內養(yǎng)護補償收縮混凝土的抗裂性能

朱長華，李享濤，王保江，謝永江

（中國鐵道科學研究院，北京 100081）

混凝土是一種非均質的復合脆性材料，其抗拉強度較低，在施工和服役過程中易產生裂縫.混凝土裂縫不僅影響其結構外觀，還會成為腐蝕性介質侵入其內部的通道，最終影響混凝土結構的耐久性.使用膨脹劑補償混凝土收縮是抑制混凝土開裂的技術措施之一［1］.膨脹劑在中國的應用已有30多年的歷史.隨著高性能混凝土的廣泛應用，膨脹效能大、對養(yǎng)護依賴程度低且能使混凝土膨脹與強度協(xié)調發(fā)展的高性能膨脹劑逐漸成為新寵［2］.然而，在中國西北大風干旱地區(qū)，由于受嚴酷自然環(huán)境條件的影響，新澆筑混凝土早期失水快，后期難以有效保濕養(yǎng)護，在這種情況下，單純采用膨脹劑補償混凝土收縮是無法有效抑制混凝土在塑性及硬化階段的開裂.

美國學者Philleo［3］于1991年最先提出混凝土內養(yǎng)護概念，之后，國內外很多學者在該領域進行了研究［4－8］.2010年，美國混凝土協(xié)會（ACI）將內養(yǎng)護定義為“在水泥基材料的凝結硬化過程中，通過預吸水輕集料作為內部‘水庫’及時釋放水分，用于水泥水化或補償蒸發(fā)或自干燥所引起的水分損失”.然而內養(yǎng)護這一措施能否解決大風干旱地區(qū)混凝土早期失水快和后期難以有效保濕養(yǎng)護問題，有效抑制補償收縮混凝土的收縮開裂尚有待研究確定.本文研究了UEA（硫鋁酸鈣類膨脹劑）和HCSA（硫鋁酸鈣－氧化鈣類膨脹劑）的膨脹特征，比選出適宜于配制補償收縮混凝土的膨脹劑，并確定了其適宜摻量；研究了內養(yǎng)護對補償收縮混凝土抗壓強度、早期變形、干縮落差和抗裂性的影響，并在西北大風干旱地區(qū)開展了內養(yǎng)護補償收縮混凝土的現場應用試驗，考察了其抗裂效果.

1 試驗

1.1 原材料

水泥為北京金隅P·O 42.5水泥（C1）和中國建筑材料研究總院P·Ⅰ42.5基準水泥（C2），比表面積分別為342m2／kg和331m2／kg；粉煤灰為赤峰元寶山Ⅰ級粉煤灰（FA），細度（質量分數）為11.4%；膨脹劑為天津豹鳴HCSA 和武漢三元UEA；細骨料為河北遵化河砂（S），細度模數為2.8，含泥量（質量分數）為1.9%，表觀密度為2 610kg／m3；粗骨料為天津薊縣5～10mm，10～20mm 兩級配碎石（G），壓碎值（質量分數）為5.4%，含泥量為0.3%，表觀密度為2 780kg／m3，緊密空隙率（質量分數）為40%；減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑（PCA）；內養(yǎng)護材料為北京某公司生產的SAP，一種丙烯酸－丙烯酰胺交聯共聚物；拌和水（Wm）為自來水.膠凝材料和膨脹劑的化學組成見表1.

表1 膠凝材料和膨脹劑的化學組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cementitious materials and expansive agents %

1.2 試驗方法

摻膨脹劑砂漿、混凝土的限制膨脹率按GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》進行測試.

混凝土抗壓強度按GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試.

混凝土早期變形以GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的非接觸法進行測試.為避免長方體試件與試模之間的摩擦，在兩者之間鋪設了一層塑料薄膜.長方體試件尺寸為100mm×100mm×515mm，每組3個試件.將試件放置在溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的養(yǎng)護室內，試件上表面暴露在環(huán)境中.采用渦流傳感器監(jiān)測固定在試件兩端的反射靶（見圖1）的相對位移.

將混凝土試件置于水中養(yǎng)護14d，然后轉入干燥室中，測試混凝土干縮落差.

圖1 混凝土早期變形試驗裝置Fig.1 Testing device to measure early deformation of concrete

硬化砂漿抗裂性按ASTM C 1581—04［9］進行測試，試驗裝置見圖2.混凝土環(huán)形柱試件的外徑為375mm，內徑為305mm，高度為150mm，每組3個試件.將試件放置在溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的養(yǎng)護室內，試件的上表面采用石蠟密封，四周表面暴露在環(huán)境中，然后測試內鋼環(huán)（感應）應變.內鋼環(huán)應變發(fā)生突變時，即表明試件產生了裂縫.

圖2 硬化砂漿抗裂性試驗裝置Fig.2 Testing device to measure crack resistance of hardened mortar

實體結構混凝土應變采用應變傳感器（精度為1×10－6）測試.將應變傳感器平行地安置在鋼筋下方，以防止?jié)沧⒒炷習r遭受破壞.由于裂縫并未發(fā)生在傳感器位置處，也沒有深入至鋼筋內部，故所測的應變值代表了鋼筋附近局部混凝土的變形.

1.3 混凝土配合比

以“低膠凝材料用量、低砂率”為原則，經試配試驗，獲得了C40混凝土基準配合比.選擇膨脹劑，然后以不同摻量（0%，6%，8%，10%，12%，以占膠凝材料質量分數計）膨脹劑配制補償收縮混凝土，進而確定膨脹劑的適宜摻量.摻加內養(yǎng)護材料，內養(yǎng)護材料用量及內養(yǎng)護引入水（自來水，We）量以不明顯影響混凝土拌和物性能和降低混凝土強度為前提，并參照文獻［10］中的方法修正SAP 吸液特性等因素的影響.混凝土配合比如表2所示.

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concretes kg／m3

2 結果與討論

2.1 補償收縮混凝土配合比的確定

2.1.1 膨脹劑的選擇

摻UEA 砂漿和摻HCSA 砂漿的限制膨脹率如圖3所示，其中2 種膨脹劑的摻量均為10%，水泥采用C2水泥，砂漿配比見GBJ 50119—2013《混凝土膨脹劑應用技術規(guī)范》.

圖3 摻UEA 砂漿和摻HCSA 砂漿的限制膨脹率Fig.3 Restrained expansion rates of mortars with UEA or HCSA

從圖3可看出：（1）摻UEA 砂漿在20℃水中的7d限制膨脹率僅略大于GBJ 50119—2013規(guī)范對Ⅰ型膨脹劑7d限制膨脹率的技術要求（≥250×10－6），這表明UEA的膨脹效能較低.（2）摻HCSA 砂漿在20℃水中的7d限制膨脹率是摻UEA砂漿的3倍以上；摻HCSA 砂漿在20℃水中的3d限制膨脹率達7d限制膨脹率的90%以上，這表明HCSA 具有膨脹效能高、膨脹速率快、對后期水分補充的依賴程度低等特點.本文選用HCSA配制補償收縮混凝土.

2.1.2 HCSA 摻量選擇

HCSA 摻量對混凝土限制膨脹率的影響見圖4.由圖4可以看出：隨HCSA 摻量增加，混凝土的限制膨脹率逐漸增加.當HCSA 摻量為6%時，混凝土在20℃水中的14d限制膨脹率已達360×10－6，這表明該摻量下的HCSA 已具有較高的膨脹效能；摻不同摻量HCSA 混凝土在20℃水中膨脹3d后均已接近膨脹穩(wěn)定期，而帶模養(yǎng)護的同齡期混凝土試件抗壓強度約20 MPa，表明摻HCSA 混凝土的限制膨脹主要發(fā)生在“有效膨脹窗口”期間.

圖4 HCSA 摻量對混凝土限制膨脹率的影響Fig.4 Effect of HCSA use level（by mass）on the restrained expansion rate of concrete

HCSA 摻量為6%時即可滿足混凝土補償收縮的要求.綜合考慮經濟成本及膨脹效能，確定HCSA的適宜摻量為8%.

2.2 內養(yǎng)護對補償收縮混凝土抗壓強度的影響

內養(yǎng)護對補償收縮混凝土抗壓強度的影響見圖5.由圖5可見，采取內養(yǎng)護措施后，補償收縮混凝土（A6）抗壓強度的增長與未采取內養(yǎng)護措施的補償收縮混凝土（A2）幾乎相當，且56d抗壓強度略高.

圖5 內養(yǎng)護對補償收縮混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of internal curing on the compressive strength of shrinkage－compensating concrete

2.3 內養(yǎng)護對補償收縮混凝土體積穩(wěn)定性的影響

2.3.1 早期變形與干縮落差補償收縮混凝土的早期變形和干縮落差分別見圖6和圖7.

圖6 補償收縮混凝土的早期變形Fig.6 Early deformation of shrinkage－compensating concrete

從圖6可看出，A2和A6混凝土的早期變形基本均呈現先顯著塑性收縮，再明顯膨脹，最后基本穩(wěn)定3個階段.從澆筑至初凝附近（0～8h左右），A2混凝土塑性收縮較大（約－800×10－6），這是因為受新拌混凝土毛細管負壓的影響，膨脹劑在此階段的膨脹被塑性混凝土所吸收，混凝土表觀體積變化幾乎不受膨脹劑膨脹作用的影響.內養(yǎng)護措施可顯著減小混凝土的塑性收縮，填補膨脹劑補償混凝土收縮的“真空期”.在初凝期間（約8h～1d），A2混凝土開始硬化，逐漸由黏塑性體轉變?yōu)閯傂越Y構體，膨脹劑開始發(fā)揮膨脹作用.當采取內養(yǎng)護措施后，因內養(yǎng)護材料的持續(xù)補水，為膨脹劑提供了較好的內部養(yǎng)護環(huán)境，因此膨脹劑的膨脹效能得到提高，A6混凝土塑性收縮減小.1d以后，混凝土的變形趨于平緩.

圖7 補償收縮混凝土的干縮落差Fig.7 Drying shrinkage drop of shrinkagecompensating concrete

由圖7可看出，采用內養(yǎng)護措施后，補償收縮混凝土的干縮落差有一定程度的減小.

2.3.2 抗裂性

混凝土出現裂縫的時間較為漫長.為了加快裂縫出現，縮短試驗周期，本文選取同配合比砂漿替代混凝土進行抗裂性試驗.將A0，A2，A5和A6混凝土配合比中的粗骨料去除，制備砂漿M0，M2，M5和M6.測試硬化砂漿的抗裂性，結果見圖8.

圖8 硬化砂漿的抗裂性Fig.8 Crack resistance of hardened mortar

從圖8可看出，空白砂漿（M0）在近5d齡期時開裂，摻SAP砂漿（M5）在8d齡期時開裂，這2種砂漿開裂時鋼環(huán)的最大應變值相當；摻HCSA 砂漿（M2）至18d齡期時仍未開裂；摻HCSA＋SAP 砂漿（M6）至18d齡期時仍未開裂，且砂漿中鋼環(huán)的應變值遠小于M2砂漿中鋼環(huán)的應變值.可見，無論是摻入膨脹劑還是采取內養(yǎng)護措施，主要是通過減小砂漿的塑性收縮來提高其抗裂性，而不是通過提高砂漿的極限拉伸強度來提高其抗裂性；內養(yǎng)護材料SAP和膨脹劑HCSA 均能提高硬化砂漿的抗裂性，其中膨脹劑HCSA 的改善效果相對明顯.在摻加膨脹劑的基礎上采取內養(yǎng)護措施后，硬化砂漿的抗裂性得到顯著提高.

2.4 現場應用

采用普通混凝土（A0）和內養(yǎng)護補償收縮混凝土（A6）在西北大風干旱地區(qū)a，b區(qū)段各澆筑20m長的薄壁平板實體結構試驗段，然后測試實體結構混凝土應變，跟蹤觀測實體結構混凝土開裂情況.

實體結構混凝土應變見圖9；實體結構混凝土開裂情況見表3.

圖9 實體結構混凝土的應變Fig.9 Strain of engineering structural concrete

表3 實體結構混凝土開裂情況Table 3 Crack situation of engineering structural concrete

由圖9可以看出，2種混凝土在澆注后14d內，由于采取了保濕養(yǎng)護，混凝土收縮均很小，混凝土主要因溫度變化產生溫差變形，此階段變形較小；在14d至60d期間，保濕養(yǎng)護結束后混凝土因環(huán)境干燥作用發(fā)生較大的依時干燥收縮，從而發(fā)生較大變形；在60d以后，混凝土干燥收縮增幅較小，由收縮引起的混凝土變形處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，普通混凝土應變約為－225×10－6，而內養(yǎng)護補償收縮混凝土應變約為－150×10－6，為前者的67%，這表明內養(yǎng)護補償收縮混凝土具有優(yōu)異的減縮性能.

由表3可以看出，相比普通混凝土（A0），內養(yǎng)護補償收縮混凝土（A6）開裂的時間明顯推遲，且所產生裂縫的數量及寬度均相應降低，表明內養(yǎng)護補償收縮混凝土具有良好的抗裂性.

3 結論

（1）內養(yǎng)護補償收縮混凝土早期抗壓強度略低于補償收縮混凝土.內養(yǎng)護補償收縮混凝土后期抗壓強度發(fā)展能夠得到保障.

（2）內養(yǎng)護可顯著減小補償收縮混凝土的塑性收縮，填補膨脹劑補償混凝土收縮的“真空期”；內養(yǎng)護為HCSA 提供了較好的內部養(yǎng)護環(huán)境，提高了HCSA 的膨脹效能，減小了補償收縮混凝土的干縮落差.

（3）內養(yǎng)護和HCSA 均能提高混凝土的抗裂性，兩者復合則效果更佳.內養(yǎng)護補償收縮混凝土用于西北大風干旱地區(qū)暴露面大的薄壁平板實體結構時具有良好的抗裂性.

［1］江云安，廉慧珍.采用膨脹劑抑制混凝土的收縮與開裂［J］.膨脹劑與膨脹混凝土，2006（3）：11－15.JIANG Yunan，LIAN Huizhen.Mitigation of shrinkage and cracking of concrete by using expansive agent［J］.Expansive Agents ＆Expansive Concrete，2006（3）：11－15.（in Chinese）

［2］趙順增，游寶坤，劉立.混凝土膨脹劑行業(yè)的現狀和發(fā)展方向［J］.混凝土與水泥制品，2009（3）：1－3.ZHAO Shunzeng，YOU Baokun，LIU Li.Present statues and developing trend of expansive agent industry for concrete［J］.China Concrete and Cement Products，2009（3）：1－3.（in Chinese）

［3］PHILLEO R.Concrete science and reality［C］∥Materials Science of Concrete.American：American Ceramic Society，1991：1－8.

［4］JENSEN O M，HANSEN P F.Water－entrained cement－based materials（Ⅱ）：Experimental observations［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（6）：973－978.

［5］BENTUR A，IGARASHI S I，KOVLER K.Prevention of autogenous shrinkage in high－strength concrete by internal curing using wet lightweight aggregates［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（11）：1587－1591.

［6］李北星，查進，李進輝，等.飽水輕集料內養(yǎng)護對高性能混凝土收縮的影響［J］.武漢理工大學學報，2008，30（5）：24－27.LI Beixing，ZHA Jin，LI Jinhui，et al.Effect of internal curing by saturated lightweight aggregate on shrinkage of high performance concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30（5）：24－27.（in Chinese）

［7］孔祥明，李啟宏.高吸水性樹脂對水泥砂漿體積收縮及力學性能的影響［J］.硅酸鹽學報，2009，37（5）：855－861.KONG Xiangming，LI Qihong.Influence of super absorbent polymer on dimension shrinkage and mechanical properties of cement mortar［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2009，37（5）：855－861.（in Chinese）

［8］胡曙光，周宇飛，王發(fā)洲，等.高吸水性樹脂顆粒對混凝土自收縮與強度的影響［J］.華中科技大學學報：城市科學版，2008，25（1）：1－4.HU Shuguang，ZHOU Yufei，WANG Fazhou，et al.Effect of super absorbent polymer particles on autogenous shrinkage and compressive strength of concrete［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology：Urban Science，2008，25（1）：1－4.（in Chinese）

［9］ASTM C 1581—04 Standard test method for determining age at cracking and induced tensile stress characteristic of mortar and concrete under restrained shrinkage.

［10］JENSEN O M，HANSEN P F.Water－entrained cement－based materials（Ⅰ）：Principles and theoretical background［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（4）：647－654.