收缩研究的概述和未来趋势外文翻译资料

 2022-07-29 15:40:07

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收缩研究的概述和未来趋势

摘要

混凝土的非结构开裂是一个严重的问题并且是一个基本的现象，也就是说，需要更好的研究收缩和蠕变。大量的研究已经投入到了这个复杂的问题中。然而，尽管取得了巨大的成功，距离完全理解收缩现象还很遥远。本文讨论了混凝土收缩的主要方面，重点是自收缩和干燥收缩，这在高强度和正常强度混凝土中尤其重要。这些方面包括物理机制的理论，预测模型和未来的研究趋势。

混凝土收缩的原因是水分变化，其导致表面张力和毛细管张力，层间水的运动和分离压力还有化学反应（水化/脱水收缩，热收缩，结晶膨胀，碳化收缩和相变收缩）。这些机制中的很多都不能直接与宏观的扩张/收缩相联系。在某些情况下，体积变化是由于化学反应影响孔隙度和饱和度。大多数化学诱导的体积变化受温度影响，因为化学反应通常由于温度升高而加速并由于温度降低而减缓。一份近期模型发展的概述被提出。收缩减少方法（水泥改性，使用混合物和纤维，适当的配合比，内养护方法）被提出讨论。

  1. 一个执业工程师眼中的收缩

混凝土收缩率是在恒温，无荷载无约束条件下测量的时间依赖性应变。执业工程师的观点是从一开始区分塑性收缩，化学收缩和干燥收缩很重要。例如，一些高强度混凝土易于发生在湿混凝土中发生的塑性收缩，并且可能在凝固过程中导致明显的开裂。这种裂缝由于空隙水中的毛细管张力而发生。由于塑性混凝土和钢筋之间的粘结还没有形成，所以钢在控制这种裂缝中无效。在低水分含量下，这个问题可能是严重的，不推荐硅粉混凝土和诸如有大量表面暴露的板的混凝土的使用。

干燥收缩是主要由于干燥过程中水分减少而导致的体积减少。化学（或内源性）收缩是由于水泥浆中的各种化学反应和包括与密封样品中粘结剂水合度有关的水化收缩。水泥收缩应变通常被认为是干燥收缩和化学收缩的总和，持续随着时间的增加而增加。收缩率假设为一个最终值，因为时间接近无穷并且收缩率取决于影响混凝土干燥的所有因素，包括相对湿度和温度，混合特性（尤其是粘合剂的类型和数量，水含量和水灰比，细骨料和粗骨料的比以及聚合的类型）和成分的尺寸和形状。

所有这些方面对执业工程师都很重要。然而，本文的重点是收缩的物理和化学机制，尤其是对于干燥收缩和自发收缩。自40年代以来，干燥收缩就已经被深入研究，而且仅在最近过去的十年，随着高强度高性能水泥混凝土的发展，自发收缩也成了水泥研究中的热门话题。

应该怎样解释收缩呢？需要注意的是，相同的物理机制既可以解释干燥收缩，也可以解释自发收缩。存在着很多有趣的理论，我们想评论一下最广泛流行的理论。

2.由于水分变化而引起的收缩

2.1 毛细孔张力

第一种理论之一就是收缩（或膨胀）应力，其液相相对于初始状态处于应力下。Freyssinet 认为，可以发展的应力就是毛细应力。在这种情况下的力应该与填充毛细管的液体的表面张力sigma;成比例，并且与限制液相的弯液面的曲率半径r1和r2成反比。如果水的量减少，则半径也减少，而毛细力增加。Freyssinet的观点被各种作者所采纳，但是在几年后，这个观点就被完全摒弃了。只有在50年代，收缩的毛细机制才再次成为研究的热门。

当液体（P）上的蒸汽压等于饱和蒸气压（P0）时，存在液体和蒸汽之间的平衡，即在任何给定时间内离开液体的分子数等于返回液体的分子数。这种状态与相对湿度100%对应。当相对湿度降低低于100%时，或者换句话说，蒸气压低于饱和压力，就会发生蒸发。

在毛细孔中，弯液面的蒸气压不等于平液面的蒸气压。这种差异可以用图例来说明。在这个图中，圆圈表示液体表面上一个分子的吸引力。

可以看出，由阴影表示的阻碍分子蒸发的分子数目，在凹面的情况下更大。所以，当弯液面存在时，相对湿度低于100%的情况下，蒸气压低于饱和蒸气压才能达到平衡。另一方面，由于在刚刚形成的弯液面之后，液体压力和空气压力存在表面张力差。

压力差可以用平衡方程计算，可以写成如下：

2pi;r 2 Pin = 2pi;r 2 Pout 4pi;gamma; r (1)

其中gamma;是液体的表面张力，r是弯液面曲率半径，Pin是液体内部的压力，Pout是弯液面上方的气体压力。这里认为弯液面具有球形形状，因此弯液面半径等于毛细管半径。这个方程可以整理为拉普拉斯方程：

Pc equiv; Pout - Pin = -2gamma;/r (2)

Pout和Pin之间的差称为毛细管压力（Pc）。由空气压减去水压得出的毛细管压，总是负值。这意味着水处于张力（或压力）状态。

毛细管压力和相对湿度之间的关系由开尔文方程给出：

Pc =RT ln(RH)/Vm (3)

其中R是气体常数，T是以开尔文为单位的温度，Vm是水的摩尔体积。开尔文和拉普拉斯方程可以组合，给出我们曲率半径和相对湿度之间的关系：

ln(RH) = ln（ P /P 0 ） = 2gamma; Vm/RTr （4）

这个方程通常与Kelvin-Laplace方程有关。该方程的含义如图2示。

当相对湿度为100％（P = P0）时，毛细管中的水面为平面（r =infin;），不发生蒸发。随着相对湿度（RH1 = P1 / P0）的降低，水开始蒸发，直到形成对应于Kelvin-Laplace方程中的RH1的曲率半径r1的弯液面。相对湿度的进一步降低导致进一步蒸发，同时弯液面的曲率半径相应减小。弯液面曲率半径最小值等于毛细半径。因此，如果相对湿度降低到对应最先弯液面曲率半径的相对湿度以下时，则水分蒸发至全部蒸发完毕。这对于具有恒定直径的圆柱形毛细管是正确的。然而，在具有一定尺寸分布的混凝土的毛细孔中，蒸发会持续直到最大孔被排空，并且在半径等于对应相对湿度的弯液面曲率半径的孔中形成弯液面。通过这种方式，在水泥中，具有半径低于半月板半径的孔被水填充，而具有较大半径的孔则是空的。

如拉普拉斯方程所述，毛细管中的水处于低压下，即处于拉伸应力下。毛细管水中的这种拉伸应力必须通过周围固体的压缩应力来平衡。因此，通过任何干燥或通过化学反应排空水泥浆中的毛细管孔将使浆料承受压缩应力，反过来，这又将导致体积减小，即收缩。波特兰水泥浆被认为是粘弹性材料，因此这个体积变化既具有弹性又具有粘性，即蠕变成分。两种组分随时间和w / b比率而变化。根据拉普拉斯方程，毛细管水压或简单毛细管压取决于弯液面的曲率半径，如上所述，弯液面的曲率半径接近毛细管半径。因此，毛细管诱导的收缩取决于水泥浆的孔径分布，其受w / b比和矿物质混合物的影响，并且随时间而变化。由于填充了水的空隙的毛细管应力sigma;cap 而造成的部分饱和介质收缩的线应变，由D.Bentz和E.Garboczi测量，并且按照公式：

其中S是水填充孔隙的饱和度分数或分数，K是多孔材料的体积模量，Ks是多孔材料内的固体骨架的体积模量。

该方程对于完全饱和材料是有效的，并且仅仅近似于部分饱和。就收缩而言，可以观察到从多孔材料中移去水的两个抵消反应。随着水合的进行，越来越小的孔被排空。这个过程的示意图在图3中展现出来。图中可以看出，随着自干燥产生更多空隙，水合过程中越来越小的孔被排空。因此，sigma;cap 的值增加。另一方面，随着水分的移除，饱和值S降低。因此，所产生的收缩现象取决于正在检查的系统以及由孔径分布所确定的S和r之间的关系。该机构仅在毛细管水变得连续时有效，即在RH超过40%时。一些研究人员认为毛细管张力在50-100％的相对湿度下非常重要，但其他人认为这个范围是35-100％。

2.2 表面张力

在大量液体中分子与其相邻分子之间的作用力各向平衡，并且大量液体中的压力是均匀的。相反，在液体的表面，表面分子和内部分子之间的相互作用力不被来自相外部的类似力平衡。平衡状态需要一个等值但是具有相反方向的补偿力施加到分子表面层。这个力就是液体的表面张力。结果，表面趋于收缩并且表现似拉伸的弹性皮肤。表面张力在材料内部产生压缩应力。在胶体尺寸的颗粒中，例如具有大比表面积的水泥凝胶颗粒，表面张力引起250MPa的巨大压缩应力。这种级别应力的变化将引起明显的体积变化。胶体系统的表面张力甚至是表面能可以通过气体或蒸气的吸附而改变。如果在给定的蒸汽压力P下吸附厚度为delta;的膜，表面能减小Delta;gamma;

其中R是气体常数（8.31441 JK-1mol-1），T是开氏温度。从等式中可以看出，干燥，或蒸汽压降低或相对湿度降低都是等效的，增加了由其引起的表面张力和压缩应力，导致体积减小，即收缩。

长度变化（Delta;I/ l）与表面张力或还有表面能的相应变化直接相关。Bangham表明，在一定条件下，这种关系是线性的。

∆l/l = lambda; · ∆gamma; （7）

联系尺寸变化与孔系统中的表面张力的比例因子lambda;由Hiller表示为胶体系统性质

其中sum;是空孔的孔壁面积，rho;是比质量，E是材料的弹性模量。应当注意的是，由于只有物理吸附的水影响表面张力，因此该机制仅在当浆料的水含量的变化主要是由于吸收水量的变化的低湿度下有效。在较高的湿度下，水开始填充浆体中的毛细管孔，这在表面力和分离压力的之外引起胶体系统的额外膨胀。为此，有人提出表面张力机制仅在相对湿度为40％时才有效。后来又有人提出这种机制在相对湿度5–50% 范围内才有效。因此，等式（7）在这个范围外不适用。

2.3 层间水的运动

水泥凝胶的C-S-H颗粒由具有大电荷表面积的层状片构成。这些形成层状微结构的颗粒在界面处吸引高度极化的水分子，直到几个单层分开。这种水进入和离开层状C-S-H颗粒结构的运动将影响层之间的间隔，从而以这种方式引起体积变化。图4（a）和（b）展示了由Munich模型形成的这个过程的示意图。

层间水的退出和再进入引起长度变化Delta;l0。 大多数研究人员将相对湿度低于35-40％的收缩归因于这种机制。

2.4 分离压力

如上所述，夹层水的重入引起CSH颗粒层之间的斥力。然而，通过层间水的吸附，不仅产生排斥力。固体层间的范德华引力也减小，即导致凝聚力降低。净表面斥力和引力损失通常称为分离压力，有时称为膨胀压力。分离压力的改变导致体积改变，即收缩。这个机制在图5中说明。

关于分离压力机制的Munich模型的基本方面的简化草图如图6所示。

在毛细管压力的作用下可以产生额外的分离压力。分离压力由保持CHS颗粒之间一定距离的水分子之间的斥力产生，如图6（b）所示。

根据Powers所说，分离压力是毛细管力和粘合力在通过毛细管压力保持在一起的两个CSH颗粒的楔形结构中的水中产生负压的结果。参见图6（a）

Powers模型表明，这一机制是在相对湿度的整个范围内都有效的，而Munich模型认为分离压力是在相对湿度超过50％时重要。相反的是，Feldman和Sereda完全反对这种机制。

2.5 饱和度/ RH对收缩机理的影响

水泥浆的含水量和体积变化相关。水泥浆体积的减少通常被称为收缩。本节讨论了四种不同的机制。每一种的外观都很大程度取决于水泥浆的饱和度。例如，毛细管压力在孔隙水变得连续时变得重要，而分离压力在低饱和度下是重要的。

在收缩机理的活化中的另一个问题是水泥浆的相对湿度，然而其明显与饱和度相关，因为吸附水和蒸汽压力之间的平衡必然存在。实际上，相对湿度的任何变化都会干扰平衡，并导致蒸发或冷凝，这分别取决于RH的降低或是升高。

通过这种方式，用不止一种机理来描述收缩和膨胀。对于在特定相对湿度下哪种机制是有效的，存在一些不同意见。几个作者关于每个机制的相对重要性的不同意见在表1中给出。

大多数研究者将相对湿度高于40％的体积变化归因于毛细管张力。层间水的移动大部分都被认为是造成在相对湿度低于35％时的体积变化的原因。大多数研究人员认为表面能的变化是在40％以下的相对湿度下收缩/膨胀的原因，然而一些正好相反，认为该机制在相对湿度高于40％时才正确。分离压力也是争议的对象。一些研究人员认为，分离压力是造成在高相对湿度下体积变化的原因，一些人认为这在低相对湿度下才对，还有些完全反对这个机制。

  1. 化学反应造成的收缩

3.1涉及的机制

实际上所有的水泥浆料性质都取决于实际上是放热化学反应的水泥水化。由于化学反应引起的温度变化产生体积变化，并且由于反应物的体积通常与反应产物体积不同，所有化学反应是水泥浆体积变化的不可忽视的来源。

由化学反应引起的收缩（或膨胀）的几种机制可能是不同的（作者希望遵循在Wittmann的优秀综述中提出的分类）

主要的机制包括：

-水化收缩

-热收缩

-结晶膨胀

-碳化收缩

-相变收缩

-脱水收缩

许多这些机制通常不能直接和宏观观察到的扩张相联系。在一些情况下，由于化学反应引起的体积变化主要导致孔隙率和饱和度的增加或减少。大多数化学诱导的体积变化受温度影响，因为化学反应通常由温度升高而加速并且由于温度降低而减慢。

3.2 水化

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