UEA膨脹劑替代早強(qiáng)劑配制低溫超早強(qiáng)混凝土

宋超，馬淑琴，師華

（中交二航局六分公司，湖北 武漢 430070）

建筑行業(yè)的迅速發(fā)展、建筑材料的應(yīng)用環(huán)境和施工條件愈加嚴(yán)苛，對(duì)混凝土提出了新的要求，各種高性能混凝土隨之應(yīng)運(yùn)而生，例如，低溫超早強(qiáng)混凝土、補(bǔ)償收縮混凝土等。其中，低溫超早強(qiáng)混凝土要求混凝土3 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%～100%[1]，7 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，主要適用于低溫下對(duì)混凝土早期強(qiáng)度要求較高的工程部位。目前，世界各國(guó)配制超早強(qiáng)混凝土的方法可以歸結(jié)為以下3種[2]：（1）利用快硬早強(qiáng)型特種水泥；（2）使用早強(qiáng)劑及多種外加劑；（3）摻加特種礦物摻合料。在美國(guó)普遍采用快硬性水泥等特種水泥，在國(guó)內(nèi)由于特種水泥生產(chǎn)廠家較少，購(gòu)買(mǎi)困難，主要通過(guò)摻加早強(qiáng)劑。由于早強(qiáng)劑品種不一，雖然可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，但對(duì)后期強(qiáng)度無(wú)貢獻(xiàn)，同時(shí)加劇混凝土收縮開(kāi)裂，影響混凝土的耐久性，另外，部分品種早強(qiáng)劑還可能導(dǎo)致混凝土的后期強(qiáng)度倒縮和腐蝕鋼筋，效果不盡人意。此外，由于水泥水化受溫度影響較大，冬季施工溫度較低，可能導(dǎo)致?lián)郊釉鐝?qiáng)劑后混凝土的早期強(qiáng)度偏低。

膨脹劑在國(guó)內(nèi)已有30多年的歷史，主要應(yīng)用于配制補(bǔ)償收縮混凝土，降低混凝土收縮率，減少干縮裂縫，提高混凝土的耐久性[3-4]。膨脹劑與水泥作用過(guò)程中生成鈣礬石，產(chǎn)生適量的膨脹，在鋼筋等限制約束下產(chǎn)生0.2～0.7 MPa的自應(yīng)力，補(bǔ)償混凝土自身的收縮應(yīng)力，有利于提高混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝土的強(qiáng)度?；趯?duì)混凝土體積穩(wěn)定性的考慮，日本在制定New RC高性能混凝土指南中，將鈣礬石等膨脹劑加入到摻合料中，并明確指出混凝土的抗壓強(qiáng)度提高15%[5]。

我國(guó)西北地區(qū)干燥、寒冷，特別是冬季施工溫度非常低（0～5℃），甚至可能出現(xiàn)負(fù)溫，對(duì)于混凝土的強(qiáng)度發(fā)展、耐久性等不利，加之早強(qiáng)劑本身存在的一定局限性，試驗(yàn)研究采用UEA-Z型膨脹劑替代早強(qiáng)劑來(lái)提高冬季混凝土的早期強(qiáng)度。

1 膨脹劑應(yīng)用原理

膨脹劑的主要礦物組成為C4A3S、CaSO4、CaO等，可與硅酸鹽水泥發(fā)生如下反應(yīng)：

前2個(gè)水化反應(yīng)的固相體積膨脹增量為70.6%，第3個(gè)水化反應(yīng)固相體積膨脹增量為118.4%。

膨脹劑主要是提供生成鈣礬石的活性CaO，減少水泥水化Ca（OH）2的消耗量，維持混凝土的高堿度，而水泥主要提供C3A，促進(jìn)膨脹劑的早期膨脹。摻加膨脹劑細(xì)化了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低有害孔數(shù)量和聯(lián)通孔隙率，提高混凝土的密實(shí)性，進(jìn)而提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：永登祁連山水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；細(xì)集料：華凱河灣砂廠生產(chǎn)的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗集料：永靖縣天熙采石廠5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；拌合水：黃河凈化水；粉煤灰：蘭州萬(wàn)科源有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；減水劑：上海華登建材有限公司的聚羧酸系高性能減水劑；膨脹劑：蘭州吉盛化學(xué)建材有限公司的UEA型膨脹劑。

2.2 試驗(yàn)方法

參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土的抗?jié)B和干縮性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 膨脹劑摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

不同膨脹劑摻量水泥膠砂的配合比及抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，隨著齡期的延長(zhǎng)，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。7 d時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，膠砂試件的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，膨脹劑摻量為6%和8%的試件強(qiáng)度明顯高于空白組，而摻加膨脹劑摻量為12%的試件抗壓強(qiáng)度有所下降。膨脹劑的膨脹作用最主要是發(fā)生于早期，28 d和56 d均呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。從整體上來(lái)看，膨脹劑摻量較低（6%～8%）時(shí)，各個(gè)齡期的試件抗壓強(qiáng)度均高于空白組；當(dāng)膨脹劑摻量較高（12%）時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度降低。因此，配制超高強(qiáng)度的混凝土宜采用低摻量膨脹劑。

表1 不同膨脹劑摻量時(shí)水泥膠砂的配合比和抗壓強(qiáng)度

3.2 膨脹劑摻量對(duì)低溫超早強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

不同膨脹劑摻量的低溫超早強(qiáng)混凝土配合比見(jiàn)表2，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表2 不同膨脹劑摻量時(shí)低溫超早強(qiáng)混凝土的配合比

表3 不同膨脹劑摻量時(shí)混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度

由表3可見(jiàn)，隨著齡期的延長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低，膨脹劑摻量為6%和8%的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于空白組，而膨脹劑摻量為12%的混凝土抗壓強(qiáng)度有所下降；28 d呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。從整體上來(lái)看，膨脹劑摻量較低（6%～8%）時(shí)，各個(gè)齡期的試件抗壓強(qiáng)度均高于空白組；當(dāng)膨脹劑摻量較高（12%）時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度下降。水化初期，摻加膨脹劑細(xì)化了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低有害孔數(shù)量和聯(lián)通孔隙率，提高混凝土的密實(shí)性，進(jìn)而提高混凝土的強(qiáng)度。隨著齡期延長(zhǎng)，粉煤灰開(kāi)始發(fā)生二次水化反應(yīng)，消耗部分Ca（OH）2，填充在鈣礬石和集料周?chē)目紫吨?，?shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的再一次優(yōu)化，密實(shí)性進(jìn)一步加強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度繼續(xù)提高。

3.3 低溫超早強(qiáng)混凝土的耐久性

膨脹劑摻量分別為0和8%的A、M2試件抗?jié)B性能見(jiàn)表4，干燥收縮見(jiàn)圖1。

表4 不同膨脹劑摻量時(shí)混凝土的抗?jié)B性能

圖1 不同膨脹劑摻量時(shí)混凝土的干燥收縮性能

由表4可知，M2組的抗?jié)B性要高于A組，主要是由于M2組內(nèi)摻加膨脹劑和粉煤灰優(yōu)化混凝土的顆粒級(jí)配，密實(shí)性增強(qiáng)；另外，膨脹劑水化產(chǎn)生的鈣礬石填充在混凝土內(nèi)部孔隙中，細(xì)化孔徑結(jié)構(gòu)，降低混凝土的傳質(zhì)能力，混凝土的抗?jié)B性能得到提高。從圖1可以看出，M2組的膨脹率要顯著高于A組，水化早期M2組與混凝土毛細(xì)孔內(nèi)部水分水化產(chǎn)生鈣礬石形成體積微膨脹，膨脹率為正值，隨著齡期延長(zhǎng)，鈣礬石數(shù)量逐漸增加，膨脹率逐漸增高；齡期延長(zhǎng)，膨脹劑膨脹基本完成，混凝土干燥收縮顯著，超過(guò)膨脹劑的膨脹性能，混凝土膨脹率降低。A組普通混凝土內(nèi)部連通性孔隙率較高，混凝土失水作用明顯，隨著齡期延長(zhǎng)，收縮增加，膨脹率表現(xiàn)為負(fù)值。表4和圖1均反映出，由膨脹劑配制出的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)要優(yōu)于普通混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，耐久性良好。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

蘭州（新城）至永靖沿黃河快速通道土建工程LY1標(biāo)項(xiàng)目起訖樁號(hào)為K0+000～K3+850，全長(zhǎng)3.85 km，其中河口大橋是蘭州（新城）至永靖沿黃河快速通道的重點(diǎn)橋梁工程，為跨越黃河河口水庫(kù)而設(shè)。河口大橋的橫梁采用工字形截面，中心處高2280 mm，端部高2050 mm，翼緣寬700 mm，上翼緣厚度為20 mm，下翼緣厚度為28 mm，腹板厚度為16 mm，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4 m。故箱梁的濕接縫較長(zhǎng)，厚度較薄，方量小，易失水，同時(shí)受到蘭州地區(qū)氣候干燥、冬季溫度低的影響，易出現(xiàn)微裂縫，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度不高，因而采用膨脹劑取代早強(qiáng)劑配制出低溫超高強(qiáng)混凝土，同時(shí)在冬季采用覆蓋蓄溫養(yǎng)護(hù)，混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的100%，完全滿足工程技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)早強(qiáng)劑相比，利用膨脹劑不僅可以配制出滿足工程技術(shù)指標(biāo)要求的混凝土；同時(shí)可以使混凝土獲得良好的耐久性能。采用膨脹劑配制低溫超早強(qiáng)混凝土，膨脹劑在低摻量（6%～8%）時(shí)，易獲得較高的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)膨脹劑摻量為8%時(shí)，C55混凝土（試樣M2）的7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到59.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到66.5 MPa；當(dāng)水壓為2.5 MPa時(shí)，滲水高度為5.8 cm；相比普通混凝土具有良好的膨脹率。河口大橋的濕接縫利用膨脹劑型低溫超早強(qiáng)混凝土，獲得良好的混凝土強(qiáng)度。

[1]張軍，張彤，何曉慧，等.超早強(qiáng)混凝土研發(fā)及應(yīng)用[J].混凝土，2005（6）：104-106.

[2]田卿燕，黃政宇.早強(qiáng)混凝土的性能研究[J].混凝土，1998（2）：27-30.

[3]張向軍，鄭秀夫，葉青.摻超細(xì)礦渣和膨脹劑的高性能混凝土試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2004（7）：20-22.

[4]吳志剛，張翔，宋春香.防滲微膨脹混凝土性能的試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2012（12）：55-57.

[5]李益進(jìn)，周士瓊，楊明.UEA對(duì)水泥砂漿和高性能混凝土性能的影響[J].混凝土，2001（5）：12-15.