混凝土的收縮是指混凝土在凝結(jié)硬化及使用過(guò)程中由于混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)、水份變化和溫度變化等引起的體積減小。依據(jù)引起收縮的因素類型，可以簡(jiǎn)單地將混凝土的收縮分為熱收縮和失水收縮。熱收縮包括大體積混凝土的水化反應(yīng)引起的收縮及水化反應(yīng)期間溫差引起的收縮。由于溫差引起的收縮在大體積混凝土工程中受到了廣泛關(guān)注，在大體積混凝土的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中控制溫差已經(jīng)成為預(yù)防開(kāi)裂的重要措施。但是，Rawhouser在1945年就已經(jīng)指出:溫差僅僅是影響混凝土開(kāi)裂的因素之一，混凝土早期的熱應(yīng)力現(xiàn)象異常復(fù)雜，僅僅靠控制溫度而忽視其他因素的影響來(lái)避免開(kāi)裂難以有效也幾乎毫無(wú)意義。在此基礎(chǔ)上，失水現(xiàn)象作為另一個(gè)引起收縮的因素而引起人們的關(guān)注。失水收縮包括混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)消耗水和外部環(huán)境影響下的干燥失水收縮。混凝土的收縮一般可以細(xì)分為主要的六大類，包括塑性收縮、自收縮、干燥收縮、溫度收縮、化學(xué)收縮和碳化收縮。
(1)塑性收縮
在水化終凝前的一段時(shí)間內(nèi)，混凝土由于表面失水過(guò)快而產(chǎn)生的收縮，主要在混凝土加水拌合后的3~12h齡期內(nèi)產(chǎn)生，直到混凝土終凝前為明顯，且僅發(fā)生在混凝土表面，因?yàn)榘l(fā)生在混凝土的塑性階段所以被稱為塑性收縮，塑性收縮是引起塑性開(kāi)裂的主要原因。混凝土在新拌狀態(tài)下，拌合物的顆粒中間充滿著水，如果養(yǎng)護(hù)不足或環(huán)境溫度較高、濕度較小、風(fēng)速較大，當(dāng)表面的失水速率超過(guò)泌水速率時(shí)，則會(huì)使混凝土毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生收縮。引起塑性收縮的原因很多，混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)、重力作用以及塑性階段的干燥失水都可能引起塑性收縮，一般都是各向異性，但是主要表現(xiàn)在重力方向上的收縮。塑性收縮多見(jiàn)于大面積的混凝土工程中，如道路、地坪、樓板等，因?yàn)橄募緶囟雀撸炷潦欤运苄允湛s在夏季施工中比較普遍。
混凝土塑性收縮開(kāi)裂的影響因素很多，總的來(lái)說(shuō)可以分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素包括水膠比、礦物摻合料、漿骨比、混凝土的溫度和凝結(jié)時(shí)間等，外部因素包括風(fēng)速、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度等。通常，控制塑性收縮的方法是降低混凝土表面的失水速率，混凝土夏季施工時(shí)表面水分的蒸發(fā)速率控制在1kg/(m2•h)以下，可以采取防風(fēng)、降溫、加入緩凝劑延緩混凝土凝結(jié)速率等方法，其中有效的作法是表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等在終凝前保持混凝土表面濕潤(rùn)。
(2)自收縮
自收縮是指混凝土或其他水泥基材料在恒溫密封條件下，在表觀體積或長(zhǎng)度上的減小。混凝土初凝后，即使不向外部散失水分，混凝土內(nèi)部的自由水量也會(huì)因水化反應(yīng)消耗而逐漸減少;封閉狀態(tài)的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨著水化反應(yīng)而降低的現(xiàn)象，稱為自干燥作用;自干燥作用導(dǎo)致毛細(xì)孔中液面形成彎月面，使毛細(xì)孔壓升高而產(chǎn)生毛細(xì)孔負(fù)壓，引起混凝土的自收縮。
混凝土的自收縮現(xiàn)象早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)觀測(cè)到的現(xiàn)象是混凝土在恒溫恒重下自身能夠收縮，但是當(dāng)時(shí)的混凝土水膠比大(W/B>0.5)，幾乎不摻加礦物摻合料，所以自收縮測(cè)定值只有(50~100)×10-6，這與干燥收縮相比小得多，因此一直沒(méi)有得到足夠重視。直到20世紀(jì)90年代，隨著高效減水劑的使用使配制混凝土可以采用低水膠比，混凝土的自收縮現(xiàn)象才越來(lái)越引起人們的關(guān)注。當(dāng)混凝土的水膠比為0.40時(shí)，自收縮約占總收縮值的25%，已經(jīng)不可忽略;當(dāng)水膠比為0.30時(shí)，自收縮約占總收縮值的35%;當(dāng)水膠比降低到0.19且摻有硅灰時(shí)，自收縮占總收縮值的比重高達(dá)75%。
產(chǎn)生自收縮的必要條件是內(nèi)部存在未水化的膠凝材料，充分條件是混凝土中的水分無(wú)法滿足內(nèi)部水化的需要。通常可以采取的抑制混凝土自收縮的主要措施有:
礦物外加劑:有大量文獻(xiàn)表明，摻入粉煤灰和石灰石粉可以降低混凝土的自收縮。
使用減縮劑:減縮劑通常為表面活性劑，可以降低水表面張力及凹液面的接觸角，因而降低因自干燥產(chǎn)生的應(yīng)力，減縮劑同樣可以降低混凝土因干燥產(chǎn)生的自收縮。
充分水養(yǎng)護(hù):充分水養(yǎng)護(hù)對(duì)減小混凝土的自收縮非常有效，能從根本上減小混凝土的自收縮。
選用適宜的水泥:選用低C3A、C4AF和高C2S的水泥可以降低自收縮。
使用輕骨料:混凝土中摻入浸水的輕骨料，通過(guò)輕骨料內(nèi)部水分在混凝土中水分消耗的情況下繼續(xù)向水泥石體系的供應(yīng)水分，可以在不影響其他性能的情況下有效降低混凝土的自收縮。
(3)干燥收縮
干燥收縮是在不飽和的空氣中由于水分散失引起的不可逆收縮，不同于干濕交替所產(chǎn)生的可逆收縮，通常在混凝土停止潮濕養(yǎng)護(hù)后開(kāi)始產(chǎn)生。其原理是混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔失水形成彎液面，產(chǎn)生負(fù)壓而引起收縮，隨著相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干燥收縮逐漸增大。混凝土中水分可以大致為自由水、物理吸附水(毛細(xì)孔水、凝膠孔水)、化學(xué)結(jié)合水(層間水)。一般認(rèn)為，混凝土硬化后首先是自由水蒸發(fā)(氣孔和>50nm的毛細(xì)孔中水)，此時(shí)不會(huì)引起硬化漿體收縮;當(dāng)濕度進(jìn)一步降低到40%左右，水泥漿體開(kāi)始失去較小毛細(xì)孔中的水，引起毛細(xì)孔中形成彎液面對(duì)硬化漿體產(chǎn)生負(fù)壓會(huì)引起收縮;當(dāng)濕度進(jìn)一步降低到30%左右;漿體會(huì)失去大部分物理吸附水而引起進(jìn)一步收縮;當(dāng)濕度降到11%以下時(shí)，漿體會(huì)失去化學(xué)結(jié)合水而產(chǎn)生明顯收縮。通常情況下混凝土不會(huì)長(zhǎng)期處于能使?jié){體中C-S-H凝膠失去結(jié)合水的極端干熱環(huán)境下，所以引起干燥收縮的主要是物理吸附水的散失。
影響混凝土干燥收縮的因素非常多，有水膠比、水泥組成、水泥用量、化學(xué)外加劑、礦物摻合料種類和用量、骨料的種類和用量、環(huán)境條件、試件尺寸等。有研究認(rèn)為混凝土的干燥收縮值并不受水膠比的影響，但是事實(shí)上，研究中的總收縮包括自收縮和干燥收縮，當(dāng)水膠比降低時(shí)，自收縮增大而干燥收縮減小，使得在研究的試驗(yàn)條件下總收縮值在數(shù)量等級(jí)上保持不變。當(dāng)水泥用量一定時(shí)，降低水膠比骨料用量就將增加，水膠比越大，混凝土的收縮越大，骨料用量越大，混凝土的收縮越小。這是因?yàn)楣橇嫌昧看螅z凝材料用量就少，其產(chǎn)生的化學(xué)收縮和自干燥收縮就小，并且骨料能提高混凝土早期的彈性模量，起到骨架作用為使得收縮變形小。
(4)溫度收縮
水泥水化反應(yīng)會(huì)放出熱量，因混凝土是熱的不良導(dǎo)體，內(nèi)外的散熱效果不同引起內(nèi)外部的溫度存在差異，基于材料的熱脹冷縮特性，在不同的部位導(dǎo)致不同的體積變化，當(dāng)這種體積變形差異所引起的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生收縮開(kāi)裂。一般情況下裂縫寬度可達(dá)1~4mm，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)貫穿裂縫。混凝土的溫度收縮與其本身及各成分的熱膨脹系數(shù)、內(nèi)部溫度和降溫速度等因素有關(guān)。在沒(méi)有約束情況下，混凝土由于溫差引起的收縮是溫差與混凝土的熱膨脹系數(shù)的乘積;混凝土的熱膨脹系數(shù)與很多因素有關(guān)，包括但不限于相對(duì)濕度、骨料種類和用量等，一般在(6×10-6~12×10-6/℃)，若取10×10-6/℃，則溫度降低20℃所產(chǎn)生的收縮值為2.0×10-4。如果將彈性模量取為30GPa，則因?yàn)闇囟认陆狄鸬氖湛s在完全約束下會(huì)產(chǎn)生6.0MPa的拉應(yīng)力，超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起開(kāi)裂。由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能差，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度仍處于較高溫度或繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，混凝土的外部溫度可能已接近于環(huán)境溫度，此時(shí)外層混凝土收縮而內(nèi)部混凝土不變甚至膨脹，當(dāng)外層混凝土降溫產(chǎn)生的限制收縮達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生足以使混凝土開(kāi)裂的溫度應(yīng)力。在實(shí)際工程中，大體積混凝土中形成的較大的溫度梯度會(huì)產(chǎn)生非常大的結(jié)構(gòu)溫差應(yīng)力。造成混凝土內(nèi)部溫度升高的原因有原材料自身溫度較高，水泥水化時(shí)放出的熱量等，其中水泥水化時(shí)放出的熱量是溫度升高的主要原因。另一種溫度應(yīng)力是由于混凝土各部分不同熱膨脹系數(shù)引起的。混凝土熱膨脹系數(shù)是混凝土內(nèi)部濕度、骨料種類及用量的函數(shù)，一般為0.1×10-4/℃，而水的熱膨脹系數(shù)為2.1×10-4/℃，漿體的熱膨脹系數(shù)為1.3×10-4/℃，溫度變化不同部分產(chǎn)生的收縮(膨脹)不同，使得毛細(xì)孔水的表面張力隨著溫度下降而增大，孔壁受到的收縮力增大導(dǎo)致水泥石的收縮。混凝土、漿體、骨料和混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔水的熱膨脹系數(shù)的差別造成混凝土在降溫的過(guò)程中產(chǎn)生局部溫度應(yīng)力，從而會(huì)引起混凝土內(nèi)部的微裂縫。
這兩種形式的溫度應(yīng)力在混凝土內(nèi)部同時(shí)存在并疊加，使混凝土承受相當(dāng)大的溫度內(nèi)應(yīng)力，有時(shí)甚至比荷載產(chǎn)生的應(yīng)力還大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展，甚至形成上下貫通裂縫。
(5)化學(xué)減縮
水泥水化后，生成物的固相體積增加，但固相和液相(水)的總體積減小，固相物質(zhì)無(wú)法全部填充滿原本由水占據(jù)的空間因而引起的體積收縮稱為化學(xué)減縮。化學(xué)減縮是伴隨著水化反應(yīng)產(chǎn)生的，所有的膠凝材料水化以后都有這種減縮作用;因?yàn)樗磻?yīng)前后的平均密度不同，理論上硅酸鹽水泥漿體完全水化后，體積減縮總量為7%~9%。在水泥硬化的不同階段，化學(xué)減縮通過(guò)不同的方式表現(xiàn)。在水泥硬化前，新生成的固相體積填充了先前水分占據(jù)的空間，使水泥石密實(shí)，在此階段混凝土仍然是塑性狀態(tài)，化學(xué)減縮通過(guò)宏觀體積減小的方式表現(xiàn);在水泥硬化后，混凝土具有一定的彈性模量而不能輕易產(chǎn)生宏觀體積收縮，化學(xué)減縮以形成內(nèi)部孔隙的方式表現(xiàn)。因此，化學(xué)減縮在硬化前不影響混凝土塑性階段的性質(zhì)，硬化后則隨水膠比的不同形成不同孔隙率而影響混凝土的各種力學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度)和非力學(xué)性質(zhì)(如滲透性)。化學(xué)減縮與水泥的礦物組成密切相關(guān)，熟料中各礦物相的減縮程度存在差異，其中鋁酸三鈣礦物水化后的化學(xué)減縮大，約為硅酸鹽礦物(C3S和C2S)減縮的3倍，因此使用鋁酸三鈣熟料礦物含量低的水泥是減小水泥化學(xué)減縮的有效措施。
(6)碳化收縮
碳化收縮是指混凝土在大氣中由于碳化作用引起的收縮。碳化作用是指大氣中的CO2在有水分存在的條件下與混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)中和反應(yīng)生成CaCO3和水等產(chǎn)物。因?yàn)榉磻?yīng)后的產(chǎn)物體積較反應(yīng)前的小而引起水泥石收縮，稱為碳化收縮。
碳化首先發(fā)生于Ca(OH)2，反應(yīng)生成CaCO3，導(dǎo)致體積收縮。因?yàn)镃a(OH)2濃度的減小使得水泥石中的堿度降低，繼而其他水化物(如C-S-H及C3A·3CaSO4·32H2O)也與CO2反應(yīng)生成CaCO3等產(chǎn)物，導(dǎo)致體積收縮。
碳化速度取決于混凝土的含水量、混凝土孔溶液的pH值、環(huán)境相對(duì)濕度以及空氣中CO2的濃度。混凝土內(nèi)部的碳化作用只在合適的相對(duì)濕度(約50%)下才會(huì)比較快地進(jìn)行。這是因?yàn)橄鄬?duì)濕度過(guò)高(例如相對(duì)濕度100%時(shí))，混凝土孔隙中被水分充滿，CO2很難通過(guò)孔隙擴(kuò)散至水泥反應(yīng)產(chǎn)物中去，而且水泥石中的Ca2-會(huì)通過(guò)水分?jǐn)U散到混凝土表面，并且快速碳化生成CaCO3把空隙堵塞，使得碳化作用難以進(jìn)行，故碳化收縮較小;相反，相對(duì)濕度過(guò)低時(shí)(例如25%時(shí))，由于碳化作用需要水分，而此時(shí)孔隙中沒(méi)有足夠的水分，碳化作用也不易進(jìn)行，碳化收縮相應(yīng)也較小。
實(shí)際上，混凝土所處的環(huán)境條件非常復(fù)雜，其收縮變形并不是由某一單獨(dú)的因素造成的，一般都是幾種原因引起的幾種收縮變形共同疊加作用的結(jié)果。例如，自收縮在混凝土的收縮中是肯定會(huì)發(fā)生的，只是其收縮量的大小及對(duì)總收縮量的影響不同，很難完全區(qū)分開(kāi)來(lái)
