1.3 水工混凝土的特性

1.3.1 水工混凝土的力学特性

水工混凝土主要是用以受压的材料，抗压强度作为衡量混凝土材料在压缩荷载下的承载能力的参数，是混凝土极为重要的性质。虽然在许多情况下，混凝土抗渗性、热学性能也很重要，但是，混凝土的抗压强度通常可以反映出混凝土的总体质量水平。在完全密实的情况下，混凝土的抗压强度主要取决于其内部起胶结作用的水泥石的强度，而水泥石的强度又主要取决于水灰比及水泥自身的品种。图1-1描述了混凝土抗压强度与水灰比之间的关系。

在混凝土被充分捣实的情况下，混凝土的抗压强度依据Duff Abrams公式随水灰比的降低而提高。在水泥用量不变，水灰比减小的条件下，混凝土拌和物工作性降低，当工作性降低到某种程度而无法捣实时，如果水灰比继续降低，反而会导致混凝土抗压强度的降低，即图1-1中的虚线部分。当用另一种捣实能力更强的方法时，混凝土的抗压强度随水灰比的降低而提高，但当水灰比降低至这种强振捣方法都无法捣实的程度时，混凝土的抗压强度又随着水灰比的降低而再次降低。

水工混凝土抗压强度受养护条件的影响较大。在干燥环境中，混凝土的抗压强度发展会随着水分的蒸发而减慢或中止，养护温度高时，水泥的硬化速度快，养护温度低时，水泥的硬化比较缓慢，当温度低于0℃时，水泥会停止硬化。图1-2所示为混凝土在不同温度的水中养护后，其抗压强度的发展规律。

图1-2中纵坐标为各个温度的水中养护的混凝土的抗压强度值占与23℃水中养护混凝土的抗压强度值的百分率。从图1-2中可以看出，养护温度高，可以增大初期水化速度，混凝土的初期强度也高；但养护温度在4～21℃之间的混凝土的后期强度都较养护温度在29～46℃之间的高，这说明由于初期的急速水化导致水化产物分布不均匀，所以初期养护温度越高，后期混凝土的抗压强度衰退越大。在正常养护条件下，混凝土的抗压强度在最初几天发展较快，以后逐渐缓慢，28d以后发展更慢。如果能长期保持适当的温度和湿度，混凝土抗压强度的增长可延续数10年之久。

水工混凝土以及与此相类似的脆性材料的抗拉强度，比根据分子凝聚力确定的、按假设为安全均质而无缺陷的固定表面能计算的理论强度低很多。其原因就在于混凝土本身是一种非均质材料，内部存在着许多大小不等的缺陷，如先天既有的裂隙、气泡和杂质等，即使在理论上均匀分布的应力之下，这些缺陷部位也可能发生不同程度的应力和应变集中，致使缺陷在不同应力条件下发展成裂缝而直接导致混凝土受拉试件断裂。

Griffith指出，混凝土的实际抗拉强度与理论强度之间的矛盾关系可用裂隙的存在来解释。Griffith假说指出了裂隙局部位置上的微观破损，其假说认为包含了最弱裂隙的“体积单元”直接决定了混凝土抗拉试件的受拉强度，即任何开裂都将扩展到承受一定应力试件的全截面上。

虽然混凝土受拉试件局部的破损起始于一点且受该点状态的控制，但必须指出的是，如果仅由混凝土受拉试件中最大应力集中点上的应力来预测破坏似乎还不够全面，还必须充分掌握混凝土受拉试件中在该应力集中点周围的应力分布情况，因为混凝土材料内部的、特别是接近破坏时的变形反应还取决于临界点周围材料的特性与应力状态，同时破坏扩散的可能性也同样受这一状态的影响。由此可见，像混凝土这样的脆性材料的抗拉强度不能只用平均值来描述，还必须给出强度变异的指标，以及试件的尺寸、形状等参数。

由于水工混凝土材料的非均质性，其实际抗拉强度与理论抗拉强度存在严重的偏差，而且混凝土的抗拉强度易受混凝土自身的先天缺陷影响，由此，混凝土的直接拉伸试验一般不宜用作决定设计参数或检验混凝土质量的常规试验。而且混凝土抗拉强度的测定方法也较多，如混凝土抗弯曲、直接轴拉、抗劈裂等，且由这些方法测得的抗拉强度大小也不同。

但是通过系统化的开展抗拉强度和抗压强度的试验，可以评定两种强度之间的相互关系。试验者可根据实测的抗压强度推算出相应的抗拉强度，计算公式的基本形式如下：

f_t=k（f_c）ⁿ

式中 f_t——混凝土的抗拉强度，MPa；

f_c——混凝土的抗压强度，MPa；

k——经验系，一般介于0.5～0.75之间；

n——经验系数。

当采用圆柱体试件时，混凝土的抗劈裂强度与抗压强度的关系式可表示为：

f_t=0.3（f_c）^0.67

式中 f_t——混凝土的抗劈裂强度，MPa；

f_c——混凝土的抗压强度，MPa。

当采用立方体试件时，混凝土的轴心抗拉强度与抗压强度的关系式可表示为：

f_t=0.12（f_c）^0.70

式中 f_t——混凝土的轴心抗拉强度，MPa；

f_c——混凝土的抗压强度，MPa。

中国GBJ 10—89规定的混凝土抗拉强度与抗压强度的换算关系可用如下公式表示：

f_t=0.20（f_c）^0.67

式中 f_t——混凝土的抗拉强度，MPa；

f_c——混凝土的立方体抗压强度，MPa。

美国波特兰水泥协会规定的混凝土抗拉强度与圆柱体抗压强度之间的换算关系可用如下公式表示：

f_t=0.16（f_c）^0.80

式中 f_t——混凝土的抗拉强度，MPa；

f_c——混凝土的圆柱体抗压强度，MPa。

欧洲混凝土协会关于混凝土抗拉强度与抗压强度之间的换算关系如下式所示：

f_t=0.30（f_c，k）^0.67

式中 f_t——混凝土的平均抗拉强度，MPa；

f_c，k——混凝土的圆柱体抗压强度的特征值，即有95%试件的抗压强度不低于此值，MPa。

1.3.2 水工混凝土的抗冻特性

水工混凝土的抗冻性是指在水饱和状态下能经受多次冻融作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。水工混凝土的抗冻性以抗冻等级表示。关于混凝土冻融破坏机理，各国专家学者提出了各自的分析理论。例如：T.C.Powers的静水压理论、Powers和Helmuth的渗透压理论、Fagerlund的临界饱水程度理论、DuvHudec的吸附水理论、Litvan理论、Cady的双机制理论、Setzer的微冰晶透镜模型理论、Tabar-Collins的冻胀理论以及ZbigriewRusin的骨料受冻膨胀理论等。就水工混凝土而言，其受冻害损伤可以区分为两种情况：剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤；内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝土性质改变（如动弹性模量降低）。至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。

新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏。冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向^［13］。其过程为：结构物表面降温冷却时，冷流向材料体内延伸，在深处某水平位置开始冻结，一般从较粗大孔穴中水分开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或从外部水源补给，并进行宏观规模的移动。第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料质体受到拉应力，如果超过抗拉强度即破坏^［14］。

硬化混凝土的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡，在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。可冻水（即冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结，气泡水易冻结。硬化混凝土中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。冻水一般是温度的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。连续的毛细管沟网络体系破坏过程，随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏、分成个别孤立的毛细孔，而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。随着水化深入，材料质地致密及温度的下降，将有更多细小空间的水参与冰冻，作为器壁的凝胶的渗水性也不断减小。当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破坏。材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力增大。

水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液；随着温度下降，浓度不断提高。另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原有的水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长，长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步生长必将产生膨胀压力，导致破坏。另一方面在水压的情况下，水分冻结膨胀，多余水在压力推动下外流，流向可能消纳水分的未冻地点；作为水流的结果压力消失，析冰情况正好相反：水分不是从冰冻地点外流，而是从未冻地点（凝胶）流向已冻冰地点（毛细孔），方向恰好相反。未冻地点的水移动一定距离后，最后以冰冻结束，作为水流运动的结果产生压力。

影响水工混凝土抗冻性的因素较多，拌和物流变参数、水泥品种、掺和料类型、水灰比、拌和方式等均可以对水工混凝土的抗冻性能产生影响。新拌混凝土的流变学模型属于不典型的宾汉姆体，兼具黏性和塑性的特征。其凝结硬化过程表现为混凝土拌和物从黏、塑性向黏、弹性的演变。拌和物的流变学特性在实际应用中集中表现为其工作性能。黏聚性、保水性和流动性是混凝土工作性能的具体体现。工作性能良好的混凝土流变学上具有内聚作用较大、内摩擦较小的特点，硬化过程中泌水少，其硬化产物结构致密，内部孔隙分布均匀，气泡直径和气泡间距相对较小，有利于提高混凝土的抗冻性能^［15］。

选用适当的水泥品种也是控制混凝土抗冻性不可忽视的重要因素之一。通过抗冻性试验，得到各种水泥混凝土加气和不加气的抗冻性递减次序如下：硅酸盐水泥（加气）&gt；普通硅酸盐水泥（加气）&gt；粉煤灰硅酸盐水泥（加气）&gt；矿渣硅酸盐水泥（加气）&gt；火山灰硅酸盐水泥（加气）&gt；硅酸盐水泥&gt；普通硅酸盐水泥&gt；粉煤灰硅酸盐水泥&gt；矿渣硅酸盐水泥&gt；火山灰硅酸盐水泥。美国加州大学Mehta 教授指出，应用大掺量粉煤灰（或磨细矿渣），是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。国内外有关资料表明：粉煤灰混凝土的抗冻能力随粉煤灰掺量的增加而降低，和相同强度等级的普通混凝土相比较，28d 龄期的粉煤灰混凝土试件抗冻耐久性试验结果偏低，随着粉煤灰混凝土技术的深入研究和发展，引气粉煤灰混凝土的抗冻耐久性研究已越来越多地引起人们的关注。实验证明：当超细粉煤灰与硅灰相掺时，提高抗冻耐久性的效果尤为显著，其冻融循环300 次以后，动弹性模量与重量基本无变化，而钢纤维的进一步复合有利于混凝土抗冻耐久性的改善。对于硅粉混凝土的抗冻耐久性，各国学者结论各异。日本的Yamato 等人通过试验得出结果：非引气混凝土当水/（水泥+硅粉）=0.25，不管硅粉的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。加拿大的Malhotra 等人通过试验得出：引气硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉掺量15%以下时都具有较高的抗冻耐久性。我国学者丁雁飞，孙景进在1991年通过实验探讨了硅粉对混凝土抗冻耐久性的影响，得出结论：非引气硅粉混凝土的抗冻耐久性与基准混凝土比较，在胶结材总量相同，坍落度不变的条件下，非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。范沈抚在1990年得出：在相同含气量的情况下，掺15%的硅粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土，气孔结构有很大的改善。硅粉对抗冻耐久性有显著的效果，但硅粉的产量有限而且成本较高。磨细矿渣与混凝土内水泥水化生成的Ca（OH）₂结合具有潜在的活性。张德思，成秀珍在1999年通过试验得出结论：随着矿渣掺量的增加，其混凝土的抗冻融性能愈差，但掺和比例合适时，抗冻性能与普通混凝土相比有较大改善。

水灰比大小是影响混凝土各种性能（强度、耐久性等）的重要因素。在同样良好成型条件下，水灰比不同，混凝土密实程度、孔隙结构也不同。由于多余的游离分子在混凝土硬化过程中逐渐蒸发掉，形成大量开口孔隙，毛细孔又不能完全被水泥水化生成物填满，直至相互连通，形成毛细孔连通体系，具有这种孔隙结构的混凝土渗透性、吸水性都很大，最容易使混凝土受冻破坏。因此我们在考虑引气剂同时，必须考虑水灰比，在含气量相同时，气泡的半径随水灰比的降低而减少，孔隙结构得到改善，提高了混凝土的抗冻性。水灰比与水工混凝土冻融耐久性的关系如图1-3所示。

当龄期和养护温度一定时，混凝土的强度取决于水灰比和密实度。在水泥水化过程中，水灰比对硬化水泥浆的孔隙率有直接的影响，而孔隙率的改变又影响了混凝土的密实度，从而影响混凝土的孔隙体积。此时，孔隙体积的增加是由于混凝土毛细孔径变大且连通，从而减少了起缓冲冻胀压力的储备孔，致使混凝土受冻后产生较大的膨胀压力。特别是承受反复的冻融循环后，混凝土将遭受严重的结构性破坏。因此，为提高混凝土的抗冻性，必须严格控制水灰比。从提高混凝土材料抗冻性而言，主要有两个技术手段：一是提供冻胀破坏的缓冲空腔，加引气剂就是最重要的基本手段；二是增强材料本身的冻胀抵抗力，控制较小水灰比和较高的抗压强度。

骨料特性对混凝土抗冻性影响主要体现在骨料吸水量的影响及骨料本身抗冻性的影响。对于严寒地区的水工混凝土，则应注意优选骨料。拌和前骨料的干燥状态对水工混凝土抗冻耐久性的影响见图1-4所示。可以看出不论水工混凝土引气与否，饱水骨料，特别是大粒径的饱水骨料，更可能导致水工混凝土产生冻害。为了保证抗冻性，必须改变混凝土的宏观结构，其原则是：应用小碎石混凝土，在有条件的情况下，完全不用大石料，向耐久的细粒式宏观结构过渡。大粒径骨料更容易遭受冰冻破坏，另外，泌水更容易在大粒径骨料底部聚集，因而不宜使用最大粒径较大的骨料或片状颗粒含量较多的骨料。

含气量也是影响水工混凝土抗冻性的主要因素，尤其是加入引气剂形成的微小气孔对提高混凝土抗冻性更为重要。为使混凝土具有较好的抗冻性，其最佳含气量约为5%～6%。加气的混凝土不仅从耐久性的观点看是有益的，而且从改善和易性的观点看也是有利的。混凝土中加气与偶然截留的空气不同，加气的气泡直径的数量级为0.05mm，而偶然截留的空气一般都形成大得多的气泡。加气在水泥浆中形成彼此分离的孔隙，因此不会形成连通的透水孔道，这样就不会增加混凝土的渗透性。这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减小，即起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中，这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成。为使混凝土具有较好的抗冻性，还必须保证气孔在砂浆中分布均匀。

含气量测定是混凝土是否具有抗冻融性能的“传感器”。含气量增加，平均孔隙间距减小。在最佳含气量条件下，孔隙间距将会防止冻融造成的压力过大。研究表明，混凝土中含气量合适，抗冻性可大大地提高。滑模混凝土的含气量在4%左右时，抗冻标号可达500次左右冻融循环，达到超抗冻性混凝土要求。若要求掺粉煤灰的混凝土达到4%含气量，应视粉煤灰掺量成倍增大引气剂量。此时粉煤灰混凝土的抗冻性也能达到300次以上冻融循环，能达到高抗冻性的要求。

为满足混凝土抗冻性和抗盐冻性要求，各国都提出了适宜含气量的推荐值，一般均在3%～6%之 间，骨料的最大粒径增大，含气量减小。根据混凝土抗冻性机理研究得到的最大气泡间距系数应为0.25mm左右，对应的最小拐点（临界）含气量3%，水工混凝土抗冻性与引气气泡间距之间的关系如图1-6所示。引气剂质量较好，气泡越小，表面积越大，临界含气量有减小趋势。实验表明，当混凝土含气量超过6%后，抗冻性不再提高。

水工混凝土的冻害与其饱水程度也有关。一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力，在混凝土完全保水状态下，其冻结膨胀压力最大。混凝土的饱水状态主要与混凝土结构的部位及其所处的自然环境有关。在大气中使用的混凝土结构，其含水量均达不到该值的极限，而处于潮湿环境的混凝土，其含水量要明显增大。最不利的部位是水位变化区，此处的混凝土经常处于干湿交替变化的条件下，受冻时极易破坏。此外由于混凝土表层的含水率通常大于其内部的含水率，且受冻时表层的温度均低于其内部的温度，所以冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。

1.3.3 水工混凝土的变形特性

在变化条件下，受环境温湿度影响最大的就是水工混凝土的干缩变形特性。水工混凝土的干燥收缩与混凝土内部的水存在重要的关系，水泥浆体中的水可分为游离水或自由水、化学结合水和凝胶水三种，混凝土硬化以后，如果置于未饱和的空气中，就会由于水分散失引发体积减小，即干燥收缩。

但是混凝土发生干燥收缩时的体积变化量并不直接等同于散失的水的体积，这是由于游离水存在于孔隙较大的毛细孔中，最先散失的游离水是不会引起混凝土体积变化的；只有随着环境干燥条件的继续，逐渐使附属在水化产物中的凝胶水散失时，才会导致水化产物体积缩小，在凝胶水逸出阶段未受约束水泥浆的体积变化近似等于全部凝胶粒子表面失去相当于单分子水层厚度的水分，即4000×10^-6～10000×10^-6，而混凝土由于水泥用量的减少及骨料的限值作用，干缩要比水泥石小得多；而化学结合水在低湿度条件的散失情况则比较复杂，目前还没有定论，但是已有的研究结果也表明了水泥石的一部分收缩还可能与沸石型水的迁移有关，研究表明，水化硅酸钙在干燥过程中的晶面间距从14Å减小到了9Å，水化铝酸钙和水化硫铝酸钙在干燥环境下也表现出了类似特性。

在混凝土试件中，混凝土的干燥收缩过程与混凝土的试件尺寸直接相关，如图1-7所示为水灰比0.5，灰集比1∶2.5的砂浆配比浇筑的不同截面尺寸的试件的干燥收缩过程。

骨料的颗粒尺寸对混凝土的干燥收缩具有一定的影响，大量粗骨料可以对混凝土的干燥收缩起到抑制作用，可降低收缩。此外，高压蒸汽养护也能降低混凝土的干燥收缩，研究表明高压蒸养水泥浆的收缩仅为正常养护水泥浆收缩的1/5～1/10。

除了干燥收缩以外，水工混凝土的收缩变形还包括自收缩、塑性收缩和化学收缩等。对于自收缩的认识与定义，国内外的学术界仍未完全统一，最早提出自收缩概念可以追溯到20世纪初，Le Chatelier对硬化水泥浆的绝对体积变化和表观体积的变化进行了区分，进而提出了自干燥概念。Lynam对自收缩给出的定义是：不因热或水分蒸发而产生的收缩行为。日本混凝土学会JCI给出的自收缩定义如下：在初凝以后水泥水化时产生的表观体积减小，这种体积减小不包括因自身物质的增减、温度变化、外部荷载或约束作用引发的体积变化。在国际材料与结构研究实验联合会RILEM TC 181-EAS技术委员会的报告中，自收缩则涵盖了更为广泛的内容，并对自收缩和自干燥收缩进行了明确的区分：自收缩是水泥基材料在密封条件、等温养护下表观体积的减小，而化学减缩则是引起自收缩的原因，化学减缩和自收缩在不同水化阶段存在不同的数量关系，在塑性阶段近似相等，当水泥基材料浆体初始结构形成以后，自收缩小于化学减缩；而自干燥收缩则是指在密封的条件下水泥浆体初始结构形成以后，由于水泥的继续水化，在体系内部形成空孔，引起内部相对湿度下降所引起的收缩，因此，自干燥收缩仅是自收缩的一部分；与自干燥收缩对应的水泥基材料初始结构形成以前，由于化学减缩而导致的表观体积的较少则称之为凝缩，因此，凝缩也是自收缩的一部分。

从以上关于自收缩的定义可以看出，自收缩的发生总对应着水泥基材料水化的某个时间点，即浆体初始结构形成的时刻。而现有的关于水泥水化的机理普遍认为水泥浆体初始结构形成的时刻即对应水泥的初凝，因此，笔者理解的混凝土材料的自收缩定义如下：混凝土在密封、保温养护等条件下，自初凝以后发生的表观体积的减小；且随着水泥的继续水化，由于没有外界水分的继续补充，水泥水化从毛细孔中汲取水分而导致自干燥收缩，自干燥收缩是自收缩的重要组成部分。

水工混凝土的塑性收缩一般发生在浇筑成型后3～12h以后，终凝前较为明显。发生塑性收缩的原因较多，如混凝土自身重力作用导致的沉降、化学反应、泌水条件变化等都能引起塑性收缩。由重力作用导致的塑性收缩，主要体现在垂直方向的收缩，日本混凝土学会JCI直接将重力方向上的塑性收缩定义为沉降收缩；而由泌水条件变化引发的塑性收缩，如新拌的混凝土拌和物，若养护不足或直接暴露在大风、炎热等自然环境条件下，混凝土拌和物表面的失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，引发毛细管负压，致使浆体在体积上整体产生收缩。当混凝土的初始浆体结构开始形成，进而产生一定的强度时，新拌混凝土就不再能够通过自身的塑性流动来适应塑性收缩，塑性收缩开裂就将发生。

水工混凝土的化学减缩即水化收缩，亦称为合缩。产生水化收缩的直接原因是水化反应前后水化产物的平均密度发生了变化，因此，几乎所有水硬性胶凝材料都会发生水化收缩。混凝土的化学收缩主要来自于水泥，且发生的时间最早，自水泥与拌和水接触产生水化反应，混凝土的化学收缩就开始了。水泥的化学收缩可以根据参加水化反应的物质的质量和密度计算求得。

由于水泥发生化学减缩是因为其主要水化物质发生水化反应，因此，不同种类的水泥发生化学减缩的量也不同。图1-8比较了二种波特兰水泥、一种矾土水泥和一种硫铝酸盐水泥在20℃温度下，各自的化学减缩随水化龄期的发展过程。

而对于同一种水泥，其化学减缩值的大小又受水化反应温度的影响。图1-9比较了同一种波特兰水泥在2℃、12℃、22℃、32℃四种温度条件下的化学减缩情况。