多孔细集料对混凝土自收缩的减缩效果及其表征

At present, the high strength concrete and the high performance concrete with lower water-binder ratio are widely used, however, they are easier to crack due to the notable autogenous shrinkage at the early age. In this research, the effects of the particle size, the pore structure, dosage and the water absorption capacity or water release capacity of pre-wetted porous lightweight fine aggregate on the autogenous shrinkage of concrete will be investigated. Based on its characteristics, a model to describe the space distribution of the porous lightweight fine aggregate within concrete will be established by using images capture system and finite-element analysis software. A model for calculation of distances between internal lightweight fine aggregate particles will also be proposed. Furthermore, the diffusion process of water introduced by the lightweight fine aggregate in paste or mortar will be tested and imitated, then the effective internal-curing distance between the lightweight fine aggregate particles could be determined. The reduction efficiency of porous lightweight fine aggregate on the shrinkage of concrete and the characterization will be obtained in this study. At last, a mathematic model to calculate the water amount that is just enough to eliminate the autogenous shrinkage of concrete will be created. All the results of this research would provide useful theoretic basis findings for control and quantitative design of the autogenous shrinkage of concrete.

当前，高强、高性能混凝土在工程中大量应用，其较低的水胶比使得混凝土早期自收缩显著，极易导致混凝土开裂。本项目主要研究预湿多孔细集料粒径、孔结构、吸水释水能力、掺量等对混凝土自收缩的影响；根据多孔细集料自身特征，借助图像采集、有限元分析软件等构建其在混凝土中的空间分布模型，提出多孔细集料颗粒表面间距的计算模型与方法；通过试验与模拟多孔细集料引入水分向水泥浆体（石）内部的迁移扩散过程，确定多孔细集料所含水分对水泥石起到自养护作用的有效释水距离；最终得到多孔细集料对混凝土的自养护减缩作用效率与表征方法，以及消除混凝土自收缩实际所需用水量计算模型。为实现混凝土自收缩的可控性、量化设计及应用提供依据。

当前，具有低水胶比、较高胶结材料用量的混凝土在土木工程中大量应用，带来高强高性能的同时，也带来了高自收缩这一负面影响。由于低水胶比混凝土的高致密性和高抗渗性，外部水分很难进入到混凝土内部，即使处于水中养护状态下，仍会发生自干燥现象，因此，本项目主要研究了混凝土内部相对湿度与自收缩率之间的关系，及多孔细集料对混凝土自养护减缩效率的表征方法。研究结果表明：采用预含水陶砂可以明显减小混凝土早期自收缩，陶砂预饱水程度越高、取代率越高，混凝土自收缩降低越显著；自干燥条件下，随着预饱水陶砂掺量的增加，混凝土内部相对湿度随龄期降低速率逐渐减小，96h普通混凝土内部相对湿度＜80%，陶砂取代率≥40%时，120h混凝土内部相对湿度仍＞90%；自干燥状态下，混凝土自收缩的大小与相对湿度降低值之间具有显著相关性，可以用二项式方程描述；预湿陶砂的掺入可以提高水泥水化程度、界面区水泥石显微硬度，细化孔结构，在距离界面50µm以内，预饱水陶砂对水泥石有显著增强作用，可以改变距界面60μm以内水泥石的钙硅质量比；得出了受陶砂自养护作用的水泥石体积计算公式，当混凝土中细骨料采用预饱水陶砂时，在界面区60μm厚度范围内受到显著自养护作用的水泥石体积约为水泥石总体积的10%；自养护材料的减缩效果可用自养护材料颗粒水分的有效作用距离和自养护材料颗粒表面间距来表征，得出了水分临界作用距离和颗粒表面间距的计算公式，预饱水陶砂掺量为50%时，陶砂的颗粒表面间距为417μm，自养护减缩效率为98.2%，受自养护作用的水泥石体积百分率为44.7%，实测自干燥条件下，120h时混凝土内部相对湿度＞90%，混凝土基本不发生自收缩现象。可见，采用自养护方法是解决低水胶比混凝土自收缩问题的有效手段，设计混凝土材料组成时，可以采用本研究结果来计算为消除混凝土自收缩所需的自养护材料质量。