膨脹劑摻量對(duì)自密實(shí)膨脹混凝土的影響研究

陳振侃 羅永強(qiáng) 時(shí) 權(quán) 張靜媛 沙稚鈞 肖 杰

（1 廣州交通投資集團(tuán)有限公司營(yíng)運(yùn)分公司；2 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

0 引言

自密實(shí)混凝土（Self Compacting Concrete，簡(jiǎn)稱SCC）最早是上世紀(jì)八十年代中期由日本研究人員Okamura 進(jìn)行試驗(yàn)研究得出，他在進(jìn)行試驗(yàn)之后得出了SCC的配合比，并成功將其制備出來(lái)[1]。SCC 具有免于振搗，降低噪音，同時(shí)避免混凝土分布不均等問(wèn)題。Frank Dehn[2]對(duì)SCC 進(jìn)行配合比調(diào)整試驗(yàn)之后，了解到添加粉煤灰能夠促進(jìn)SCC 早期強(qiáng)度發(fā)展。

自1957 年以來(lái)，我國(guó)先后有五種以上的膨脹混凝土得到推廣使用[3]，且到目前為止已成為膨脹混凝土使用量最多的國(guó)家[4]。李方賢[5]等使用自制氧化鎂膨脹劑制備了C50 微膨脹混凝土，并對(duì)其性能進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，外摻約6%的氧化鎂對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度不會(huì)造成不利影響，且能夠使混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，體積膨脹穩(wěn)定，也使混凝土與鋼管之間的變形具有載好的協(xié)調(diào)性。任亞楠等[6]研究表明對(duì)于約束條件相同的混凝土試件，適當(dāng)?shù)呐蛎泟┛墒蛊淇箟簭?qiáng)度得到一定程度的提高。近年來(lái)，鋼管膨脹混凝土已成為國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。祁璐帆等[7]就膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土軸壓徐變和內(nèi)力重分布的影響進(jìn)行了研究，表明鋼管混凝土徐變隨膨脹劑摻量的增加而減小的特點(diǎn)。李悅等[8]研究了鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土的力學(xué)性能和膨脹性能，表明摻加10%～20%的膨脹劑使鋼管混凝土的承載能力提高了7%左右。王湛[9]對(duì)鋼管膨脹混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后得出膨脹混凝土產(chǎn)生的膨脹使核心混凝土在受荷之前處于三向約束狀態(tài)，從而可以避免鋼管與核心混凝土在加荷初期的逐漸分離傾向，使鋼管的緊箍效應(yīng)得以充分發(fā)揮,從而提高組合結(jié)構(gòu)的承載力。陳兵等[10]認(rèn)為在一定膨脹劑摻量條件下，方鋼管膨脹混凝土的極限承載力比方鋼管普通混凝土提高了15%，并且方鋼管膨脹混凝土的抵抗變形的能力優(yōu)于方鋼管普通混凝土。

1 試驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

采用內(nèi)摻法進(jìn)行自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，目標(biāo)C40、C60、C80。在實(shí)際適配過(guò)程中，膨脹劑按照4%、8%、12%、16%比例替代同質(zhì)量水泥。制備自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土主要需要滿足流動(dòng)性以及膨脹率兩方面的要求。自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性強(qiáng)但是收縮較大，因此需要摻入膨脹劑補(bǔ)償收縮，但膨脹劑摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂以及強(qiáng)度降低。為了得到最合適的自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比，需要對(duì)混凝土進(jìn)行膨脹率測(cè)試、擴(kuò)展度測(cè)試以及標(biāo)準(zhǔn)立方體的7 天、28 天強(qiáng)度測(cè)試，在澆筑試件時(shí)采用效果最好的配合比。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

細(xì)骨料：選取級(jí)配為0.25～0.35 的細(xì)砂，在實(shí)驗(yàn)之前會(huì)晾曬以保證其干燥。

粗骨料：選取級(jí)配為5～15mm 的石子，并在試配之前通過(guò)相應(yīng)尺寸的篩網(wǎng)進(jìn)行二次篩選，清洗石子表面的塵土并曬干，確保粗骨料的級(jí)配符合需要。

水：選取廣州市番禺區(qū)自來(lái)水。

減水劑：西卡公司的聚羧酸減水劑。

水泥：P·O42.5 水泥，P·II52.5R 水泥。

膨脹劑：中建牌AUA 高效混凝土膨脹劑，此膨脹劑達(dá)到了《混凝土膨脹劑》GB/T 23439－2017 的要求，同時(shí)具有不影響流動(dòng)性、不降低混凝土強(qiáng)度抗裂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

粉煤灰：一級(jí)粉煤灰。

表1 膨脹劑的技術(shù)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

選用DYE-3000 型數(shù)字式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試。詳見(jiàn)圖1。

圖1 DYE- 3000 型數(shù)字壓力試驗(yàn)機(jī)

進(jìn)行混凝土的限制膨脹率測(cè)試時(shí)，需要使用縱向限制器以及標(biāo)準(zhǔn)比長(zhǎng)儀，在測(cè)試中選用的是ISOBY-354 標(biāo)準(zhǔn)比長(zhǎng)儀。詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 縱向限制器

圖3 ISOBY- 354 標(biāo)準(zhǔn)比長(zhǎng)儀

1.4 試件制備

要測(cè)試各種配合比條件下的流動(dòng)性、強(qiáng)度、膨脹率以及劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量，因此需要制備三種試件，分別為150mm×150mm×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方試塊、100mm×100mm×300mm 的限制膨脹率測(cè)試試件以及直徑150mm×300mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行濕水養(yǎng)護(hù)測(cè)試其7d、28d 強(qiáng)度，每組配合比6 個(gè)試件總計(jì)90 個(gè)。限制膨脹率測(cè)試試件在初凝之后立即拆模并放置在水中養(yǎng)護(hù)7d、并在空氣中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)21d。測(cè)試其3d、7d、14d 以及28d 的限制膨脹率，總計(jì)15 個(gè)試件。在制備自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，分成兩個(gè)步驟，首先制備出符合條件的自密實(shí)混凝土，再用膨脹劑代替同質(zhì)量水泥進(jìn)行適配。自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土（Self Compacting Expansive Concrete,簡(jiǎn)稱為SCEC）配合比詳見(jiàn)表2、表3 和表4。

2 材料性能測(cè)試

2.1 擴(kuò)展度

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50081－2019）和《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080－2016）對(duì)試拌混凝土進(jìn)行了擴(kuò)展度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。測(cè)試自密實(shí)混凝土限制膨脹率的方法是：將擦拭干凈的試塊放入已經(jīng)安放好千分表的標(biāo)準(zhǔn)比長(zhǎng)儀內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。

表2 C40 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比

表3 C60 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比

表4 C80 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)三種自密實(shí)混凝土采用不同摻量的膨脹劑來(lái)替代水泥對(duì)混凝土的擴(kuò)展度有明顯的影響。從表5 和表6 可以看出，在膨脹劑的摻量為12%時(shí)，擴(kuò)展度達(dá)到峰值，當(dāng)摻量開(kāi)始到達(dá)16%的時(shí)候，混凝土的擴(kuò)展度開(kāi)始下降。從表7 可以看出，對(duì)于C80 強(qiáng)度的自密實(shí)膨脹混凝土來(lái)說(shuō)，它的擴(kuò)展度是隨著膨脹劑的摻量而上升的，但上升的幅度隨著摻量的增加而減緩?？梢哉J(rèn)為，C60 強(qiáng)度的自密實(shí)混凝土對(duì)應(yīng)最大擴(kuò)展度的摻量在16%附近。從三種混凝土配合比摻加不同摻量膨脹劑的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在摻量不大的情況下，添加膨脹劑對(duì)提高混凝土的擴(kuò)展度是有幫助的，但摻量過(guò)大的時(shí)候，擴(kuò)展度反而會(huì)降低。

表5 C40 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土擴(kuò)展度

表6 C60 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土擴(kuò)展度

2.2 抗壓強(qiáng)度

從表8、表9 和表10 可以看出，隨著膨脹劑摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度減小?？傮w來(lái)講，三種強(qiáng)度的混凝土在膨脹劑摻量為0%、4%和8%的情況下，7 天抗壓強(qiáng)度差別不大，但當(dāng)摻量達(dá)到12%和16%的時(shí)候，7 天抗壓強(qiáng)度有明顯的回落。其中強(qiáng)度設(shè)計(jì)越小的混凝土，7 天強(qiáng)度下降的比例越大。對(duì)于28 天的強(qiáng)度而言，膨脹劑摻量在0%、4%和8%以內(nèi)的，強(qiáng)度會(huì)稍有下降，但當(dāng)摻量達(dá)到12%和16%時(shí)，強(qiáng)度下降明顯，幅度較大。三種強(qiáng)度的混凝土當(dāng)膨脹劑摻量達(dá)到12%和16%時(shí)，28 天強(qiáng)度均無(wú)法達(dá)到設(shè)定的強(qiáng)度值。故，對(duì)于抗壓強(qiáng)度這個(gè)參數(shù)而言，膨脹劑的摻量以少為宜，且從三個(gè)表格的數(shù)據(jù)可以看出，摻量為8%的膨脹劑最為容易接受。

表7 C80 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土擴(kuò)展度

表8 C40 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度

表9 C60 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度

表10 C80 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 限制膨脹率

三種自密實(shí)膨脹混凝土分別在膨脹劑等質(zhì)量代替4%、8%、12%、16%的水泥的情況下，混凝土在各期齡（3天、7 天、14 天、28 天）限制膨脹率如表11、表12 和表13 所示，當(dāng)限制膨脹率的數(shù)值為正值時(shí)，說(shuō)明混凝土膨脹大于收縮，混凝土處于膨脹狀態(tài)；當(dāng)限制膨脹率的數(shù)值為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明混凝土收縮大于膨脹，混凝土處于收縮狀態(tài)；當(dāng)限制膨脹率的數(shù)值為零值時(shí)，說(shuō)明混凝土的膨脹抵消收縮。從表11、表12 和表13 可知C40 在膨脹劑摻量為0%和4%的情況下各齡期均處于收縮狀態(tài)，由于膨脹劑摻量不足，導(dǎo)致膨脹劑的膨脹效果不能很好的抵償混凝土的收縮。C60 和C80 在膨脹劑摻量為4%以上時(shí)，混凝土都處于膨脹狀態(tài)，膨脹劑的膨脹效果較好的抵御了自密實(shí)混凝土的收縮特性。但是，過(guò)度添加膨脹劑也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效果，在膨脹劑摻量達(dá)到12%和16%的時(shí)候，混凝土出現(xiàn)了開(kāi)裂甚至松散的狀況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了C40、C60 以及C80 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的配合比。

表11 C40 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率

表12 C60 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率

表13 C80 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率

⑴流動(dòng)性方面：采用8%、12%和16%代替等質(zhì)量水泥的流動(dòng)性比不采用膨脹劑和采用4%膨脹劑的流動(dòng)性要明顯要好。但采用8%、12%和16%的膨脹劑來(lái)代替同質(zhì)量水泥的配合比的流動(dòng)性相差不大，甚至有采用8%的拌合物流動(dòng)性比16%拌合物好的情況。

⑵強(qiáng)度方面的影響：隨著摻雜膨脹劑的比例增大，三種設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土都在減小。但是膨脹劑和強(qiáng)度之間的關(guān)系不是線性相關(guān)的，在膨脹劑2 摻量大于8%后，強(qiáng)度下降幅度就會(huì)大幅增大。而摻量在8%的膨脹劑與不摻膨脹劑或摻4%膨脹劑的混凝土強(qiáng)度相差不大。

⑶膨脹率方面的影響：三種配合比，當(dāng)摻膨脹劑的比例在4%及以下的時(shí)候，膨脹率過(guò)低，甚至有出現(xiàn)小于0（收縮）的情況，達(dá)不到膨脹的效果。而當(dāng)膨脹劑的摻雜比例大于8%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)膨脹率過(guò)高，可能存在開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在綜合考慮了強(qiáng)度、流動(dòng)性以及膨脹率三方面的因素之后，最終選擇40-M8、60-M8 以及80-M8 為最優(yōu)配合比。