毛细管收缩开裂及其防治-混凝土养生

毛细管收缩开裂及其防治-混凝土养生

混凝土毛细管压力监测系统-用于评估混凝土的塑性收缩开裂风险的新技术

摘要

       在干燥悬浮液的液相中形成负压会导致破裂。 在混凝土结构中，这种影响导致损坏过程已经在早年龄期就发生发生，即在浇铸后的Zui初几个小时内混凝土还没有达到明显的强度。 为了避免这种类型的损坏，已经提出了一种控制混凝土养生的方法。 它基于原位毛细管压力测量和对新浇筑混凝土表面进行闭环控制的再润湿。 毛细管压力保持在临界值以下，并防止了过多的水不受控制地施加到混凝土表面。 该方法已经在实验室以及现场条件下进行了测试。

1.引言

在主要由风，低相对湿度和高温引起的高蒸发速率下，混凝土甚至可能在材料达到明显强度之前就开裂。 图1显示了在晴天和大风天浇铸的混凝土板。 由于未在正确的时间开始养护，因此在铸造后的前四个小时内会形成裂纹。 这些裂缝的宽度约为1毫米，深度较大。 他们中的一些分裂的整体结构。

导致这种早期裂纹的过程是所谓的塑性收缩或毛细管收缩。 水分流失会在塑性材料的充水孔系统中形成毛细管负压力。 特别是在具有低水合比的高性能混凝土中，在很早的时期内毛细压力的发展也受到自干燥的影响。 如果毛细管收缩受到阻碍，则可能会出现裂纹。

图1：毛细管收缩引起的混凝土板裂缝

2.毛细压力发展

  图2：毛细管压力建立

   毛细压力与弯液面的半径成反比。粒子之间的空间越小，弯月面的半径越小，值越高。毛细压力值可能会变大。由于压力作用在干燥悬浮液的固体颗粒上，因此导致材料收缩。因此，由固体颗粒形成的孔变得越来越小（图2. C）。在此过程中，水从毛孔中抽出并输送到蒸发的表面。这会一直发生，直到由于接触和摩擦之类的限制或由于水合之类的化学过程而使颗粒不再靠近为止。如果没有足够的水被输送到地表，弯月面的半径与孔径一样小（图2. D），则空气会渗透到孔隙系统中，首先进入更大的孔隙。毛细管压力局部“突破”。在惰性材料中也观察到了这种现象。在土壤力学中。进气开始时的压力称为进气值。

毛细压力和空气进入值的发展受颗粒粒径分布、蒸发速率和流动性等因素的影响，特别是水泥等小颗粒的数量，粉煤灰或硅灰会影响观察到的过程，因为这些颗粒形成一个狭窄的孔隙系统，允许较小的弯月面和较高的压力值。

毛细压力的形成和收缩可以在颗粒级上进行数值模拟。这样就可以研究不同的影响对观察到的现象的影响。

在水泥、灰浆、混凝土和土壤等惰性材料中，可用压力传感器测量毛细管压力。通常，充水管道将材料的孔隙系统与实际的传感器元件连接起来。这种传感器在水泥基材料中的应用已经被一些作者描述过 。

图2所示的压力“突破”是在空气到达传感器时发生的。因为材料不均匀。这是局部活动。在其他传感器位置。突破可能出现得早一些，也可能出现得晚一些。因此，局部突破不能作为达到空气进入值的指标。以往的实验研究表明，可以通过变形和电导率测量来确定空气进入值。

孔隙是系统的薄弱环节 ，是应变局部化和“开裂”的起点。如果所描述的空气进入发生在材料尚未达到显着强度的等级时，则开裂风险会显着增加。

三. 现场条件下的毛细管压力测量

为了在现场条件下测量毛细管压力，构建了优化的轻型毛细管压力传感器，请参见图3（左）。 它们有一个圆锥形的充满水的传感器头，可以在浇铸和压实后应用于混凝土表面。 圆锥形承担传感器的重量，并在材料中的孔隙水和传感器元件之间提供液压连接。 电缆将传感器与数字记录设备相连，并为其供电。

图3：新型毛细管压力传感器（左），现场毛细管压力测量（右）

基于毛细管压力传感器已在现场条件下用于多种测量。 在图3中，可以看到传感器已应用于实际结构。 图4中的曲线图显示了毛细管压力的测量值。 该混凝土的水泥含量为335kg / m 2，水灰比为0.45。 它包含引气剂。 毛细管压力传感器在表面处理后不久（浇铸后60分钟）使用。 约100分钟后，表面上的渗出水蒸发，毛细管压力值开始上升。 平均蒸发速率约为0.5kg /（m·h）。 通过使用养护仪进行测量。

图4：混凝土中的毛细管压力发展（左），表面有小裂纹（右）

浇铸后四个小时，毛细压力达到约-45 kPa。 此时，表面覆盖有塑料薄膜。 结果，由于与薄膜的接触使表面上的颗粒和弯液面重新排列，因此毛细管压力值暂时降低。 可以看出，覆盖混凝土表面并不能防止持续的毛细压力积累，在这个龄期不仅由蒸发引起，而且还由的水泥水化作用引起。

在实验室条件下进行的实验中，对胶凝材料的进气量在-10 kPa和-48 kPa之间进行了测量[7]。 似乎对于图3中所示的第5页结构，由于毛细管压力已经达到-45 kPa，因此养生开始得太晚了。 这也可以解释为什么小裂纹，然后才覆盖塑料薄膜的表面上发现的，见图4。

移除传感器后，表面上直径约1厘米，深度约5厘米的圆锥孔仍然存在。 它们必须用水泥砂浆等合适的材料封闭。

4.自动化混凝土养护

 图5：重新湿润的混凝土试样中的毛细管压力发展

实验表明，通过向表面加水可以逆转毛细管压力的增加。 但是，添加的水蒸发后，压力值又开始上升，但可以通过重复润湿表面来降低压力值。 图5显示了在重新湿润的混凝土样品中毛细管压力的变化。 可以看出，重新润湿表面后，压力值下降到零。        

   在表面再润湿的基础上，提出了一种自动闭环控制的混凝土养系统护。 对新鲜混凝土表面进行不加控制的注水可能会损坏表层，因此不被认为是适用的方法。 因此，使用市售 雾化设备进行了实验，请参见图6（左）。 在混凝土表面上方，水被分散成非常细的水滴，这些水滴易于下沉到表面。 雾还增加了局部空气湿度。 极少量的水足以增大弯月面的半径并减小毛细管压力值。

图6：起雾装置（左），用于控制再润湿的混凝土板（右）

在实验室以及现场条件下对闭环控制的系统进行了测试。 在现场实验中，生产了两个边长为2.70 m的二次平板，见图6（右）。 它们的厚度约为12厘米，并浇铸在粗糙的混凝土路基上，以抑制早期收缩。 该混凝土的当量水灰比为0.47，包含290千克/米的矿渣水泥，60千克/米的粉煤灰以及增塑剂。    同时浇铸两个平板，并用毛细管压力传感器进行测量，如图3所示。当毛细管压力达到-10 kPa阈值时，通过在其表面上施加雾气来其中一个平板。 第二个未作为参考样品。 用仪测得的平均蒸发速率约为0.34kg /（m·h）。

图7：养生和未养生混凝土板中的毛细管压力与时间的关系

图7显示了两个混凝土板的毛细管压力与时间的关系。 浇铸后约120分钟，毛细管压力值开始上升。 大约220分钟后，准备养生的板坯压力达到-10 kPa的预定阈值，并开始使用雾化系统进行再润湿。 可以看出，再润湿不能完全释放毛细管压力。 在未的平板中，毛细管压力达到约-53 kPa的值。 大约400分钟后，系统被停用，先前的板中的毛细管压力值开始迅速上升。 快速增长可能是由于这个龄期的毛孔系统变窄。 可以认为，此时混凝土已经具有足够的抵抗力，可以承受由毛细压力引起的收缩力。

   24小时后，记录了所有宽度大于0.1 mm的裂纹。 图8显示了观察到的裂纹的长度和宽度。 不幸的是，这种材料的早期开裂风险被低估了。 在开始养生之前，已经在准备养生的平板表面上发现了两个裂缝（毛细管压力约为-9 kPa）。 尽管存在这些意外裂纹，但可以清楚地证明，通过毛细管压力控制的再润湿可以显着降低早期裂纹的风险。

   图8：养生（左）和未养生的混凝土板（右）在24小时后的裂纹观察

5.结论

混凝土的塑性收缩是由材料的孔隙系统中毛细压力的建立引起的，并且主要在高蒸发速率下发生;

使用混凝土毛细管压力监测系统，可以在现场和实验室条件下轻松测量毛细管压力;

根据测得的毛细压力，可以就养护措施的时机做出决定并评估这些措施的效果;

这样可以减少早期开裂的风险。 可以将测得的毛细压力用作基于表面再润湿的闭环控制混凝土养护的反馈值。 毛细管压力会自动保持在一定范围内，以防止早期收缩.

图9：混凝土毛细管压力监测系统（Concrete Capillary Pressure Measure System）