].低溫建筑技術,2011(3):9-11.

[10] B.Barr.,S.B.Hoseinian.,M.A.Beygi,Shrinkage of conerete stored in natural envirorunents[J].Cement&ComPosites,2003(25):19-29.

[11] 朱永偉.影響耐久性混凝土收縮因素的實驗分析[J].徐州建筑職業(yè)技術學院學報,2011(3):8-10.

[12] 孟凡深,王子敬.摻合料對混凝土收縮影響及收縮模型分析[J].水電能源科學,2009(10):163-165.

[13] O.Bemard.,E.Bruwiler..Influence of autogenous shrinkage on early age behaviour of structural elements consisting of coneretes of different sges[J].Materials and struetures,2002(35):550-556.

[14] 呂艷梅.商品混凝土收縮性能的實驗研究[D].河南鄭州:鄭州大學,2004.

[15] 桂海清.混凝土早期收縮與抗裂性能實驗研究[D].浙江杭州:浙江大學,2004.