膨脹劑、減縮劑對超高性能混凝土自收縮性能的影響

鄧宗才，連怡紅, 趙連志

(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124; 2.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)由于其致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出高的強度和優(yōu)越的耐久性，然而，其低水膠比、無粗骨料等特點使得其早期自收縮遠高于普通混凝土[1]，由于早期強度未發(fā)展完善，使得較大的自收縮極大地增加了UHPC的開裂風險，降低了其使用壽命和結(jié)構(gòu)性能.目前國內(nèi)外學者就UHPC減縮方式進行了諸多研究，其中，添加膨脹劑或減縮劑是實現(xiàn)減縮的有效方法之一[2].

膨脹劑中的膨脹源能夠通過水化反應生成鈣礬石、氫氧化鈣等產(chǎn)物，其水化產(chǎn)物在吸水、結(jié)晶等過程中引起體積膨脹.減縮劑則可以減小混凝土內(nèi)部毛細孔內(nèi)溶液的表面張力，由此降低毛細管應力，減小自收縮.

已有摻膨脹劑、減縮劑混凝土的性能及機理研究多集中于普通混凝土及高性能混凝土[3-7]，而關于UHPC的研究較少，由于UHPC自收縮發(fā)展特點與普通和高性能混凝土有較大不同[8-9]，因此需對摻膨脹劑或減縮劑UHPC的自收縮性能進行研究.傳統(tǒng)的膨脹劑膨脹速率慢、膨脹能低，不適用于早期自收縮速率快、自收縮大的UHPC.趙順增等[10]研制的硫鋁酸鈣類高性能(high performance calcium sulpho aluminate,HCSA)混凝土膨脹劑具有膨脹能高、絕濕膨脹大等特點，適用于高性能混凝土.黃政宇等[11]將HCSA膨脹劑與國內(nèi)傳統(tǒng)U型膨脹劑(U-type expancing agent,UEA)應用于未摻纖維的UHPC漿體，對兩者的減縮效果進行對比，結(jié)果顯示，適量的HCSA可顯著降低UHPC的28 d自收縮，減縮率達95.8%，同摻量UEA的減縮率僅為25.2%.目前HCSA膨脹劑已實際應用于制備補償收縮混凝土[12-15]，但關于HCSA對摻鋼纖維UHPC的減縮規(guī)律研究較少.此外，部分學者將膨脹劑、減縮劑分別單摻于UHPC中，研究膨脹劑和減縮劑的減縮規(guī)律，并將兩者的最優(yōu)減縮率進行比較，但由于UHPC配合比、膨脹劑與減縮劑種類等差異，所得結(jié)論有較大不同[16-18].Park等[16]分別研究單摻CSA膨脹劑、Metolatp 860減縮劑對摻鋼纖維UHPC的收縮影響規(guī)律，結(jié)果顯示，最優(yōu)摻量膨脹劑的28 d減縮率為44.0%，而最優(yōu)摻量減縮劑的28 d減縮率為21.0%，膨脹劑的減縮效果優(yōu)于減縮劑.鄭秀梅等[17]分別研究SITREN?PSR100減縮劑、F17A膨脹劑對未摻纖維UHPC收縮性能的影響，結(jié)果顯示，減縮劑與膨脹劑對UHPC的自收縮均有抑制作用，合適摻量減縮劑的28 d減縮率可達50.0%，而膨脹劑的28 d減縮率為20.0%，減縮劑的減縮效果優(yōu)于膨脹劑.

目前關于雙摻膨脹劑與減縮劑UHPC的自收縮減縮規(guī)律研究較少，由于UHPC自收縮占自由收縮比例為78.6%～90.0%，因此其減縮規(guī)律多參考自由收縮.Maruyama等[19]研究膨脹劑、減縮劑對高強混凝土自由收縮的影響，試驗結(jié)果表明，使用低熱硅酸鹽水泥時，雙摻組的減縮率高于2個單摻組疊加后的減縮率，膨脹劑與減縮劑存在協(xié)同效應，但使用普通硅酸鹽水泥時，雙摻組的減縮率低于單摻膨脹劑組，其減縮率介于2個單摻組之間.Maltese等[20]研究膨脹劑、減縮劑對水泥砂漿自由收縮的影響，試驗結(jié)果表明，雙摻組的減縮效果優(yōu)于單摻組，但雙摻組減縮率小于2個單摻組疊加后的減縮率，因此未產(chǎn)生協(xié)同效應.Park等[16]分別對單摻7.5%膨脹劑、單摻1.0%減縮劑及兩者雙摻的UHPC進行自由收縮測試，試驗結(jié)果表明，質(zhì)量分數(shù)為7.5%的膨脹劑可使28 d收縮值降低44.0%，質(zhì)量分數(shù)為1.0%的減縮劑可使28 d收縮值降低8.0%，雙摻組的28 d收縮值降低了37.0%，雙摻組減縮率介于2個單摻組之間.

綜上所述，關于單摻膨脹劑、減縮劑對摻鋼纖維UHPC的自收縮影響規(guī)律研究較少，由于采用的配合比、外加劑種類等不同，不同研究中顯示的減縮效果差異較大，而關于雙摻膨脹劑、減縮劑的減縮規(guī)律則多借鑒高強混凝土、水泥漿體等，不同研究間變量較多，難以形成統(tǒng)一規(guī)律，關于膨脹劑、減縮劑對摻鋼纖維UHPC自收縮影響規(guī)律的研究尚且不足.基于此，本試驗在課題組前期UHPC配合比試驗研究的基礎上，確定基準組UHPC配合比，選擇市場上具有代表性的2種膨脹劑及1種減縮劑，對單摻膨脹劑或減縮劑UHPC的自收縮、擴展度和基本力學性能等進行試驗研究，獲得膨脹劑及減縮劑摻量變化對UHPC自收縮、擴展度和基本力學性能的影響規(guī)律，并進一步探索膨脹劑與減縮劑雙摻后的減縮效果，為工程應用提供參考.

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗中UHPC由水泥、粉煤灰、硅灰、礦粉、石英砂、鋼纖維、水、減水劑等拌和而成.其中，水泥采用P.Ⅱ型52.5R級硅酸鹽水泥；粉煤灰、礦粉等級分別為F類Ⅰ級、S95級；石英砂采用10～20目、20～40目及40～80目石英砂；鋼纖維采用微絲端鉤形長鋼纖維及直形微絲短鋼纖維，參數(shù)見表1；減水劑采用418型、435型醚類聚羧酸高效減水劑；膨脹劑采用HCSA型高性能混凝土膨脹劑和高性能低添加型DENKA HP-CSA膨脹劑,分別記作EA1、EA2，主要化學成分見表2、3；減縮劑采用SBT?-SRA(I)型減縮劑，記作SRA，參數(shù)見表4.

表1 鋼纖維性能參數(shù)

表2 EA1主要化學組成

表3 EA2主要化學組成

表4 SRA性能參數(shù)

表5 UHPC配合比

1.2 試驗方法

UHPC擴展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；UHPC抗壓強度、劈裂抗拉強度均參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，其中，試件尺寸參考GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》相關規(guī)定，選用100 mm立方體試塊，抗壓強度試塊采用標準養(yǎng)護，分別測量1、3、7、14、28 d抗壓強度.為在后續(xù)研究中將劈裂抗拉強度用于UHPC開裂風險評估，應使劈裂抗拉試塊的養(yǎng)護環(huán)境與自收縮測試環(huán)境相同，因此，劈裂抗拉試塊成型后即用塑料薄膜密封，置于溫度(20±2) ℃的恒溫實驗室進行養(yǎng)護，測量28 d劈裂抗拉強度.

UHPC自收縮測試采用北京儀創(chuàng)時代科技有限公司依據(jù)ASTM C1698-09開發(fā)的YC-BWS系列波紋管自收縮測定儀，裝置見圖1，該方法是傳統(tǒng)凈漿和砂漿自收縮測試方法的放大版，試驗時，試件澆筑于長度(425±5) mm、直徑(78±2) mm的波紋管內(nèi)，以防止UHPC拌合物與外界發(fā)生水分交換，測試起點為試件澆筑后3 h，終止時間為28 d，測試環(huán)境為溫度(20±2) ℃的恒溫實驗室.每組配合比均澆筑3個波紋管形試件.

圖1 自收縮測量裝置Fig.1 Autogenous shrinkage measuring device

1.3 配合比設計

為研究膨脹劑及減縮劑摻量對UHPC擴展度、自收縮和基本力學性能的影響及雙摻后的減縮效果變化規(guī)律，試驗共設計13種配合比.所有試樣水膠比0.17，砂膠比0.96，減水劑、消泡劑質(zhì)量分數(shù)分別為1.30%、0.02%，鋼纖維摻量為2%.其中，A組(即A1)為基準組，未摻入任何膨脹劑或減縮劑；B組(包括B1～B6)為單摻膨脹劑組，EA1質(zhì)量分數(shù)分別為6%、8%、10%，由于EA2為低添加型膨脹劑，經(jīng)前期試驗對比后，選定EA2質(zhì)量分數(shù)分別為4.0%、6.0%、8.0%；C組(包括C1～C3)為單摻減縮劑組，SRA質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%；D組為雙摻組，通過前期試驗對比，選擇減縮效果較好的EA2與SRA進行雙摻.EA1、EA2及SRA摻量均為其質(zhì)量與膠凝材料質(zhì)量的比值，膨脹劑采用內(nèi)摻法等量取代水泥摻入，減縮劑采用外摻法摻入.組號及配合比信息見表5.

2 結(jié)果與討論

2.1 單摻組物理力學性能

2.1.1 擴展度

圖2為單摻組UHPC擴展度試驗結(jié)果.由試驗結(jié)果可知，對于不同種類的膨脹劑或減縮劑，隨摻量增加，UHPC擴展度整體均呈現(xiàn)增大趨勢.其中，SRA的摻入對UHPC擴展度的增大效果更為顯著.

對于摻EA1、EA2的UHPC，由圖2(a)可知，與基準組相比，EA1質(zhì)量分數(shù)為6.0%、8.0%、10.0%時的擴展度分別增長了8.6%、9.8%、19.5%；EA2質(zhì)量分數(shù)為4.0%、6.0%、8.0%時的擴展度分別增長了3.6%、7.2%、23.0%.

圖2 UHPC擴展度Fig.2 Slump flow of UHPC

對于摻SRA的UHPC，由圖2(b)可知，當SRA質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、1.5%時，擴展度分別為715、730、785 mm，與基準組相比，分別增長25.7%、28.3%、40.0%.這與郭清春等[21]關于水泥凈漿流動度的試驗結(jié)果相似，該文章指出，對于雙摻減縮劑與醚類聚羧酸減水劑的水泥凈漿，減縮劑的摻入使水泥凈漿初始流動度增大，同時延緩了漿體稠化.此外，本試驗中減縮劑摻入同時引入少量水分，這直接造成擴展度的增大.

2.1.2 抗壓強度

圖3為單摻組UHPC各齡期的抗壓強度.對于摻EA1的UHPC，由圖3(a)可知，與基準組相比，齡期發(fā)展至1 d時，B1、B2、B3的抗壓強度分別提高160.6%、220.2%、179.4%，不同摻量的EA1均顯著提高1 d抗壓強度；3、7 d時，B1組抗壓強度略有降低，降低幅度均小于5.0%，B2、B3組抗壓強度略有提升，提升幅度均小于10.0%；14 d時，與基準組相比，各組UHPC抗壓強度變化較小，變化幅度均小于5%；28 d時，與基準組相比，B1、B2、B3的抗壓強度分別降低11.6%、4.7%、15.6%，不同摻量的EA1均降低28 d抗壓強度，B3組對28 d抗壓強度的降低作用最大.

對于摻EA2的UHPC，由圖3(b)可知，與基準組相比，齡期發(fā)展至1 d時，B4、B5、B6的抗壓強度分別提高175.2%、88.1%、67.4%，不同摻量的EA2均顯著提高1 d抗壓強度，但提高幅度低于同摻量的EA1；3 d時，B4、B5、B6的抗壓強度分別提高8.4%、7.3%、17.4%；7 d時，B4組抗壓強度基本不變，B5、B6組抗壓強度分別提高6.9%、5.5%；14 d時，B4、B6組抗壓強度基本不變，B5組抗壓強度提高4.8%；28 d時，B4、B5、B6組的抗壓強度分別降低4.8%、0.4%、9.8%，不同摻量的EA2均降低28 d抗壓強度，B6組對28 d抗壓強度的降低作用最大.綜上，膨脹劑的摻入雖然顯著提高UHPC早期抗壓強度，但卻降低UHPC的28 d抗壓強度，當膨脹劑摻量過大時，7、14、28 d的抗壓強度幾乎相同，后期強度發(fā)展停滯.

對于摻SRA的UHPC，由圖3(c)可知，與基準組相比，齡期發(fā)展至1、3 d時，C1、C2、C3組抗壓強度均低于基準組，1 d抗壓強度的降低幅度最高為50.9%，3 d抗壓強度的降低幅度最高為10.0%；7、14 d時，C3組抗壓強度基本不變，C1、C2組的7 d抗壓強度分別提高8.8%、3.1%，14 d抗壓強度分別提高5.2%、2.0%；28 d時，摻量較低的C1組抗壓強度基本不變，C2、C3組抗壓強度分別降低4.4%、7.1%，28 d抗壓強度隨SRA摻量增加不斷降低，C3組的降低作用最大.

圖3 不同齡期的抗壓強度Fig.3 Compressive strength at different ages

2.1.3 劈裂抗拉強度

圖4為單摻組UHPC的28 d劈裂抗拉強度.對于摻EA1、EA2的UHPC，由圖4(a)可知，與基準組相比，EA1質(zhì)量分數(shù)為6.0%、8.0%、10.0%時28 d劈裂抗拉強度分別增長43.7%、29.4%、0.5%；EA2質(zhì)量分數(shù)為4.0%、6.0%、8.0%時28 d劈裂抗拉強度分別增長22.0%、30.8%、20.6%，增長幅度低于同摻量的EA1.對于摻SRA的UHPC，由圖4(b)可知，與基準組相比，SRA質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、1.5%時28 d劈裂抗拉強度分別增長13.0%、38.6%、17.2%.隨著膨脹劑或減縮劑摻量的不斷增加，UHPC的28 d劈裂抗拉強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

圖4 28 d劈裂抗拉強度Fig.4 Splitting tensile strength at the age of 28 days

2.2 單摻組自收縮

圖5為單摻組的28 d自收縮發(fā)展曲線.由試驗曲線可知，各組UHPC自收縮曲線發(fā)展特點不同，但發(fā)展趨勢相似，根據(jù)自收縮發(fā)展速率的大小，可將28 d自收縮發(fā)展曲線大致劃分為3個階段：

1) 第1階段為測試起點至澆筑后22～34 h，此階段的UHPC自收縮發(fā)展速率均持續(xù)高于300×10-6/d，自收縮在短期內(nèi)急劇增長，迅速達到28 d自收縮的70.0%以上.

2) 第2階段為第1階段結(jié)束時間點至澆筑后3.3 d～6.5 d，此階段的自收縮發(fā)展速率多低于100×10-6/d，且自收縮發(fā)展速率逐漸降低，曲線趨于平緩.

3) 第3階段為第2階段結(jié)束時間點至澆筑后28 d，此階段的UHPC自收縮發(fā)展進入平穩(wěn)期，多數(shù)曲線中的自收縮變化較小，僅B6組自收縮在后期產(chǎn)生了大幅度下降.

圖5 單摻組自收縮發(fā)展曲線Fig.5 Development curve of autogenous shrinkage of single-doped group

對于摻EA1的UHPC，由圖5(a)(b)可知，在自收縮發(fā)展第1階段，不同摻量的EA1均對自收縮產(chǎn)生抑制作用，至第1階段結(jié)束時，B1、B2、B3組自收縮率分別為491×10-6、619×10-6、724×10-6，B1組減縮效果最佳；第2階段前期，UHPC內(nèi)部膨脹作用大于自干燥作用，試件產(chǎn)生短期“膨脹”，B1、B2、B3組膨脹率分別為72×10-6、121×10-6、109×10-6；第2階段后期，內(nèi)部膨脹作用小于自干燥作用，試件“膨脹”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆湛s”，自收縮回升，此時，B1組由于膨脹劑摻量較低而使得試件內(nèi)部膨脹作用微弱，因此自收縮增長速率較大，各測試點的增長速率多高于50×10-6/d，接近于同階段的基準組自收縮增長速率，B2、B3組中膨脹劑摻量較高，膨脹作用持續(xù)發(fā)展，因此自收縮增長速率均處于較低水平，增長速率多低于50×10-6/d，曲線上升緩慢；第3階段中，B1、B3組自收縮基本不變，B2組試件在18 d后緩慢膨脹，至28 d時的總膨脹率約為83×10-6.與基準組相比，B1、B2、B3組均顯著降低28 d自收縮，降低幅度分別為67.1%、77.1%、63.9%，B2組的28 d減縮效果最佳.

對于摻EA2的UHPC，由圖5(a)(b)可知，在自收縮發(fā)展第1階段，不同摻量的EA2均產(chǎn)生減縮效果，至第1階段結(jié)束時，B4、B5、B6組自收縮率分別為492×10-6、350×10-6、814×10-6，B5組減縮效果最佳；第2階段前期，與摻EA1的UHPC相似，各組試件均產(chǎn)生短期“膨脹”，B4、B5、B6組膨脹率分別為60×10-6、234×10-6、437×10-6，膨脹率隨EA2摻量增加而增加；第2階段后期，自收縮回升，B4組與B1組相似，由于膨脹劑摻量較低而出現(xiàn)自收縮回升較大的現(xiàn)象，其中，B4組曲線各測試點的回升速率多為20×10-6/d左右，回升速率低于B1，而此階段的B5組回升值較低，B6組曲線則基本未出現(xiàn)自收縮回升現(xiàn)象；第3階段中，B4、B5組自收縮基本不變，其28 d減縮率分別為72.6%、93.6%，B6組自收縮在9 d后持續(xù)降低，且降低速率持續(xù)增加，這是由于B6組膨脹劑摻量過大而導致膨脹能過大，此時UHPC已具有較高的強度，過大的膨脹會使UHPC內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，對于橋面板等結(jié)構(gòu)具有不利影響.

對比同摻量下的EA1、EA2收縮曲線可知，當摻量相同時，EA1在第1階段的減縮效果優(yōu)于EA2，但隨著自收縮持續(xù)發(fā)展，EA2在自收縮發(fā)展第2階段的短期“膨脹”較大，且自收縮回升較小，因此28 d減縮效果優(yōu)于EA1.綜上，膨脹劑摻量過低會使試件在自收縮發(fā)展第2階段的膨脹作用小、自收縮回升大，導致減縮效果差，而膨脹劑摻量過高則會加劇試件內(nèi)部自干燥作用，甚至導致后期膨脹能過大，增加UHPC內(nèi)部微缺陷，影響薄板類結(jié)構(gòu)的耐久性.合理的膨脹劑摻量可以使其膨脹作用發(fā)展與內(nèi)部自干燥作用發(fā)展相協(xié)調(diào)，在自收縮發(fā)展的各個階段持續(xù)發(fā)揮減縮作用.

對于摻SRA的UHPC，由圖5(c)(d)知，與摻EA1、EA2的UHPC自收縮曲線發(fā)展特點不同，摻SRA的UHPC自收縮曲線未出現(xiàn)短期“膨脹”現(xiàn)象.在自收縮發(fā)展第1、2階段，不同摻量SRA均產(chǎn)生減縮效果，自收縮發(fā)展至第2階段結(jié)束時間點時，減縮效果隨摻量增加而呈先增大后減小的趨勢；第3階段中，各組試件僅產(chǎn)生微小的膨脹或收縮，自收縮發(fā)展至28 d時，C1、C2、C3組減縮率分別為30.0%、26.3%、43.0%，質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%時減縮效果變化不大，摻量增至1.5%時，減縮率隨之增加.

2.3 雙摻組自收縮

圖6為雙摻組UHPC自收縮隨齡期發(fā)展曲線.由試驗曲線可知，雙摻后的自收縮曲線與單摻膨脹劑組的自收縮曲線發(fā)展特點相似，均在第2階段前期產(chǎn)生短期“膨脹”，其中，D1、D2、D3組膨脹率分別為90×10-6、241×10-6、279×10-6，不同點在于，與同摻量的單摻組相比，雙摻后的膨脹值更高，且雙摻組在短期“膨脹”后即快速達到平穩(wěn)狀態(tài)，未出現(xiàn)單摻膨脹劑組在第2階段后期產(chǎn)生的自收縮回升現(xiàn)象.

圖6 雙摻組自收縮發(fā)展曲線Fig.6 Development curve of autogenous shrinkage of double-doped group

由圖6(a)(b)可知，與基準組相比，單摻質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%(SRA)、4.0%(EA2)時28 d減縮率分別為43.0%、72.6%，兩者雙摻后的D1組減縮率為68.4%；單摻質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%(SRA)、6.0%(EA2)時28 d減縮率分別為43.0%、93.6%，雙摻后的D2組減縮率為87.4%；單摻質(zhì)量分數(shù)分別為1.0%(SRA)、6.0%(EA2)時28 d減縮率分別為26.3%、93.6%，雙摻后的D3組減縮率為73.5%.綜上，SRA與EA2雙摻后的減縮效果均高于單摻減縮劑組，低于單摻膨脹劑組，兩者未產(chǎn)生協(xié)同效應，這與Park等[16]關于UHPC自由收縮的試驗結(jié)果相似.

對比D1、D2組可知，對于雙摻組，當減縮劑摻量不變時，28 d減縮率隨膨脹劑摻量增加而增大；對比D2、D3組可知，當膨脹劑摻量不變時，28 d減縮率隨減縮劑摻量增加而增大.

3 結(jié)論

通過對摻膨脹劑、減縮劑UHPC的自收縮、基本力學性能及擴展度的試驗研究，可得到主要結(jié)論為：

1) 隨著單摻組中膨脹劑或減縮劑摻量的增加，UHPC擴展度不斷提升，與基準組相比，摻EA1、EA2、SRA的UHPC擴展度最高分別提升19.5%、23.0%、40.0%.

2) 單摻膨脹劑或減縮劑均降低UHPC的28 d抗壓強度，與基準組相比，摻EA1、EA2、SRA的28 d抗壓強度最高分別降低15.6%、9.8%、7.1%.

3) 與基準組、單摻減縮劑組相比，摻膨脹劑的UHPC均在齡期24 h左右時產(chǎn)生了短期“膨脹”，此后，單摻膨脹劑組中的多數(shù)UHPC產(chǎn)生不同程度的自收縮值回升，而雙摻組則快速到達平穩(wěn)期.

4) 與基準組相比，單摻膨脹劑或減縮劑均可有效抑制UHPC各階段的自收縮，在本試驗摻量范圍內(nèi)，EA1、EA2、SRA的最優(yōu)質(zhì)量分數(shù)分別為8.0%、6.0%、1.5%，對應的減縮率分別為76.7%、92.2%、48.3%，EA2質(zhì)量分數(shù)為6.0%時的減縮效果最佳.

5) EA2與SRA雙摻后的28 d減縮率高于對應的SRA單摻組，低于對應的EA2單摻組，28 d減縮率介于對應的2個單摻組之間，未產(chǎn)生協(xié)同效應.