SAP對火山灰混凝土收縮性能的改善作用

張 蕊， 周永祥， 高 超， 夏京亮

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司， 北京 100013； 2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建研科技股份有限公司， 北京 100013)

為延長鐵路的使用壽命，提高混凝土的耐久性，目前比較普遍的做法是在混凝土中摻加粉煤灰、礦渣粉以及硅灰等來自工業(yè)廢渣的活性礦物摻和料，例如蘭新鐵路[1]、京滬鐵路[2]及武廣鐵路[3]等.東非鐵路網(wǎng)的開端工程肯尼亞蒙—內(nèi)鐵路在建設(shè)過程中，由于當(dāng)?shù)厝狈Ψ勖夯摇⒌V渣，研究人員將當(dāng)?shù)刎S富的天然火山灰質(zhì)材料作為礦物摻和料用于鐵路混凝土的制備，試驗(yàn)證明天然火山灰混凝土除了干燥收縮性能，其余性能均表現(xiàn)良好，將同樣摻量的粉煤灰與火山灰分別摻入混凝土中，14，90 d時(shí)火山灰混凝土的干縮率分別高于粉煤灰混凝土15.3%和11.6%[4-5].另外，鐵路混凝土中由于加入了高效減水劑，水膠比較低，導(dǎo)致其自干燥現(xiàn)象嚴(yán)重，自收縮較大.據(jù)現(xiàn)場技術(shù)人員反映，蒙—內(nèi)鐵路在建設(shè)時(shí)某些結(jié)構(gòu)部位的混凝土經(jīng)常產(chǎn)生早期裂縫.因此，亟需探索火山灰混凝土收縮性能的改善措施.

混凝土自收縮與干燥收縮產(chǎn)生的機(jī)理相類似，均由混凝土內(nèi)部相對濕度降低造成.將能夠吸收自身質(zhì)量幾十倍甚至上千倍水溶液的超強(qiáng)吸水樹脂(SAP)均勻摻入混凝土中，可起到內(nèi)部蓄水池的作用.SAP內(nèi)的水分在早期水化階段不參與水泥水化反應(yīng)，當(dāng)混凝土中自由水分含量降至一定程度時(shí)，SAP內(nèi)部存儲的水分逐漸被釋放，用于彌補(bǔ)混凝土內(nèi)部相對濕度的降低，從而降低混凝土的收縮.迄今為止，眾多學(xué)者已就SAP對混凝土收縮性能的改善作用進(jìn)行了研究論證.朱長華等[6]研究了SAP對大風(fēng)干旱地區(qū)以粉煤灰、礦渣粉作為礦物摻和料的混凝土抗裂性影響，結(jié)果表明SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的早期收縮可降低至基準(zhǔn)組的50%，且在混凝土塑性階段以及硬化階段(14 d)均未發(fā)現(xiàn)裂縫.孔祥明等[7]研究了預(yù)吸水SAP對水膠比為0.29(質(zhì)量比，文中涉及的水膠比、細(xì)度、燒失量等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù))的純水泥混凝土自收縮的抑制作用，研究表明內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.05的混凝土14d齡期時(shí)的自收縮降為20μm/m以下，減縮率達(dá)90%以上；內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.10的混凝土14d內(nèi)基本沒有自收縮，減縮率達(dá)100%.閻培渝等[8]研究證明，SAP可以有效降低以粉煤灰、硅灰為礦物摻和料的C70高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的自收縮，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.02，0.04和0.06的混凝土自收縮分別較基準(zhǔn)組降低了54.8%，37.1%和26.6%，且延遲了自收縮開始發(fā)展的時(shí)間.文獻(xiàn)[9-10]也證明了SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對粉煤灰混凝土收縮性能的改善效果.由此可知，目前SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用對象均為以粉煤灰、礦渣粉等作為礦物摻和料配制而成的混凝土，其對火山灰混凝土收縮性能的改善效果未知.

鑒于此，本研究針對實(shí)際工程需要，研究了SAP對C40和C60火山灰混凝土早期自收縮、長期干燥收縮，以及水分損失率的影響規(guī)律，探討了SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)對火山灰混凝土收縮性能的改善機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為北京金隅產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；火山灰為肯尼亞天然火山渣磨細(xì)后的粉體，細(xì)度11.3%，流動度比91%，燒失量0.21%，7 d活性指數(shù)68%，28 d活性指數(shù)69%，其化學(xué)組成如表1所示；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.6的天然河砂，含泥量2.4%，含石量20%；粗骨料為5～20mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，含泥量0.4%，壓碎值5.7%；減水劑為山西佳維產(chǎn)聚羧酸減水劑，減水率38%，含固量40%；SAP，粒徑為104～150 μm(100～140目)，在(15±2)℃純水中的飽和吸水率為其自身質(zhì)量的140倍.

表1 天然火山灰化學(xué)組成

1.2 混凝土配合比

混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表2所示.其中水膠比為0.41，0.31的C40-0和C60-0為基準(zhǔn)混凝土，SAP摻量以SPA質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的百分比計(jì).通過調(diào)整減水劑的用量，基準(zhǔn)混凝土組的初始坍落度控制在200～220mm.

根據(jù)已有研究可知，在混凝土直接摻入SAP會迅速吸收其中原有的拌和水，嚴(yán)重影響混凝土的工作性.為保證SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)火山灰混凝土的工作性與基準(zhǔn)混凝土的工作性水平一致，需先確定SAP在混凝土中的吸水倍率.試驗(yàn)表明，當(dāng)SAP在火山灰混凝土中的吸水倍率為30倍時(shí)，其對火山灰混凝土的工作性影響不大.SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)火山灰混凝土采用的拌和工藝為：首先將SAP，骨料和膠凝材料干拌2min，然后倒入基礎(chǔ)拌和水?dāng)嚢?min，最后倒入額外水與減水劑的混合液攪拌2min.這里需要說明的是，加入基礎(chǔ)拌和水2min后再將額外水與減水劑混合后加入的拌和工藝有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)SAP吸收基礎(chǔ)拌和水后已基本達(dá)到飽和狀態(tài)，避免了其吸收減水劑的可能性；(2)額外水將減水劑進(jìn)行一定程度的稀釋，可促進(jìn)減水劑在混凝土中的分散.因此采用該拌和工藝制備的混凝土，其工作性較傳統(tǒng)拌和工藝下的好.

文中的3種水膠比概念定義如下：有效水膠比(mW/mB)E是指混凝土拌和水量與膠凝材料質(zhì)量的比值；內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比(mW/mB)I是指SAP額外引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量與膠凝材料質(zhì)量的比值；總水膠比(mW/mB)T是指混凝土拌和水和SAP額外引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的總量與膠凝材料質(zhì)量的比值.本文通過SAP額外引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，根據(jù)Power模型[11]計(jì)算出C40和C60火山灰混凝土所需的理論內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比分別為0.01和0.06.根據(jù)前期力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果——當(dāng)C40火山灰混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.01，0.02和0.03，C60火山灰混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.02，0.04和0.06時(shí)，兩者抗壓強(qiáng)度的降低幅度均在20%以內(nèi).因此選用該設(shè)計(jì)內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比進(jìn)行試驗(yàn).

表2 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

(1)自收縮試驗(yàn) 按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的非接觸法進(jìn)行.另外，試模上表面采用塑料薄膜密封處理.

(2)干燥收縮試驗(yàn) 干燥收縮表征處于干燥環(huán)境中混凝土因水分蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮值.按照GB/T50082—2009中的接觸法進(jìn)行.

(3)水分損失試驗(yàn) 水分損失率表征干燥環(huán)境下火山灰混凝土中水分散失的多少.內(nèi)養(yǎng)護(hù)火山灰混凝土的水分損失率可反映干燥環(huán)境下內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的養(yǎng)護(hù)效果.試模內(nèi)澆筑混凝土后首先用塑料薄膜密封成型面，防止從上表面蒸發(fā)失水；然后帶模養(yǎng)護(hù)1d 后拆模，并將試件表面清除干凈，以防止表面有松散混凝土塊；最后將試件置于恒溫恒濕室((20±2)℃左右，相對濕度為(60±5)%)，稱量各試件的初始質(zhì)量mC0，且將拆模時(shí)間記為初始齡期0d，接著稱量各試件在1，3，6，10，17，28 d齡期時(shí)的質(zhì)量mCt.火山灰混凝土水分損失率RW計(jì)算公式如下：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 SAP對火山灰混凝土自收縮的影響

圖1為火山灰混凝土的自收縮曲線.

圖1 火山灰混凝土的自收縮曲線Fig.1 Autogenous shrinkage curves of pozzolanic concretes

由圖1(b)可以看出：(1)基準(zhǔn)混凝土C60-0的自收縮呈現(xiàn)2個(gè)階段，即快速收縮階段(AB段)和緩慢收縮階段(CD段).這是因?yàn)镃60的水膠比較低，混凝土中可用于水化的水分較少，自干燥現(xiàn)象比較嚴(yán)重，產(chǎn)生的自收縮大，水化熱產(chǎn)生的溫度膨脹變形以及AFt晶體的膨脹不足以補(bǔ)償自干燥產(chǎn)生的自收縮，所以在72 h內(nèi)其自收縮始終處于不斷增加的狀態(tài).(2)C60火山灰混凝土在SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)下出現(xiàn)了短暫膨脹階段(BC段)，C60-S2，C60-S4和C60-S6的快速收縮階段時(shí)間均為0～8h，短暫膨脹階段的時(shí)間分別為8～17h，8～17h和8～18h，由此看出SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)略微延長了混凝土的膨脹持續(xù)時(shí)間；3組SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)C60火山灰混凝土膨脹階段的膨脹值分別為25，33，65μm/m，這說明隨著SAP摻量的增加，C60火山灰混凝土膨脹值越來越大.

圖1表明：SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)降低了C40和C60火山灰混凝土各齡期的自收縮值，尤其降低了快速收縮階段的自收縮值，降低幅度隨SAP摻量的增加而增大；C40-S3各齡期的自收縮值均在0 μm/m左右，甚至在齡期為6～46h時(shí)，自收縮值為負(fù)值，在此時(shí)間段混凝土試件宏觀表現(xiàn)為膨脹狀態(tài)；C60-S6的收縮值在20h左右時(shí)也出現(xiàn)了負(fù)值，即出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，不過持續(xù)時(shí)間較短，很快被自收縮補(bǔ)償.SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)能夠降低混凝土自收縮的原因如下：一方面，隨著膠凝材料的水化，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)自干燥現(xiàn)象，SAP在內(nèi)部相對濕度梯度作用下釋放水分，延緩了混凝土自干燥的產(chǎn)生；另一方面，SAP引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水后均勻分布在混凝土中，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水增大了混凝土單位用水量，C40-S1，C40-S2和C40-S3中額外增加的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量分別為3.93，7.86，11.79kg/m3，C60-S2，C60-S4和C60-S6中額外增加的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量分別為10.4，20.8，31.2kg/m3.已知混凝土的熱膨脹主要由水泥石和骨料的熱膨脹組成，常溫下硬化水泥漿體28 d的熱膨脹系數(shù)在15×10-6～25×10-6℃-1，水泥石中除了凝膠顆粒外還含有大量的水，水分在混凝土組成材料中的膨脹能力最大，熱膨脹系數(shù)約為210×10-6℃-1，比水泥石的熱膨脹系數(shù)高1個(gè)數(shù)量級，所以額外水的引入大大增加了混凝土的熱膨脹系數(shù)，危鼎等[12]的研究也證明了這一觀點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)的增大加劇了熱膨脹變形，對自收縮的補(bǔ)償作用更加顯著.自收縮的降低以及熱變形的增大使混凝土提前進(jìn)入了短暫膨脹階段，并且增大了此階段的膨脹值.另外，根據(jù)逄魯峰等[13]的觀察，SAP引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水大大增加了此階段鈣礬石的生成量，從而也增加了此階段的膨脹值.C點(diǎn)后，混凝土開始降溫，溫度收縮以及膠凝材料水化產(chǎn)生的自收縮使混凝土再次宏觀表現(xiàn)為收縮增加，不過增加速度很緩慢.此階段產(chǎn)生的自收縮值較小，SAP中養(yǎng)護(hù)水的減縮作用體現(xiàn)得不明顯，又因此時(shí)兩種混凝土的熱膨脹系數(shù)都達(dá)到了穩(wěn)定階段，熱膨脹系數(shù)相差不大，產(chǎn)生的溫度收縮差別也很小，所以CD段內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土與基準(zhǔn)混凝土的自收縮曲線都非常平緩，增加的自收縮值基本相同.

圖2為SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對C40和C60火山灰混凝土72h齡期自收縮減縮率的擬合曲線.由圖2可見：SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對火山灰混凝土的自收縮變形有顯著的改善作用，SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對混凝土自收縮的降低幅度基本與火山灰混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比成正比；對于C40火山灰混凝土，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.03時(shí)，其72h的自收縮已經(jīng)降低為14μm/m，減縮率達(dá)到了95%；對于C60火山灰混凝土，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.06時(shí)，火山灰混凝土的自收縮為45μm/m，減縮率也達(dá)到90%以上；當(dāng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比為0.02時(shí)，C40和C60火山灰混凝土的自收縮減縮率分別為64.4%和38.0%，由此說明SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)對不同強(qiáng)度等級火山灰混凝土的減縮效果不同.強(qiáng)度等級越高的混凝土，其收縮變形越大，更需要通過內(nèi)養(yǎng)護(hù)來減小收縮，且不同強(qiáng)度等級混凝土達(dá)到相同減縮率時(shí)，強(qiáng)度等級越高的混凝土所需的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比越大.

圖2 火山灰混凝土自收縮減縮率與內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比關(guān)系Fig.2 Relationship between autogenous shrinkage reducing ratio of pozzolanic concrete and internal curing water-binder ratio

2.2 SAP對火山灰混凝土干燥收縮的影響

圖3為火山灰混凝土的干燥收縮曲線.由圖3看出：基準(zhǔn)混凝土C40-0和C60-0的干燥收縮前期發(fā)展較快，隨著齡期的延長增長速度變緩；SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的干燥收縮曲線發(fā)展規(guī)律與基準(zhǔn)組類似；在相同的干燥環(huán)境中，SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的干燥收縮值均大于基準(zhǔn)組，28 d齡期時(shí)C40-0的干燥收縮值為163.83μm/m，C40-S1，C40-S2和C40-S3的干燥收縮值分別為186.17，187.23，198.30μm/m，較基準(zhǔn)組分別增加了13.6%，14.3%和21.0%；C60-0的干燥收縮值為146.04μm/m，C60-S2，C60-S4和C60-S6的干燥收縮值分別為153.50，165.36，175.77μm/m，較基準(zhǔn)組分別增加了5.1%，13.2%和20.4%.由此看出，SAP引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水越多，火山灰混凝土干燥收縮增加幅度越大.不過相對于火山灰混凝土自收縮的降低幅度，SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對其干燥收縮的增加值可以忽略.

圖3 火山灰混凝土的干燥收縮曲線Fig.3 Drying shrinkage curves of pozzolanic concretes

2.3 SAP對火山灰混凝土水分損失率的影響

圖4為火山灰混凝土的水分損失率隨齡期的變化曲線.

由圖4可見:(1)C40和C60火山灰混凝土的水分損失率均隨齡期的延長逐漸增大并趨于穩(wěn)定，而且SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的水分損失率隨時(shí)間的變化曲線與基準(zhǔn)組類似，但是水分損失率大小有所差異，主要差異出現(xiàn)在3d齡期之后.0～3d時(shí)，所有混凝土的水分損失率基本相同；3d之后，SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的水分損失率開始大于基準(zhǔn)組.(2)對于給定齡期，SAP引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水越多，水分損失率越大，即散失的水越多.由此可見，在干燥環(huán)境下，引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水并非都能起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，表層的水分蒸發(fā)仍舊不可避免，而且因內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的引入，蒸發(fā)損失的水分更多.

圖4 火山灰混凝土的水分損失率Fig.4 Water loss rate of pozzolanic concretes

由圖3，4可以看出，混凝土試件的水分損失率隨齡期的發(fā)展規(guī)律與干燥收縮隨齡期的發(fā)展趨勢類似，且干燥收縮測量前混凝土已經(jīng)損失了部分水分.將混凝土試件各齡期的水分損失率對干燥收縮數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示.

圖5 火山灰混凝土的水分損失率與干燥收縮的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between water loss rate and drying shrinkage of pozzolanic concretes

由圖5可見，火山灰混凝土的水分損失率與干燥收縮的關(guān)系擬合曲線與水分損失率軸線存在1個(gè)交點(diǎn)，即干燥收縮開始產(chǎn)生的起點(diǎn)，由此說明并非一產(chǎn)生水分損失就立即產(chǎn)生干燥收縮，只有當(dāng)水分損失率達(dá)到某一臨界值時(shí)才開始產(chǎn)生收縮.臨界值之前損失的水分為大孔中自由水，并沒有引起收縮；臨界值之后，毛細(xì)孔中的水分才開始蒸發(fā)失去，產(chǎn)生毛細(xì)孔負(fù)壓，從而引起干燥收縮.由圖5還可見，SPA內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的臨界水分損失率大于基準(zhǔn)混凝土，對于C40火山灰混凝土，C40-0的臨界水分損失率為0.19%，C40-S1，C40-S2和C40-S3的臨界水分損失率接近，約為0.28%；對于C60火山灰混凝土，C60-0的臨界水分損失率為0.20%，C60-S2，C60-S4和C60-S6的臨界水分損失率分別為0.25%，0.31%和0.34%.內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土額外產(chǎn)生的損失水分應(yīng)該來自SAP中自由水，并未產(chǎn)生干燥收縮.

3 結(jié)論

(1)SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)顯著降低了C40和C60火山灰混凝土的自收縮，減小了火山灰混凝土的早期開裂風(fēng)險(xiǎn).SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對火山灰混凝土自收縮的減縮率與內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比呈正比，并且可以根據(jù)自收縮減縮率與內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比的擬合曲線，由內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比預(yù)測火山灰混凝土早期自收縮減縮率.SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對于不同強(qiáng)度等級火山灰混凝土的減縮效果不同，當(dāng)達(dá)到相同減縮率時(shí)，強(qiáng)度等級越高的混凝土所需的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比越大.

(2)SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)增大了火山灰混凝土的干燥收縮和水分損失率，且增大幅度隨著內(nèi)養(yǎng)護(hù)引入水量的增加而增大，這主要與內(nèi)養(yǎng)護(hù)引入了更多的可蒸發(fā)水有關(guān).SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對干燥收縮的增加幅度較小，相對于自收縮的降低幅度基本可以忽略不計(jì).根據(jù)干燥環(huán)境中火山灰混凝土的水分損失率與干燥收縮的擬合關(guān)系得出了火山灰混凝土產(chǎn)生干燥收縮時(shí)的臨界水分損失率.