膨脹劑種類及摻量對(duì)C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能的影響

吳紹見(jiàn)

(廣東長(zhǎng)大試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 511431)

自密實(shí)混凝土是近幾十年出現(xiàn)的一種新型建筑材料，具有流動(dòng)度大、不離析、均勻穩(wěn)定、不需要附加振搗即可密實(shí)填充等特性[1,2]。與普通混凝土不同，自密實(shí)混凝土配合比具有膠凝材料用量高、漿骨比高等特點(diǎn)，因此自密實(shí)混凝土同時(shí)存在干燥收縮相對(duì)較大，開(kāi)裂變形風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題[3-5]。

深中通道項(xiàng)目是世界級(jí)的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，是國(guó)家“十三五”重大工程和《珠三角規(guī)劃綱要》確定建設(shè)的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，工程施工難點(diǎn)高，工程質(zhì)量要求高。深中通道沉管隧道采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，國(guó)際上首次大規(guī)模使用。為確保鋼殼沉管混凝土良好的施工質(zhì)量，提高鋼殼沉管混凝土的密實(shí)填充性，深中通道各參建單位專家反復(fù)研究論證，提出開(kāi)展C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土干燥收縮抑制技術(shù)研究的需求。該文以深中通道沉管隧道用C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土為研究對(duì)象，對(duì)比研究了鈣鎂復(fù)合類膨脹劑(CME)、硫鋁酸鹽類膨脹劑(SE)、塑性膨脹劑(SP)對(duì)C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土自密實(shí)性能及干縮性能的影響，提出了對(duì)混凝土自密實(shí)性能影響較小且對(duì)28 d干燥收縮抑制最為顯著的膨脹劑摻用措施，解決了自密實(shí)混凝土收縮大的技術(shù)問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)低收縮自密實(shí)混凝土的配制及應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1)水泥：華潤(rùn)水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 PⅡ 42.5 硅酸鹽水泥，表面積宜控制在 355 m2/kg，堿含量0.20%，氯離子含量0.005%，3 d強(qiáng)度29.5 MPa，28 d強(qiáng)度 46.9MPa；2)粉煤灰：國(guó)家能源集團(tuán)某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，燒失量2.2%，45 μm篩篩余4%，需水比92%；3)礦粉：唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)?；郀t礦渣粉，7 d活性指數(shù) 80%，28 d活性指數(shù)97%，流動(dòng)度比 99%；4)減水劑(PCE)：聚羧酸系高性能減水劑，含固量35%，減水率35%；5)膨脹劑：分別為江蘇某外加劑廠生產(chǎn)的鈣鎂復(fù)合類膨脹劑(CME)，河北某廠生產(chǎn)的硫鋁酸鹽類膨脹劑(SE)，山東某廠生產(chǎn)的塑性膨脹劑(SP)；6)砂：Ⅱ區(qū)中砂，含泥量為0.3%，細(xì)度模數(shù)2.8； 7)碎石：深中專供石場(chǎng)生產(chǎn)的 5～10 mm和10～20 mm 級(jí)配反擊破碎石，壓碎值為9%，母巖強(qiáng)度115 MPa。

2 配合比及試驗(yàn)方法

2.1 配合比

技術(shù)文件要求C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度≥59 MPa，混凝土坍落擴(kuò)展度≥650 mm、V型漏斗通過(guò)試驗(yàn)<15 s，T500<5 s，倒置坍落度筒排空時(shí)間(倒筒時(shí)間)<5 s。C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表1，其中膠凝材料總量550 kg/m3，水膠比0.31，砂率0.5，粉煤灰占膠凝材料總質(zhì)量的比例為36%，礦粉占膠凝材料總質(zhì)量的比例為15%，減水劑摻量為1%。

表1 C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土基準(zhǔn)配合比 /(kg·m-3)

以基準(zhǔn)配合比為基礎(chǔ)，摻入不同種類及摻量膨脹劑的C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2，其中配合比A1、A2、A3對(duì)應(yīng)的塑性膨脹劑(SP)摻量分別為0.04%、0.08%及0.12%，配合比A4、A5、A6對(duì)應(yīng)的膨脹劑SE摻量分別為8%、9%及10%，配合比A7、A7、A9對(duì)應(yīng)的膨脹劑CME摻量分別為3%、4%及5%?？紤]到SE及CME膨脹劑的摻量普遍較高，為避免外摻膨脹劑時(shí)，粉體材料大量增加對(duì)混凝土拌合物性能及強(qiáng)度造成較大的影響，膨脹劑采用等量取代膠凝材料的方式，考慮到基準(zhǔn)配合比中水泥占比已經(jīng)很低(50%)，為確保混凝土的配制強(qiáng)度，采用膨脹劑等量取代粉煤灰的取代方式。

表2 C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土試驗(yàn)配合比 /(kg·m-3)

2.2 試驗(yàn)方法

1)混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080)進(jìn)行，測(cè)試混凝土的坍落擴(kuò)展度及1 h坍落擴(kuò)展度、T50、倒筒時(shí)間、V型漏斗通過(guò)時(shí)間。

2)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081)進(jìn)行，測(cè)試混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。

3)干燥收縮率試驗(yàn)方法參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能及力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082)進(jìn)行，測(cè)試混凝土的28 d干燥收縮率。

3 結(jié)果與討論

C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土基準(zhǔn)配合比及試驗(yàn)配合比拌合物性能、28 d抗壓強(qiáng)度及28 d干燥收縮率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

3.1 坍落擴(kuò)展度

由表1可知，配合比A9組初期坍落度為640 mm，不滿足技術(shù)要求，其他配合比均滿足技術(shù)要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土坍落擴(kuò)展度的增加，塑性膨脹劑SP的摻量越高混凝土初期坍落擴(kuò)展度越大，與基準(zhǔn)配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土初期坍落擴(kuò)展度分別增加1.4%、3.6%及4.3%；膨脹劑SE及CME對(duì)混凝土坍落擴(kuò)展度有抑制作用，SE及CME摻量越高混凝土初期坍落擴(kuò)展度越小，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土初期坍落擴(kuò)展度分別降低1.4%、2.9%及4.3%，CME摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土初期坍落擴(kuò)展度分別降低4.3%、5.8%及7.3%，相對(duì)而言，CME摻入后混凝土初期坍落擴(kuò)展度減小更明顯。

塑性膨脹劑SP的摻入會(huì)降低混凝土坍落擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)損失，塑性膨脹劑SP的摻量越高混凝土1 h坍落擴(kuò)展度越大，與基準(zhǔn)配合比相比，塑性膨脹劑SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土1 h坍落擴(kuò)展度分別增加2.2%、5.1%及5.9%；膨脹劑SE及CME的摻入會(huì)增加混凝土坍落擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)損失，SE及CME摻量越高混凝土1 h坍落擴(kuò)展度越小，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土1 h坍落擴(kuò)展度分別降低2.9%、5.9%及8.8%，EA2摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土1 h坍落擴(kuò)展度分別降低5.9%、8.8%及16.2%，相對(duì)而言，CME摻入后混凝土坍落擴(kuò)展度損失更明顯。

研究表明[6，7]，塑性膨脹劑摻入后會(huì)釋放少量的微氣泡，提升混凝土的含氣量，改善混凝土的和易性，提升混凝土的坍落度。SE及CME膨脹劑取代粉煤灰后，減弱了粉煤灰的“微集料”及“滾珠”作用[8，9]，混凝土坍落擴(kuò)展度降低。同時(shí)，膨脹劑SE及CME需要與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后才能發(fā)揮作用，隨著膨脹劑作用的發(fā)揮，混凝土中對(duì)流動(dòng)度起正面作用的自由水減少，混凝土坍落擴(kuò)展度降低。

3.2 T500及倒筒時(shí)間

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，配合比A5、A6、A8及A9組T500均大于5 s，不滿足技術(shù)要求，其他配合比均滿足技術(shù)要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土T500的降低，混凝土T500隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加先降低后保持不變，與基準(zhǔn)配合比相比，塑性膨脹劑SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土T500分別降低0、33.3%及33.3%；膨脹劑SE及CME的摻入會(huì)增加混凝土的T500，SE及CME摻量越高混凝土T500越大，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土T500分別增加33.3%、100%及166.7%，CME摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土T500分別增加66.7%、133.3%及233.3%，相對(duì)而言，CME摻入后混凝土T500增加更明顯。

配合比A5、A6、A7、A8及A9組倒筒時(shí)間均大于5 s，不滿足技術(shù)要求，其他配合比均滿足技術(shù)要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土倒筒時(shí)間的降低，混凝土倒筒時(shí)間隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加而降低，與基準(zhǔn)配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土倒筒時(shí)間分別降低25%、25%及50%；膨脹劑的摻入會(huì)增加混凝土的倒筒時(shí)間，SE及CME摻量越高混凝土倒筒時(shí)間越大，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土倒筒時(shí)間分別增加25%、50%及125%，CME摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土倒筒時(shí)間分別增加50%、75%及175%，相對(duì)而言，CME摻入后混凝土倒筒時(shí)間增加更明顯。

研究表明，塑性膨脹劑SP摻入后混凝土的含氣量增加，混凝土粘度降低，混凝土T50及倒筒時(shí)間降低。如前所述，SE及CME膨脹劑取代粉煤灰后，減弱了粉煤灰的“微集料”及“滾珠”作用，同時(shí)膨脹劑對(duì)自由水的吸收等原因?qū)е禄炷亮鲃?dòng)粘度增加，T500及倒筒時(shí)間增大。

3.3 V型漏斗通過(guò)時(shí)間

C50鋼殼沉管自密實(shí)混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，配合比A9組V型漏斗通過(guò)時(shí)間大于15 s，不滿足技術(shù)要求，其他配合比均滿足技術(shù)要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間的降低，混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加逐漸降低，與基準(zhǔn)配合比相比，塑性膨脹劑SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間分別降低10%、20%及30%；膨脹劑SE及CME的摻入會(huì)增加混凝土的V型漏斗通過(guò)時(shí)間，SE及CME摻量越高混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間越大，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間分別增加10%、30%及50%，CME摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間分別增加20%、50%及70%，相對(duì)而言，CME摻入后混凝土V型漏斗通過(guò)時(shí)間增加更明顯。

3.4 28 d抗壓強(qiáng)度

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，除A3組配合比外其他各組配合比的28 d抗壓強(qiáng)度均滿足技術(shù)要求。塑性膨脹劑SP摻入后混凝土28 d抗壓強(qiáng)度下降，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加逐漸降低，與基準(zhǔn)配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別下降1.1%、2.7%及5.8%；膨脹劑SE及CME的摻入可增加混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，SE及CME摻量越高混凝土28 d抗壓強(qiáng)度越大，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別增加2.3%、3.7%及5.5%，CME摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別增加1.0%、1.5%及2.1%，相對(duì)而言，SE摻入后混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增加更明顯。

塑性膨脹劑SP對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的降低可能與其 “引氣”作用有關(guān)，塑性膨脹劑SP摻入后混凝土的引氣作用降低了混凝土的密實(shí)程度，混凝土抗壓強(qiáng)度降低[10，11]。

3.5 28 d干燥收縮率

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土28 d干燥收縮率的降低，混凝土28 d干燥收縮率隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加逐漸降低，與基準(zhǔn)配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時(shí)，混凝土28 d干燥收縮率分別降低34.5%、41.7%及51.1%；膨脹劑SE及CME的摻入會(huì)降低混凝土的28 d干燥收縮率，SE及CME摻量越高混凝土28 d干燥收縮率越小，與基準(zhǔn)配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時(shí)，混凝土28 d干燥收縮率分別降低22.9%、35.0%及49.8%，CME摻量分別為3%、4%及5%時(shí)，混凝土28 d干燥收縮率分別降低18.4%、23.3%及31.8%，相對(duì)而言，塑性膨脹劑SP摻入后混凝土28 d干燥收縮率降低更明顯。不同膨脹劑對(duì)混凝土干燥收縮的抑制則主要與其補(bǔ)償收縮作用有關(guān)[14，15]。

綜合考慮不同膨脹劑對(duì)混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度及28 d干燥收縮率影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，在拌合物性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，塑性膨脹劑SP摻量為0.08%時(shí)，混凝土的拌合物性能最優(yōu)，28 d抗壓強(qiáng)度滿足技術(shù)指標(biāo)要求，28 d干燥收縮率最低。

4 結(jié) 論

a.在拌合物性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，塑性膨脹劑SP摻量為0.08%時(shí)，混凝土的拌合物性能最優(yōu)，28 d抗壓強(qiáng)度滿足技術(shù)指標(biāo)要求，28 d干燥收縮率最低，此時(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度為715 mm，T500為2 s，倒筒時(shí)間為3 s，V型漏斗通過(guò)時(shí)間為8 s，28 d抗壓強(qiáng)度60.2 MPa，28 d干燥收縮率130×10-6。

b.塑性膨脹劑SP的摻入可提高混凝土的初期及1 h坍落擴(kuò)展度，降低混凝土的T500、倒筒時(shí)間及V型漏斗通過(guò)時(shí)間，降低混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，降低混凝土的28 d干燥收縮率，SP摻量越高對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響越顯著，SP摻量為0.12%時(shí)對(duì)混凝土各項(xiàng)性能影響最明顯。

c.膨脹劑SE的摻入可降低混凝土的初期及1 h坍落擴(kuò)展度，增加混凝土的T500、倒筒時(shí)間及V型漏斗通過(guò)時(shí)間，提高混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，降低混凝土的28 d干燥收縮率，SE摻量越高對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響越顯著，SE摻量為10%時(shí)對(duì)混凝土各項(xiàng)性能影響最明顯。

d.膨脹劑CME的摻入可降低混凝土的初期及1 h坍落擴(kuò)展度，增加混凝土的T500、倒筒時(shí)間及V型漏斗通過(guò)時(shí)間，提高混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，降低混凝土的28 d干燥收縮率， CME摻量越高對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響越顯著， CME摻量為5%時(shí)對(duì)混凝土各項(xiàng)性能影響最明顯。