減縮組分對超高性能混凝土性能的影響

呂健，閆晶晶

（1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

UHPC由于極低水膠比和大量膠材的使用，會產(chǎn)生顯著的體積穩(wěn)定性問題，主要表現(xiàn)在自收縮和干燥收縮方面。與普通混凝土不同，UHPC的自收縮占總收縮的比例較大，干燥收縮則較小。UHPC的收縮會引發(fā)貫穿型裂縫，對混凝土材料及結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生嚴重損害。使用膨脹劑、塑性膨脹劑和減縮劑等是減小UHPC收縮的常用方法。

目前關(guān)于如何降低UHPC自收縮仍然是研究的重點與熱點。為了在保證UHPC強度的基礎(chǔ)上，大幅降低UHPC的自收縮，以膨脹劑、塑性膨脹劑、膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)摻為變量，研究其對UHPC流動性、自收縮以及力學性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所用水泥為小野田52.5 P·Ⅱ水泥，密度為3.17 g/cm3；摻合料為江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的SBT-HDC，密度為2.58 g/cm3；減水劑（SP）為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，含固量為30%；細集料為最大粒徑1.18 mm的潔凈河砂；膨脹劑為日本DENKA HPCSA，比表面積為280 m2/kg；塑性膨脹劑為上海三瑞高分子材料股份有限公司生產(chǎn)的黃色固體粉末。

試驗研究膨脹劑、塑性膨脹劑及膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)配對UHPC工作性、干燥收縮以及力學性能（抗壓、抗折強度）的影響。配合比見表1。

表1 配合比 單位：kg/m3

1.2 試驗方法

1.2.1 流動度

UHPC砂漿流動度參考GB/T 2419《水泥膠砂流動度測定方法》，所用試驗裝置為高60 mm、上口內(nèi)徑70 mm和下口內(nèi)徑100 mm的截錐試模。

1.2.2 自收縮

自收縮測試采用25 mm×25 mm×280 mm的試件，每組3個。將拌和物澆筑試模中后，置于（20±2）℃的試驗室內(nèi)。20 h拆模，先用石蠟涂刷試件表面，然后再用鋁箔包裹密封。所有試件先置于溫度為（20±2）℃、相對濕度為（60±2）%的環(huán)境中約4 h，再測定其長度變形，即為初長。初長測試后，放置于溫度為（20±2）℃、相對濕度為（60±5）%的環(huán)境中，每隔一定時間再進行長度測試。試件收縮率計算公式如式（1）所示。

式中，εt：t天的收縮值，t從測定初始長度時算起；Lb：測量標距，等于兩測頭內(nèi)側(cè)的距離（mm）；L0：試件初長（mm）；Lt：t天的長度讀數(shù)（mm）。

1.2.3 力學性能

UHPC抗壓與抗折強度依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,測定齡期為標養(yǎng)3 d、28 d以及90℃水養(yǎng)48 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動度

圖1為不同配比下UHPC砂漿的流動度測試結(jié)果。結(jié)果表明：與基準組（A0）相比，膨脹劑的引入降低了UHPC砂漿的流動度，且隨膨脹劑摻量的增加，流動度明顯降低；而塑性膨脹劑、膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)摻的引入對UHPC砂漿的初始流動度基本沒有影響。由于膨脹劑的主要組分為氧化鈣，其遇水迅速反應(yīng)，顯著減少了極低水膠比中的自由水，從而導致流動性降低[1]。即當膨脹劑摻量為膠材質(zhì)量的3%時，流動度下降13.5%，降至225 mm。塑性膨脹劑的作用機理在于：在堿性條件下與水反應(yīng)緩慢產(chǎn)生氣體。由于其摻量少，有一定的耐水解性，且攪拌時間短，塑性膨脹劑與水反應(yīng)有限，所以導致塑性膨脹劑對UHPC砂漿的流動性幾乎沒有影響[2-3]。PS組由于較低的膨脹劑和塑性膨脹劑用量，導致砂漿流動度僅降低了2%，甚至可以視為誤差范圍內(nèi)，在該摻量下，膨脹劑與塑性膨脹劑也基本不會影響UHPC砂漿的初始流動度。

圖1 不同配比UHPC砂漿的流動度

2.2 自收縮

圖2為UHPC砂漿至90 d齡期的收縮率值計算結(jié)果。整體而言，UHPC在14 d齡期內(nèi)的收縮發(fā)展較快，而28 d之后，收縮發(fā)展變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。對于減縮組分，由于膨脹劑有氧化鈣（CaO）和硫鋁酸鈣兩種礦物膨脹源，其中主要為CaO與拌和水反應(yīng)生成Ca（OH）2產(chǎn)生膨脹，穩(wěn)定性高；但UHPC極少自由水與大量膠材的使用，使得膨脹劑與膠凝組分競爭吸水，未反應(yīng)的膨脹劑可以留在基體內(nèi)，隨著水化的持續(xù)進行以及外界水分的進入，膨脹劑可以在較長齡期內(nèi)產(chǎn)生膨脹效果[4]。而塑性膨脹劑遇水可以產(chǎn)生均勻密集分布的含有氮類、乙炔等混合型氣體的細小氣泡，使得UHPC主要在塑性階段產(chǎn)生膨脹[5]。因此，塑性膨脹劑在早期具有很低的收縮值（圖2（b）），且隨摻量的增加，早期減縮效果越明顯；但在長齡期下，膨脹劑的減縮效果優(yōu)于塑性膨脹劑，3%膨脹劑的90 d收縮＜200με。對于膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)摻，在適當摻量下，可以在早齡期和長齡期下同時達到良好的減縮效果，即PS組的1 d收縮僅高于S0.5，而90 d的收縮也僅高于P3，能夠控制在300με以下。

圖2 不同UHPC配合比的干燥收縮結(jié)果

2.3 力學性能

減縮組分對UHPC砂漿抗壓、抗折強度的影響如圖3所示。從圖3（a）可以看出，UHPC的早期強度發(fā)展較快，3 d強度達到80 MPa以上；而后期強度發(fā)展較慢，28 d強度為120 MPa。對于不同減縮組分而言，與A0相比，在標養(yǎng)條件下，膨脹劑對抗壓強度的影響較小，數(shù)值波動基本在試驗誤差范圍內(nèi)。塑性膨脹劑對UHPC強度的影響在于：早期強度降低明顯，后期強度基本達到膨脹劑水平。這是因為塑性膨脹劑在早期引入大量氣泡時導致基體缺陷增加，從而降低強度；而隨著基體水化的持續(xù)進行，水化產(chǎn)物的生長以及基體的逐漸密實，會減少氣泡帶來的不利影響，從而使得后期強度提升。在90℃蒸養(yǎng)條件下，膨脹劑對抗壓強度的負面影響迅速體現(xiàn)。與標養(yǎng)中持續(xù)可控的膨脹歷程相比，90℃蒸養(yǎng)帶來的高溫和額外水分使得膨脹劑迅速、不可控地膨脹，導致基體強度的發(fā)展與膨脹劑發(fā)展不均衡，造成抗壓強度明顯降低，蒸養(yǎng)后的P2和P3強度分別降低了6%和11%。與此相反，塑性膨脹劑由于摻量小，且發(fā)泡膨脹在早期，90℃蒸養(yǎng)帶來的高溫、水分主要用于促進基體的進一步水化以及孔隙等缺陷的減少，因此，摻塑性膨脹劑的UHPC蒸養(yǎng)后的抗壓強度反而會有更高的提升，S0.3和S0.5的抗壓強度可達135 MPa和132 MPa?；谏鲜雠蛎泟┖退苄耘蛎泟箟簭姸鹊挠绊懀蛎泟┡c塑性膨脹劑復(fù)摻可使UHPC在早期、長齡期以及蒸養(yǎng)條件下均能獲得較高的抗壓強度，PS在3 d、28 d和90℃蒸養(yǎng)條件下強度分別為85 MPa、120 MPa和131 MPa。

膨脹劑和塑性膨脹劑的引入會降低UHPC砂漿抗折強度，但影響規(guī)律與抗壓強度基本一致，如圖3（b）所示。標準養(yǎng)護條件下，膨脹劑使得UHPC抗折強度出現(xiàn)小幅下降；塑性膨脹劑可以降低UHPC砂漿的早期強度，但后期強度逐漸恢復(fù)。在蒸養(yǎng)條件下，膨脹劑破壞基體密實度以及引入塑性膨脹劑，使得P2、P3的抗折強度明顯降低，而S0.3和S0.5的抗折強度恢復(fù)至較高水平。膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)摻則使UHPC在3 d、28 d和90℃蒸養(yǎng)條件下強度達到7.5 MPa、14.5 MPa和17.2 MPa的較高水平。

圖3 力學性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）膨脹劑能夠降低UHPC砂漿的流動度，且和摻量呈正相關(guān)；塑性膨脹劑、膨脹劑與塑性膨脹劑（適當摻量）復(fù)摻并不影響其初始流動度。

（2）UHPC早期收縮發(fā)展較快，后期收縮發(fā)展變慢。塑性膨脹劑的減縮效果主要集中在極早期，在長齡期下，膨脹劑的減縮效果最好；在適當摻量下，膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)摻能同時減少早齡期和長齡期下的減縮。

（3）膨脹劑和塑性膨脹劑的引入會在一定程度上降低UHPC砂漿的抗壓、抗折強度。膨脹劑在標養(yǎng)條件下，UHPC抗壓、抗折強度出現(xiàn)小幅下降，但在蒸養(yǎng)條件下，強度下降明顯。塑性膨脹劑主要降低UHPC砂漿早期強度，而對后期強度無明顯影響。適當摻量下，膨脹劑與塑性膨脹劑復(fù)摻能使UHPC力學性能維持在較高水平。