[摘要] 干縮是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分，在后期，干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用，從而加速裂縫的產生。混凝土的干燥收縮機理通常用毛細孔失水，形成彎月面，在毛細孔張力的作用下產生收縮。本文采用物理圖解和數學推導，形象地描述了混凝土干燥收縮的物理力學機制。
[關鍵詞] 干燥收縮；凝膠顆粒；氣液彎月面；毛細孔張力；孔徑分布
干燥收縮（drying shrinkage） 通常是混凝土停止養(yǎng)護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，隨著相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。干縮主要發(fā)生在澆筑后3～90d 齡期內，事實上，文獻[ 1 ]的研究表明，若養(yǎng)護不好，早期（齡期前3d） 的干縮相當大，不可忽視。
干縮是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分，在后期，干縮的發(fā)展往往與荷載因素共同作用，從而加速裂縫的產生。一直以來它都是混凝土收縮研究的重點，其形成機理通?；诿毧桌碚撜归_的。對此，本文將結合作者的一點認識重新加以闡述，希望寄此能對干縮有更清晰深入的認識。
1 干縮機理描述
干縮機理與水泥漿體內部孔隙有關。水泥水化的結果是生成水化硅酸鈣（C-S-H） 等水化產物及在內部形成大量并被水填充的微細孔（ > 5nm 的毛細孔與0.5～2.5nm 的凝膠孔） ，這些微細孔中儲存有水化未消耗的多余水分?；炷粮稍锏臅r候，水的蒸發(fā)速度可能超過混凝土向外泌水遷移的速度，因此，表層毛細孔中的水面降低，并隨著蒸發(fā)的繼續(xù)，水分的失去從表層逐漸向混凝土內部不斷發(fā)展，毛細孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細孔內水分的失去將在孔中產生毛細管負壓，并促使氣液彎月面（meniscus） 的形成，從而對孔壁產生拉應力，造成水泥漿體收縮。
這一過程可通過圖1 加以比較清晰的描述。從圖1a 中可以看到，混凝土處于干燥環(huán)境下時，泌出的水分在混凝土表面被蒸發(fā)，當表層水分的蒸發(fā)較快，內部水分遷移來不及補充時，在氣液界面的外表面（氣相） 形成毛細孔負壓，即毛細孔內溶液表面蒸汽壓與液壓（水壓） 的壓力差ΔP（圖1c） ，由于這一壓力差的存在，促使凝膠顆粒間產生一個氣液彎月面。如圖1c 所示，這一彎月面在毛細孔負壓與固（凝膠顆粒） 液（毛細孔水溶液） 界面處的表面張力σ 的共同作用下形成短暫的動態(tài)平衡。隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，內部水分向外遷移的速度越來越慢，從而毛細孔負壓越來越大，彎月面的受力平衡被打破，導致液面整體不斷下降，這也使得彎月面的曲率隨之增大（曲率半徑即毛細孔液面處的孔半徑隨之減?。?，固液表面的接觸角隨之減小，使得表面張力的豎向分力增大（圖1b） ，于是彎月面再次受力平衡，如此反復。
如圖1c 所示，表面張力實際上構成了凝膠顆粒與彎月面之間的作用力與反作用力。凝膠顆粒通過對彎月面提供表面張力σ 使其受力得以平衡，而彎月面則將表面張力σ′ 反作用于凝膠顆粒，根據力的平衡可知，這一反作用力的合力在數值上、方向上均與毛細管負壓相同，從而促使凝膠顆粒向內部運動。這即所謂的收縮拉力，它是造成水泥漿體收縮的直接驅動力。在垂直向的蒸發(fā)過程中，這一收縮力還與凝膠顆粒的自重疊加，加速漿體的收縮。
2 收縮拉力（ 毛細孔負壓） 推導
根據以上干燥機理分析，收縮拉力σs 也即毛細孔負壓，在數值上應該等于表面張力豎向分量的合力。假設彎月面是球冠形的，則將圖1b 所示的彎月面向水平面垂直投影得到如圖2 所示的受力單元， 其中表面張力取其豎向分量σcosθ， 作用域為圖示的陰影部分的單位寬度圓環(huán)，而毛細孔負壓ΔP 的作用域為整個彎月面的投影圓， r 為毛細孔彎月面處的孔徑。則取圖中角度為dβ的微元，根據豎向的受力平衡有如下等式成立：
對上式中β角從0 ～ 2π積分得到：
另外，收縮拉力（毛細孔負壓） 也可以用孔隙內的相對濕度（RH） 來表征。Kelvin 方程給出了如下孔隙相對濕度與孔徑的關系：
式中： Ф為相對濕度； M 為水的摩爾質量（18gPmol） ；ρ為水的密度（1 000kg/m3 ） ； R 為氣體常數（8.314J/（mol·K） ） ； T 為溫度（K） ； r 為孔半徑（m） 。
上式也可變化為：
于是代入（4） 即可得到毛細孔負壓與相對濕度的關系：
上述理論公式的推導也證明了毛細管負壓隨內部相對濕度的降低而降低。根據C. Hua 等對硬化水泥石收縮模型的研究，當水泥漿體中內部相對濕度由100 %降低到80 %時，毛細孔負壓將從0 增加到30MPa 。當降至60 %以下時，毛細孔負壓將發(fā)展到100MPa 以上。
3 影響干縮的重要因素
從上述分析可以看出，影響干縮的3 個重要因素是水灰比、水化程度、失水速率，其中前兩者是決定孔隙分布的主要因素。根據Powers 的研究，水泥完全水化的水灰比在0.42 左右，用水量直接影響孔徑分布與孔隙率，水灰比越高，孔徑與孔隙率也越大。因此，低水灰比混凝土的孔隙水越低，相應的干縮也越低，但當水灰比過低時（0.2 < W/C < 0.42） ，有可能產生自干燥（ self2desiccation） 收縮。水化程度實質上也反映了齡期與養(yǎng)護對干縮的影響，在水化后期，由于更多的水成為化學結合水，可供遷移的自由水分就越少，因此早期養(yǎng)護的越好，暴露于空氣中的齡期越晚，干縮越小。失水速率其實與結構的形狀有關，通常結構表面積與體積的比率越大，水分的散失越快，干縮也越嚴重，這也是路面板、橋面板、樓面板更容易干縮開裂的原因。此外，在混凝土中，骨料的種類和含量也會間接地影響混凝土的自由收縮。骨料因為相對較為穩(wěn)定將阻止?jié){體的收縮，因此骨料粒徑越大、硬度越高，漿骨比越小，干燥時的自由收縮越小。至于其他因素如化學外加劑、礦物摻合料、水泥種類等，也會因為改變水化過程及漿體孔隙的組成而影響混凝土的干縮。
4 結語
干縮是混凝土收縮最為常見的一種形式，也是目前為止研究最多的一類收縮。它是混凝土澆搗3d 以后的最主要收縮組成部分，國內外都有相應的試驗標準對此進行評估（如ASTM C2157 、ASTM C2341 、GBJ 82285） ，結構設計中涉及混凝土收縮的計算（收縮裂縫計算、預應力收縮損失計算） 大多是基于干縮試驗的結果估算的。此外，目前在收縮方面研究的較為多的自干燥收縮現象，其形成機理在本質上還是干燥收縮，只是失水的方式不同而已。干縮是水分向外界環(huán)境中蒸發(fā)而減少，而自收縮則是水分在水泥顆粒繼續(xù)水化的過程中被內部消耗，而失水引起毛細孔負壓進而導致收縮這一機理則是相通的。
