膨脹劑、減縮劑及合成纖維對(duì)大流動(dòng)性混凝土早期形變的影響

孫賀，劉貴雙，盧傳泰，陳威威，張展鵬，張如娜，衡永生，王童，李宇洋

（1. 徐州鑄建建材科技有限公司，江蘇 徐州 221300；2. 江蘇誠意工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 徐州 221300）

0 前言

混凝土是使用最廣泛的建筑材料，穩(wěn)居世界建筑材料產(chǎn)量首位[1]。全世界每年混凝土用量不斷增長，紛繁復(fù)雜的現(xiàn)代建筑對(duì)混凝土的性能提出更高的要求。裂縫是混凝土材料常出現(xiàn)的問題，是混凝土工程最應(yīng)消除的病害之一，不利于混凝土的力學(xué)性能和耐久性能[2]，且不美觀。宏觀裂縫的形成來自微裂紋的連通和貫穿，而裂紋主要是由混凝土收縮引起的[3-4]。

混凝土早期收縮主要包括化學(xué)收縮、自收縮、干燥收縮和溫度收縮?；瘜W(xué)收縮是由于水泥水化產(chǎn)物總體積小于反應(yīng)物總體積引起的，自收縮是由水泥水化消耗毛細(xì)孔中水分而引起的附加壓力造成的，干燥收縮是由于毛細(xì)孔中水分蒸發(fā)離開體系而引起的附加壓力造成的，溫度收縮是由水化放熱使混凝土升溫后逐漸恢復(fù)到環(huán)境溫度的過程中溫度變化引起的[5]。此外，水化放熱引起混凝土早期內(nèi)部溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)引起混凝土開裂[6]。隨著超高層建筑、大跨度建筑和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑的發(fā)展進(jìn)步，這些建筑工程對(duì)混凝土的工作性能提出更高要求，大流動(dòng)度的混凝土用量逐年增大。大流動(dòng)性混凝土具有漿體體積大、膠凝材料用量大的特點(diǎn)，因此其收縮開裂問題較嚴(yán)重[7]，28d 內(nèi)的收縮明顯且表面常產(chǎn)生大量裂縫。

現(xiàn)有的減縮抗裂方法主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)和材料方面來提出。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)方面主要包括合理安排施工順序、覆膜養(yǎng)護(hù)、預(yù)埋冷卻水管及鋼筋網(wǎng)片等。材料方面主要包括使用中低熱水泥，摻加活性混合材、合適的外加劑和纖維材料等[4,8]。設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)方面的方法已成為各類標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定操作，但這些方法在實(shí)際工程中取得的減縮抗裂效果尚不足夠[9]。材料方面的方法更加治本，減縮劑一般通過降低混凝土孔隙水表面張力來減小毛細(xì)孔失水引起的附加壓力，從而降低收縮；膨脹劑主要通過其水化體積膨脹來補(bǔ)償收縮；各類合成纖維主要通過增強(qiáng)增韌減小混凝土的形變[10]。然而，這些材料之間及其與膠凝材料間的適應(yīng)性等問題，相關(guān)研究報(bào)道還較少。本文針對(duì) C35 和 C45 的大流動(dòng)性混凝土，初步探索了膨脹劑、減縮劑和合成纖維單獨(dú)使用及復(fù)配使用對(duì)混凝土早期形變情況和強(qiáng)度的影響并分析原因，旨在辨明這三種常用的減縮抗裂摻加物之間的適應(yīng)性及其對(duì)混凝土早期形變及強(qiáng)度的影響，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 原材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的 P·O42.5 水泥。試驗(yàn)采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，粒徑10～20mm 碎石。試驗(yàn)所用減水劑為聚羧酸系減水劑（PCE），其固含量為 20%，液體減縮劑固含量為40%，粉體膨脹劑為硫鋁酸鈣型膨脹劑，合成纖維為聚乙烯纖維（長 50 mm），拌和用水為可飲用水。

1.2 配合比

按照表1 拌制混凝土。其中，C35-N 混凝土為未摻加任何 PCE 以外的外加劑的空白對(duì)照，C35-C 為復(fù)合摻加膨脹劑、減縮劑和聚乙烯纖維的混凝土。所有試樣按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》之方法拌制。拌制時(shí)控制各組混凝土坍落度均在 (220±10)mm 范圍內(nèi)[1]。C35-系列的混凝土的水膠比均為 0.35，單位用水量均為 180kg/m3，骨膠比均為4.0，砂率均為 45.9%，粉煤灰摻量均為 20.0%。膨脹劑外摻膠凝材料質(zhì)量的 6%，減縮劑內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量的2.5%，纖維摻量為每方混凝土 0.7 kg，C45 組的混凝土這三項(xiàng)摻量相同。

表1 C35 組混凝土配合比 kg/m3

按照表2 拌制混凝土。其中，C45-N 混凝土為未摻加任何 PCE 以外的外加劑的空白對(duì)照。所有試樣按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》之方法拌制，編號(hào) C45-N 為空白對(duì)照組。拌制時(shí)同樣控制各組混凝土坍落度均在 (220±10)mm 范圍內(nèi)。C45-系列的混凝土的水膠比均為 0.45，單位用水量均為 180kg/m3，骨膠比均為 4.5，砂率均為 42.9%，粉煤灰摻量均為 18.0%。

表2 C45 組混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 拌合成型

由于膨脹劑、減縮劑和纖維狀態(tài)不同，因此拌合過程與標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別，步驟根據(jù)前期大量預(yù)試驗(yàn)確定。具體步驟如下：稱量拌合所需物料，再分別稱量水和減縮劑質(zhì)量的 70%，混合均勻，剩余部分不混合；稱量膠凝材料質(zhì)量 6% 的膨脹劑；按照 0.7kg/m3的摻量稱量設(shè)計(jì)方量混凝土相應(yīng)的合成纖維；將膠凝材料、膨脹劑、纖維和砂等物料充分混合，之后加入石子拌合；分散均勻后將混合均勻的水和減縮劑緩慢加入攪拌裝置，攪拌約2min 后，同時(shí)緩慢加入剩下的水和減縮劑；充分拌合直到澆筑。

由于試驗(yàn)墻長度大于 1m（墻體尺寸如圖1(a) 所示），因此隨后的澆筑、振實(shí)、成型和養(yǎng)護(hù)等步驟，根據(jù) GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》操作即可。

1.3.2 收縮

根據(jù)相關(guān)報(bào)道[11-12]，選取模擬測(cè)試中墻體應(yīng)變梯度較大的位置布置應(yīng)變計(jì)，如圖1(a) 所示。形變測(cè)試的混凝土試件尺寸為 10m×1.5m×0.2m（長×高×厚），應(yīng)變計(jì)中心位置距離試件底部 45cm，距離頂部105cm，長和厚方向位于試件中央。在澆筑前，將應(yīng)變計(jì)用細(xì)鋼絲綁扎固定至圖中的位置，如圖1(b) 所示。數(shù)據(jù)線緊貼底板的鋼筋中連接到結(jié)構(gòu)外，通過數(shù)據(jù)采集器定期讀取數(shù)據(jù)，采集器中的數(shù)據(jù)通過 USB 傳輸至電腦。應(yīng)變計(jì)為 VS-100 振弦式應(yīng)變計(jì)，數(shù)據(jù)采集器為MCU-32 型分布式自動(dòng)采集系統(tǒng)，采集間隔為 1h。

1.3.3 強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》之規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試蒸養(yǎng)混凝土 28d 的抗壓強(qiáng)度。

圖1 應(yīng)變計(jì)布置示意圖(a) 及應(yīng)變計(jì)綁扎 (b)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 C35 混凝土

C35 組的混凝土在 28d 內(nèi)的應(yīng)變及 28d 抗壓強(qiáng)度分別如表3、圖2 和表4 所示。表3 所列為主要及有代表性的時(shí)刻的各試件應(yīng)變值。相比空白組，復(fù)摻組混凝土約在 12d 達(dá)到最大形變?yōu)榕蛎?21μm/m，明顯小于單摻膨脹劑的混凝土最大形變，復(fù)摻組混凝土在 28d 收縮26μm/m，比空白對(duì)照降低了 87%，相較于單摻膨脹劑的混凝土亦降低 50%，同樣明顯小于其他組。復(fù)摻組混凝土抗壓強(qiáng)度比空白組略有提高，且高于其他組。

摻加膨脹劑的混凝土拌合后即開始膨脹，在約 4d達(dá)到最大膨脹量 86μm/m，隨著水化反應(yīng)加速，混凝土體積迅速收縮，形變曲線平緩，隨后形變加速減小，在約 18d 時(shí)混凝土的收縮完全抵消膨脹劑帶來的膨脹量，之后混凝土繼續(xù)收縮，28d 收縮 53μm/m。另外幾組混凝土拌合后均為收縮狀態(tài)，從 C35-X 及 C35-J 組混凝土形變曲線可看出纖維對(duì)混凝土早期收縮的影響較小，而減縮劑在空白組收縮最快的前幾天，其補(bǔ)償收縮效果最明顯，而后效果逐漸減小，直到 28d 收縮量與摻纖維混凝土接近，但摻減縮劑對(duì)強(qiáng)度的不利影響較小。復(fù)摻組混凝土在約 9d 時(shí)達(dá)到最大膨脹 21μm/m，隨后整體表現(xiàn)為開始收縮，最大膨脹量相比單摻膨脹劑組降低了77%。C35-P 組混凝土的強(qiáng)度略高于空白組，與 C35-C組混凝土強(qiáng)度接近，這說明在該摻量條件下，即使是C35-P 最大膨脹量也還未達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)有破壞，不利于強(qiáng)度增長的形變量。C35-X 和 C35-C 組混凝土形變曲線相似，再對(duì)比 C35-P 組可知摻纖維對(duì)膨脹變形的限制有明顯效果，但對(duì)收縮的限制效果不明顯，這是由于聚乙烯纖維抗拉強(qiáng)度較高[13]，混凝土收縮時(shí)纖維只能通過提供額外的摩擦力而略微減小收縮量。

各組混凝土形變曲線在變化過程中存在小幅度的周期性波動(dòng)，并且各組混凝土形變波動(dòng)的方向一致，可知，這只是由于環(huán)境溫度變化引起的熱脹冷縮。環(huán)境溫度變化包括每天的晝夜溫度變化和短期同時(shí)段溫度的變化，從圖2 中均可看出，前者變化周期更短，后者周期約為 5d，這與戶外氣候有關(guān)，在進(jìn)一步的試驗(yàn)中可進(jìn)行扣除。

表3 C35 組混凝土應(yīng)變/m

表3 C35 組混凝土應(yīng)變/m

齡期(d) C35-N C35-P C35-J C35-X C35-C 齡期(d) C35-N C35-P C35-J C35-X C35-C 1.39 43.3 -48.3 0.1 19.3 7.3 13.89 126.7 -33.1 38.6 52.1 -11.8 2.78 72.6 -79.1 5.2 31.1 9.8 15.28 134.5 -24.1 39.0 63.9 -5.6 4.17 88.7 -87.2 15.4 29.4 7.4 16.67 132.0 -8.6 46.7 71.9 1.7 4.75 89.7 -91.3 20.4 27.3 -1.6 18.06 138.5 1.0 63.7 81.2 2.7 5.56 88.7 -83.0 31.6 26.8 -5.6 19.44 159.0 -0.8 78.6 93.0 0.3 6.94 98.5 -83.5 53.2 27.4 -15.4 20.83 179.9 8.0 85.1 94.2 1.4 8.33 122.7 -82.8 54.3 29.0 -19.3 22.22 184.0 24.8 93.4 93.5 11.7 8.70 127.8 -79.6 50.9 28.7 -20.9 23.61 191.3 44.4 104.7 102.5 22.1 9.72 132.2 -67.1 45.3 27.4 -16.6 25.00 190.6 49.8 108.4 101.7 25.2 11.11 119.4 -48.6 41.6 26.4 -18.1 26.39 191.8 52.0 108.7 102.9 24.3 12.50 119.2 -37.1 42.0 37.6 -16.1 28.00 196.3 52.8 109.1 108.3 26.0

圖2 C35 組混凝土 28d 內(nèi)應(yīng)變曲線

表4 C35 組混凝土的強(qiáng)度及應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

2.2 C45 混凝土

C45 組的混凝土在 28d 內(nèi)的應(yīng)變及 28d 抗壓強(qiáng)度分別如圖3 和表6 所示。與圖3 相對(duì)應(yīng)地，主要及有代表性的時(shí)刻的各試件應(yīng)變值羅列于表5。相比空白組，復(fù)摻組混凝土在約 10d 達(dá)到最大形變?yōu)榕蛎?17μm/m，小于單摻膨脹劑的混凝土，復(fù)摻組混凝土的 28d 收縮23μm/m，遠(yuǎn)小于其他組。此外復(fù)摻組混凝土抗壓強(qiáng)度降低約 3%，影響較小。

摻加膨脹劑的混凝土拌合后開始膨脹，約 7d 達(dá)到最大膨脹量 81μm/m，隨后的變化規(guī)律與 C35 組混凝土較為一致，但整體滯后于 C35 組混凝土，在約 22d 時(shí)混凝土的收縮完全抵消膨脹劑帶來的膨脹量，之后混凝土繼續(xù)收縮，28d 收縮 34μm/m。C45-J 組混凝土拌合后有所膨脹，推測(cè)是水化溫升引起的溫度膨脹，而減縮劑通過降低毛細(xì)孔水表面張力從而減小了干燥收縮和自收縮，因此 4d 內(nèi)混凝土略有膨脹。另外幾組混凝土拌合后均為收縮狀態(tài)，對(duì)比 C45-X 和 C45-J 組混凝土形變曲線，纖維具有增韌效果，但對(duì)混凝土收縮的影響較小[13-14]，并且與 C35 組混凝土表現(xiàn)出同樣的特點(diǎn)：減縮劑的補(bǔ)償收縮效果主要表現(xiàn)在 7d 以內(nèi)，而 28d 時(shí)的收縮量與摻纖維組接近，但對(duì)強(qiáng)度的不利影響小于后者。C45-C 在約 9d 時(shí)達(dá)到最大膨脹 17μm/m，相比 C45-P 組混凝土的最大膨脹量減小了 79%，這與 C35 組混凝土的情況相似，這是因?yàn)槔w維摻量只與混凝土體積有關(guān)，因而兩個(gè)配合比的混凝土中纖維對(duì)膨脹劑的膨脹量限制能力較接近。C45-P 組混凝土最大膨脹量也還未達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，最大膨脹量小于 C35-P 混凝土且與空白組的強(qiáng)度比亦略有升高，這是由于膨脹劑摻量與膠凝材料有關(guān)，因而高水膠比的混凝土膨脹劑效果更不明顯。

從圖3 中仍可觀察到各組混凝土應(yīng)變曲線的小幅度周期性波動(dòng)，且變化的大小周期及時(shí)間與 C35 組混凝土這種變化的大小周期和時(shí)間基本一致，這說明該變化確實(shí)并非混凝土的配合比引起的，而是環(huán)境變化引起。

表5 C45 組混凝土應(yīng)變/m

表5 C45 組混凝土應(yīng)變/m

齡期(d) C45-N C45-P C45-J C45-X C45-C 齡期(d) C45-N C45-P C45-J C45-X C45-C 1.39 40.0 -40.2 -4.2 14.6 6.2 13.89 120.2 -39.8 23.3 52.8 8.7 2.78 67.6 -66.3 -3.4 23.8 8.3 15.28 122.6 -33.7 23.1 63.5 12.9 4.17 84.8 -79.9 2.5 22.6 6.3 16.67 120.8 -20.8 28.4 70.2 17.7 4.26 85.2 -80.7 3.5 22.3 5.3 18.06 124.2 -11.6 41.2 77.6 18.7 5.56 86.4 -82.4 14.8 22.0 -4.7 19.44 134.4 -12.4 52.4 87.5 16.9 6.94 97.3 -79.6 31.8 23.4 -13.1 20.83 146.5 -5.4 57.6 89.2 17.6 8.33 121.9 -76.5 33.3 26.5 -16.4 22.22 149.2 7.8 64.2 89.1 24.2 8.70 126.9 -74.4 30.9 26.6 -17.1 23.61 151.3 23.1 73.2 96.9 31.2 9.72 130.7 -65.1 27.4 26.7 -13.4 25.00 151.8 28.2 76.0 96.2 33.8 11.11 123.2 -50.2 25.5 27.7 -2.5 26.39 153.1 31.3 76.1 97.1 33.6 12.50 119.9 -41.6 25.9 38.9 5.5 28.00 157.7 34.3 77.0 101.8 23.5

圖3 C45 組混凝土 28d 內(nèi)應(yīng)變曲線

表6 C45 組混凝土的強(qiáng)度及應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

復(fù)摻膨脹劑、減縮劑和纖維的混凝土 28d 形變量相比空白組明顯減小，14d 內(nèi)略有膨脹，全過程形變明顯小于普通方法拌制的混凝土。膨脹劑的摻加能使混凝土 7d 內(nèi)明顯膨脹并達(dá)到最大膨脹量，但其引起的膨脹并未達(dá)到對(duì)強(qiáng)度不利的程度，且高水膠比的體系達(dá)到最大膨脹量較慢。聚乙烯纖維表面粗糙，在混凝土中充分混合后，與混凝土的界面強(qiáng)度較高，能在硬化混凝土中限制漿體的形變，對(duì)膨脹劑引起的膨脹有明顯的限制效果，延遲減縮劑、補(bǔ)償收縮的效果相對(duì)有限。減縮劑能明顯減小混凝土 28d 內(nèi)的收縮，并在水化早期造成一定程度的膨脹。此外，復(fù)摻膨脹劑、減縮劑和合成纖維使新拌混凝土早期強(qiáng)度有所提高。

綜上所述，對(duì)于本文中所配制的混凝土，復(fù)摻膨脹劑、減縮劑和合成纖維可明顯減小混凝土的早期收縮和最大形變，且效果明顯優(yōu)于單摻，對(duì)混凝土的 28d 抗壓強(qiáng)度無不良影響。