新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土變形特性的影響

王小東

(南通紫瑯混凝土有限公司,江蘇 南通 226003)

1 概 述

高性能混凝土(High Performance Concrete,簡(jiǎn)稱HPC)在1990年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)正式提出。高性能混凝土具有普通混凝土無(wú)法比擬的優(yōu)良性能,引起了世界各國(guó)材料科學(xué)與工程界的密切關(guān)注和高度重視,并稱之為跨世紀(jì)的新材料[1]。高性能混凝土已在國(guó)際上形成研究熱點(diǎn),其中高耐久與長(zhǎng)壽命的研究已成為全世界所密切關(guān)注和全力攻關(guān)的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題,專家預(yù)測(cè),在今后的100～200年內(nèi)國(guó)際上的高性能水泥基建筑材料將占有絕對(duì)的主導(dǎo)地位。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)在土木、建筑、道橋、水利、國(guó)防各個(gè)領(lǐng)域逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展高性能混凝土的意義,不少大型國(guó)家重點(diǎn)工程開(kāi)始重視混凝土材料的耐久性和使用壽命,并積極開(kāi)展高性能混凝土在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用。然而,在工程結(jié)構(gòu)中大規(guī)模推廣使用高性能混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn),裂縫尤其是早期收縮裂縫問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)代高性能混凝土結(jié)構(gòu)工程的普遍問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室精心制作的小試件由于沒(méi)有開(kāi)裂而顯示出較傳統(tǒng)混凝土無(wú)法比擬的抗?jié)B透性。但是,當(dāng)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模的工程應(yīng)用時(shí),高性能混凝土的體積穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸暴露出來(lái),嚴(yán)重阻礙了高性能混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

混凝土的收縮變形開(kāi)裂已經(jīng)為工程界普遍關(guān)注,利用膨脹組分在水化過(guò)程中所產(chǎn)生體積膨脹來(lái)補(bǔ)償混凝土的收縮在理論上也為人們所達(dá)成共識(shí),被認(rèn)為是抑制水泥混凝土收縮開(kāi)裂的既經(jīng)濟(jì)又有效的措施之一[2]。我國(guó)目前市場(chǎng)上流通較廣泛的膨脹劑當(dāng)屬基于鈣礬石膨脹源的硫鋁酸鹽系膨脹劑[3-4],然而近年來(lái)鈣礬石類膨脹劑在高性能混凝土的推廣應(yīng)用中出現(xiàn)大量的問(wèn)題。已有的研究表明,這種膨脹劑的膨脹性能主要取決于外界自由水的含量以及內(nèi)部孔溶液中Ca(OH)2含量的多少[5]。以低水膠比和大摻量礦物摻合料為特征的現(xiàn)代高性能混凝土,由于低的滲透性降低了自由水的擴(kuò)散能力,以及礦物摻合料的二次火山灰反應(yīng)大量消耗了體系中Ca(OH)2,以致在某些難以進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)的地方,鈣礬石型膨脹劑的摻入反而有增大混凝土收縮開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[6]。以往的研究還表明,鈣礬石是一種物理化學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定的結(jié)晶體,其結(jié)晶水的吸附和脫離是可逆過(guò)程,一般認(rèn)為在80 ℃左右就可以分解,造成延遲性鈣礬石(DEF)的形成。

與硫鋁酸鹽類膨脹劑相比,氧化鈣類膨脹劑由于水化反應(yīng)需水量小,對(duì)混凝土成型后濕養(yǎng)護(hù)要求不高,這將使其在高性能混凝土中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。氧化鈣類膨脹劑最早由日本小野田公司研制成功,以石灰石、黏土和石膏作為原材料,其主要化學(xué)成分是氧化鈣(部分結(jié)晶),水化時(shí)由氧化鈣結(jié)晶轉(zhuǎn)化為氫氧化鈣結(jié)晶。但日本生產(chǎn)的這種膨脹熟料是采用石灰石經(jīng)1 400 ℃～1 600 ℃高溫煅燒而得,容易產(chǎn)生晶體結(jié)構(gòu)致密無(wú)孔的過(guò)燒氧化鈣。這種過(guò)燒氧化鈣的反應(yīng)活性低,水化反應(yīng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),且這種“延長(zhǎng)膨脹”性能將有可能破壞水泥混凝土的結(jié)構(gòu),影響混凝土的耐久性。為了抑制高性能混凝土的收縮開(kāi)裂行為,江蘇博特新材料有限公司針對(duì)高性能混凝土的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和收縮開(kāi)裂特征,通過(guò)引入復(fù)合礦化組分,在1 100 ℃～1 300 ℃低溫條件下煅燒制備了新型膨脹劑,在煅燒溫度相對(duì)低的條件下制備得到的新型膨脹劑不存在過(guò)燒的氧化鈣,故其膨脹速率快,穩(wěn)定時(shí)間早,不存在后期延遲膨脹性,因此可作為一種補(bǔ)償?shù)退z比高性能混凝土干燥收縮和自收縮的新型膨脹劑。

本文系統(tǒng)研究了新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土變形特性的影響,以期為新型膨脹劑在高性能混凝土中的推廣應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：選用江南小野田產(chǎn)P.Ⅱ 52.5級(jí)水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.6%,細(xì)度2.1%,化學(xué)組成見(jiàn)表1。

粉煤灰：南京產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰,需水量比91.2%,含水量0.22%,比表面積320 m2/kg,化學(xué)組成見(jiàn)表1。

礦粉：江南粉磨公司產(chǎn)S95級(jí)礦粉,流動(dòng)度比為110%,含水量1.80%,比表面積為400m2/kg,化學(xué)組成見(jiàn)表1。

膨脹劑：江蘇博特新材料有限公司研制開(kāi)發(fā)的新型膨脹劑,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表2。

細(xì)集料：贛江中粗河沙,細(xì)度模數(shù)為2.6。

粗集料：鎮(zhèn)江茅迪玄武巖碎石,粒徑5～20 mm連續(xù)級(jí)配。

外加劑：江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-B萘系高效減水劑。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的化學(xué)組成(wt .%)

表2 新型膨脹劑的物理性能(GB 23439—2009)

1.2 配合比

試驗(yàn)用混凝土配合比見(jiàn)表3。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)》成型棱柱體試件,其中一端預(yù)埋測(cè)頭,試模為100 mm×100 mm×515 mm鋼試模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(24±2)h后脫模,然后將試件分成3組,并分別養(yǎng)護(hù)于不同的環(huán)境條件下,以測(cè)試新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土變形特性的影響。其中,第一組試件放置在溫度為(20±1)℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期并測(cè)定其膨脹率；第二組試件先用石蠟涂覆試件表面,然后再用自粘性鋁箔包裹密封后,放置在溫度為(20±1)℃,相對(duì)濕度為(60±5)%的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試其自生體積變形率；第三組試件脫模后立即移入溫度為(20±1)℃、相對(duì)濕度為(60±5)%的恒溫恒濕的干燥條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試其干燥收縮率。

表3 試驗(yàn)用混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土水養(yǎng)膨脹特性的影響

圖1是內(nèi)摻0%和10%的新型膨脹劑的混凝土試件在溫度為20 ℃水中養(yǎng)護(hù)時(shí)的膨脹變形隨水化齡期變化的曲線。從圖1中可以看出,不摻膨脹劑的混凝土試件在飽水養(yǎng)護(hù)條件下也表現(xiàn)出膨脹變形。對(duì)于基準(zhǔn)混凝土試件在飽水養(yǎng)護(hù)條件下產(chǎn)生膨脹變形的機(jī)理,筆者認(rèn)為可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行解釋：一方面是水泥基材料水化產(chǎn)物與從外界環(huán)境中擴(kuò)散滲入的自由水反應(yīng),產(chǎn)生吸水腫脹效應(yīng),導(dǎo)致混凝土在宏觀上表現(xiàn)出明顯的體積膨脹變形；另一方面是結(jié)晶型水化產(chǎn)物鈣礬石和氫氧化鈣在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)晶壓,引起混凝土宏觀體積的膨脹。隨著水泥基材料水化的進(jìn)行,混凝土強(qiáng)度逐漸增加,結(jié)構(gòu)趨于致密,外界環(huán)境中擴(kuò)散滲入的自由水量減少,混凝土膨脹變形趨于穩(wěn)定。相對(duì)于不摻膨脹劑的基準(zhǔn)混凝土而言,摻新型膨脹劑混凝土的膨脹特性在飽水養(yǎng)護(hù)1 d后即發(fā)揮出來(lái),1～7 d齡期內(nèi)膨脹量以較快的增長(zhǎng)速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大,7～28 d齡期內(nèi)膨脹變形曲線基本趨于平穩(wěn)。摻10%新型膨脹劑的混凝土試件1 d、3 d、5 d、7 d和28 d膨脹率分別達(dá)到0.013%、0.046%、0.070%、0.072%和0.076%,在7～28 d測(cè)試齡期內(nèi)膨脹率僅僅增大了0.004%。由此表明,新型膨脹劑的膨脹效能主要發(fā)揮在水化早期(7 d前),7 d后膨脹變形趨于穩(wěn)定,不存在延遲膨脹效應(yīng)。

圖1 20℃水養(yǎng)條件下,摻與不摻新型膨脹劑的混凝土試件的膨脹變形率

2.2 新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土自生體積變形的影響

圖2是內(nèi)摻0%和10%的新型膨脹劑的混凝土試件在溫度為20 ℃密封絕濕養(yǎng)護(hù)條件下的自生體積變形隨水化齡期變化的曲線。由圖2可以看出,未摻膨脹劑的混凝土試件在20 ℃密封養(yǎng)護(hù)時(shí)表現(xiàn)出明顯的自收縮變形,實(shí)驗(yàn)測(cè)試齡期內(nèi)的自收縮持續(xù)發(fā)展,28 d時(shí)自收縮值為-0.016%。摻入新型膨脹劑后,在密封條件下養(yǎng)護(hù)的混凝土試件中同時(shí)存在兩種相反的體積變形：一種是由水泥基材料水化的化學(xué)減縮所引起的自收縮；另一種是由新型膨脹劑水化產(chǎn)生的體積膨脹,所以試件總的自身體積變形是以上這兩種變形相互抗?fàn)幍慕Y(jié)果。由于新型膨脹劑水化時(shí)需水量小,在缺少外界自由水滲入的密封絕濕條件下,仍然能產(chǎn)生較大的膨脹效能,可以完全消除高性能混凝土的早期自收縮,產(chǎn)生自膨脹。新型膨脹劑的自膨脹特性在1 d時(shí)就表現(xiàn)出來(lái),其后以很快的發(fā)展速率增長(zhǎng),到6 d時(shí)自膨脹特性達(dá)到最大,6 d后自膨脹變形開(kāi)始緩慢減小,28 d測(cè)試齡期內(nèi),摻新型膨脹劑的混凝土自生體積變形仍為正值,表現(xiàn)出良好的體積穩(wěn)定性。摻10%新型膨脹劑的混凝土試件1 d、6 d和28 d自生體積變形率分別為0.009%、0.031%和0.016%。由此可見(jiàn),新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土的自收縮進(jìn)行有效補(bǔ)償,有利于解決高性能混凝土由于水膠比低、難以濕養(yǎng)護(hù)造成的自收縮加劇的難題。

圖2 20 ℃密封條件下,摻與不摻新型膨脹劑的混凝土試件的自收縮變形率

2.3 新型膨脹劑對(duì)高性能混凝土干燥收縮的影響

圖3是內(nèi)摻0%和10%的新型膨脹劑的混凝土試件在溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為60%干燥養(yǎng)護(hù)條件下的干燥收縮隨水化齡期變化的曲線。從圖3中可以看出,不摻膨脹劑的混凝土試件在20 ℃干空中養(yǎng)護(hù)時(shí),隨著水泥基材料的水化和低濕條件下自身水分的散失,試件呈持續(xù)收縮變形特征,直到20 d齡期后收縮變形曲線才趨于平緩,20 d齡期時(shí)的干燥收縮值為-0.033%,此后干燥收縮變形基本穩(wěn)定,至28 d時(shí)干燥收縮值為-0.034%。當(dāng)新型膨脹劑等質(zhì)量取代膠凝材料總量的10%摻入混凝土后,摻新型膨脹劑的混凝土試件在干空養(yǎng)護(hù)條件下存在三種體積變形：一種是由水泥基材料自身水化引起的化學(xué)減縮；一種是試件在干空低濕條件下C-S-H凝膠的內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔水分蒸發(fā)所引起的干燥收縮；還有一種就是由新型膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹,混凝土試件的宏觀體積變形取決于以上三種變形的綜合作用。由于新型膨脹劑水化時(shí)需水量小,在缺水養(yǎng)護(hù)的干空條件下,也能進(jìn)行水化反應(yīng),早期水化反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹大于水泥基材料水化造成的化學(xué)收縮與水分蒸發(fā)引起的干燥收縮之和,故試件在早期表現(xiàn)出膨脹變形,干空養(yǎng)護(hù)1d的膨脹值為0.005%,4 d時(shí)膨脹值達(dá)到最大,為0.016%。此后隨著干空養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),新型膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹不能完全補(bǔ)償水泥基材料水化造成的化學(xué)收縮與水分蒸發(fā)引起的干燥收縮之和,混凝土試件膨脹變形開(kāi)始回落,7 d時(shí)試件宏觀體積變形開(kāi)始從膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)變成收縮狀態(tài),但收縮值比未摻HME的基準(zhǔn)混凝土試件相應(yīng)值要小很多。與基準(zhǔn)樣相比,10%HME的摻入可以使混凝土試件在直接干空養(yǎng)護(hù)條件下6 d內(nèi)不收縮,28 d時(shí)的收縮值僅為-0.013%,比未摻新型膨脹劑的基準(zhǔn)樣相應(yīng)值(-0.034%)降低了61.7%。

圖3 20 ℃干燥條件下,摻與不摻新型膨脹劑的混凝土試件的干燥收縮變形率

3 結(jié) 語(yǔ)

新型膨脹劑是以低溫煅燒的氧化鈣為主要礦物成分,膨脹速率快、膨脹效能高,不存在延長(zhǎng)膨脹效應(yīng)。10%新型膨脹劑的摻入可在高性能混凝土內(nèi)部產(chǎn)生有效的膨脹,能顯著改善高性能混凝土的收縮特征,不僅在飽水養(yǎng)護(hù)的條件下產(chǎn)生了有效的膨脹,而且在密封的條件下,也能有效消除高性能混凝土早期自收縮,產(chǎn)生自膨脹,且膨脹穩(wěn)定,至28 d測(cè)試齡期時(shí)自生體積變形仍為正值。更加重要的是,這種新型膨脹劑的摻入對(duì)于高性能混凝土的干燥收縮也表現(xiàn)出非常明顯的抑制效果,至28 d測(cè)試齡期時(shí)干燥收縮的減縮率仍然高達(dá)61.7%。

[1] Mehta P K. Greening of the concrete industry for sustainable development[J]. Concrete International, 2002(7): 2238．

[2] H Y Fu, P Xie,et al. Characteristics of Shrinkage-Compensating Expansive Cement Containing a Pre-Hydrated High Alumina Cement-Based Expansive Additive [J]. Cement and Concrete Research,1994,24:267276．

[3] 王棟民.高性能膨脹混凝土[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2006．

[4] 游寶坤.我國(guó)混凝土膨脹劑的發(fā)展近況和展望[J].混凝土,2003(4):36．

[5] Mehta P K. Mechanism of expansion associated with ettringite formation[J]. Cement and Concrete Research,1973(3):16．

[6] Zhou Q,Lachowski E E,Glasser E P. A Decomposition Product of Ettringite[J]. Cement and Concrete Research.,2004,34:703710．