膨脹混凝土早齡期變形及力學性能試驗研究

汪洋，王育江，2，李華，2

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103；2.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

0 前言

近年來，為解決混凝土易收縮開裂的缺陷，用膨脹劑配制補償收縮混凝土已成為減少其結構開裂的重要措施之一[1]。研究表明[2-3]，粉煤灰、礦粉等礦物摻合料的火山灰效應以及微集料填充效應可使混凝土具有低滲透性、高致密性和均勻化的孔結構等優(yōu)點，而膨脹劑作為一種新型礦物摻合料，亦具有良好的補償收縮、增密等效果。因此，當粉煤灰、礦粉等礦物摻合料與膨脹劑復摻時，可更充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，制備出性能良好的高性能混凝土。

美國混凝土協(xié)會ACI[4]中將混凝土早齡期定義為混凝土澆筑成型后7 d內的齡期，此期間內混凝土性能快速變化。而混凝土的早齡期力學性能隨齡期的延長快速變化，對混凝土結構耐久性具有至關重要的意義[5]。當混凝土的早齡期強度、彈性模量等力學性能較差時，結構在早期溫度應力、干縮應力和自收縮應力的作用下產生微裂縫的概率將大大增加，使結構的耐久性和工作壽命受到嚴重影響[6]。且混凝土早期開裂主要由自收縮變形所引起，混凝土一旦開裂后抵抗?jié)B透能力大幅降低，引起滲漏等問題，嚴重影響構筑物服役功能。由于現(xiàn)代混凝土高膠凝材料用量與低水膠比，使得膠凝材料水化作用導致的內部干燥會引起較大自收縮，且這種自收縮變形在混凝土早齡期發(fā)展很快[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)[7]，混凝土1 d齡期時的自收縮值占28 d自收縮值的35%，3 d齡期時的自收縮值甚至占28 d自收縮值的60%。因此，對于混凝土早齡期力學性能及自收縮變形的研究顯得尤為重要。

國內外學者針對摻混合料膨脹混凝土早齡期變形及力學性能進行了較深入的研究。Xu等[9]對不同養(yǎng)護溫度下大摻量粉煤灰和礦粉混凝土早齡期水化過程和力學性能進行了研究，結果表明，粉煤灰和礦粉摻入后，其稀釋作用和填充作用加速了水泥早期水化，而混凝土早齡期強度發(fā)展情況則需考慮混合料的水化進程來修正其活化能。謝彪等[10]的研究表明，膨脹效能可評判補償收縮混凝土的膨脹性能，且礦物摻合料對補償收縮混凝土膨脹效能的發(fā)揮影響顯著，當下急需完善不同種類礦物摻合料作用機理方面的研究，特別是對混凝土不同階段收縮影響機理的研究。李紅梅等[11]對不同膨脹劑摻量及不同齡期時混凝土的彈性模量進行了試驗研究，結果表明，膨脹混凝土早齡期的彈性模量較低，28 d后彈性模量逐步趕上并超過基準混凝土，膨脹劑的適宜摻量為10%。

綜上所述，盡管當前對膨脹混凝土力學性能及變形進行了大量研究，但對粉煤灰、礦粉等混合料與膨脹劑復摻時混凝土變形及力學性能的研究尚少，仍沒有較系統(tǒng)地研究不同種類混合料作用下對膨脹混凝土強度、彈模及變形的影響，且對于科學評價礦物摻合料與膨脹劑間適應性等方面還需深入分析。尤其是膨脹混凝土早齡期階段，水泥快速水化，混凝土強度快速增長，其力學性能和內部微觀結構都相應發(fā)生較大變化，故仍需對其力學性能及變形的影響因素與變化過程進行更精細、系統(tǒng)的研究。本文在單摻粉煤灰、礦粉及復摻粉煤灰、礦粉條件下，研究了膨脹混凝土早齡期力學性能及變形的影響因素，完善混凝土膨脹性能的調控機制，以期豐富有效提高膨脹混凝土早齡期性能的方法，為膨脹混凝土在各種工程中的應用和發(fā)展提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥（C）：海螺水泥有限公司產，P·O42.5，標準稠度用水量27.6%，3、28 d抗折強度分別為6.7、9.0 MPa，3、28 d抗壓強度分別為34.2、54.9 MPa，主要化學成分見表1。

（2）粉煤灰（FA）：南京熱電廠，Ⅰ級，密度2.35 g/cm3，比表面積516 m2/kg，燒失量1.12%，細度8.9%，主要化學成分見表1。

（3）礦粉（SL）：江南粉磨公司，S95級，密度2.82 g/cm3，比表面積411 m2/kg，燒失量1.12%，主要化學成分見表1。

（4）膨脹劑（EA）：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產HME-Ⅴ混凝土高效膨脹劑，為氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》Ⅱ型要求，主要化學成分見表1。

表1 原材料的主要化學成分 %

（5）砂（S）：南京地區(qū)河砂，細度模數(shù)2.60，含泥量0.43%。

（6）石（G）：江蘇句容產玄武巖碎石，由5～10 mm小石（G1）和10～20 mm大石（G2）按質量比4∶6混合使用，表觀密度2933 kg/m3。

（7）減水劑（AD）：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產PCA-Ⅶ聚羧酸高效減水劑，固含量40%，摻量為1%時減水率為35%。

（8）水（W）：自來水。

1.2 試驗配合比設計

本文主要探討礦物摻合料對膨脹混凝土早齡期力學性能及變形的影響規(guī)律，選取純水泥體系膨脹混凝土、單摻30%粉煤灰膨脹混凝土、單摻30%礦粉膨脹混凝土及復摻20%粉煤灰+20%礦粉膨脹混凝土為研究對象，制備水膠比0.38、砂率40%的C40膨脹混凝土，并與未摻膨脹劑的普通混凝土進行對比。試驗中，膨脹劑摻量選取時，如膨脹劑摻量較少則難以滿足混凝土抗裂性需求，若摻量較大，則又要考慮材料成本和結構安全性等的要求。因此，考慮到經濟性及膨脹劑性能改善的雙重效益，并借鑒已有文獻的相關經驗[12-13]，在符合GB J50119—2003《混凝土膨脹劑應用技術規(guī)范》中膨脹劑摻量要求的前提下，本試驗選擇混凝土膨脹劑摻量為8%進行，考察混凝土2、3、7、28 d齡期力學性能和變形特性的影響因素?；炷辆唧w配合比如表2所示。

表2 試驗混凝土的配合比

1.3 試驗方法

（1）抗壓、劈裂抗拉強度：參照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，試件尺寸為100mm×100 mm×100 mm。

（2）靜彈性模量：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。

（3）動彈性模量：參照GB/T 50082—2009進行測試，試件尺寸為100mm×100 mm×400 m。

（4）自生體積變形：參照DB32/T 3696—2019《江蘇省高性能混凝土應用技術規(guī)程》進行，采用內襯為3 mm厚的聚四氟乙烯管材作為試驗模具，并在其底座安置底板，模具內徑Φ98 mm，凈高度380 mm?；炷脸尚秃蟮谷胨姆蚁┕懿闹?，初凝前在其頂部放入測量探頭，并在頂部用石蠟密封，以終凝為測試零點進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 膨脹混凝土的抗壓強度（見圖1）

由圖1可見，對于普通混凝土，不摻礦物摻合料的普通混凝土早齡期抗壓強度均較高，隨著礦物摻合料的摻入，混凝土早齡期抗壓強度有所降低；對于膨脹混凝土，2 d齡期時不摻礦物摻合料的膨脹混凝土抗壓強度最高，其余測試齡期均為單摻礦粉的膨脹混凝土抗壓強度最高。對比普通混凝土與膨脹混凝土可以發(fā)現(xiàn)，膨脹混凝土在摻入粉煤灰、礦粉后，其2、3、7 d早齡期抗壓強度普遍略高于不摻膨脹劑的同配比普通混凝土，抗壓強度提高了6%～17%；但28 d齡期時，膨脹混凝土的抗壓強度反而較低。這是由于在早齡期，膨脹劑在使混凝土膨脹的同時還可填充孔隙，使混凝土更加致密，抗壓強度得到提高；但隨著齡期的延長，粉煤灰、礦粉等礦物摻合料的火山灰效應，二次水化反應等對混凝土的抗壓強度有更好的增強作用，因而膨脹混凝土的抗壓強度與之相比降低。并且，在摻入礦物摻合料及膨脹劑后，復摻粉煤灰、礦粉的膨脹混凝土抗壓強度最低，單摻礦粉的膨脹混凝土抗壓強度較高。

2.2 膨脹混凝土的劈裂抗拉強度（見圖2）

由圖2可見，與不摻膨脹劑的普通混凝土相比，膨脹混凝土早齡期劈裂抗拉強度普遍較低且降幅顯著。Ea8、Fa30Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8的7 d劈裂抗拉強度與同配比普通混凝土C、Fa30、Sl30及Fa20Sl20相比分別降低了27.2%、42.7%、27.1%、38.2%。但28d齡期時，同配比膨脹混凝土與普通混凝土的劈裂抗拉強度已相差很小。由此可見，膨脹劑的摻入對混凝土早齡期劈裂抗拉強度有所影響，但隨齡期的延長，至28 d時對混凝土劈裂抗拉強度的影響已可忽略不計。此外，在摻入礦物摻合料及膨脹劑后，除純水泥體系膨脹混凝土外，摻礦粉膨脹混凝土的劈裂抗拉強度增長最快，不摻膨脹劑時摻礦粉混凝土的劈裂抗拉強度反而較低。

2.3 膨脹混凝土的靜彈性模量（見表3）

表3 膨脹混凝土及普通混凝土的靜彈性模量

由表3可見，與不摻膨脹劑的普通混凝土相比，除純水泥體系對比組外，其它幾組摻礦物摻合料膨脹混凝土的7d、28d靜彈性模量均顯著降低。而純水泥體系膨脹混凝土與不摻膨脹劑純水泥體系普通混凝土的靜彈性模量相差不大，28 d齡期時摻膨脹劑混凝土靜彈性模量相對較小一些?？梢钥闯觯瑩饺肱蛎泟┖蠡炷恋撵o彈性模量普遍下降，且降幅較大。

2.4 膨脹混凝土的動彈性模量（見圖3）

由圖3可見，混凝土的動彈性模量隨著齡期的延長而逐漸增大，且早齡期時動彈性模量增長速率較快，7～10 d齡期后動彈性模量增幅逐漸減小，后趨于平穩(wěn)。普通混凝土與膨脹混凝土的動彈性模量相差較小。具體而言，摻膨脹劑后混凝土動彈性模量相對較小，Ea8、Fa30Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8的28 d動彈性模量與同配比普通混凝土C、Fa30、Sl30及Fa20Sl20相比分別降低了1.9、1.7、7.3、1.5GPa。并且，在摻加膨脹劑后，摻礦粉膨脹混凝土的動彈性模量增幅明顯，而不摻膨脹劑時，純水泥體系混凝土動彈性模量相對較大。

2.5 膨脹混凝土的自收縮試驗研究

對膨脹混凝土以及純水泥體系普通混凝土進行28 d齡期自收縮試驗，結果如圖4所示。

由圖4可見，純水泥體系普通混凝土在28 d齡期內表現(xiàn)為持續(xù)收縮，28 d時自收縮變形約為120με；Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8自生體積變形經歷了先膨脹后收縮的過程，分別在10、12、14 d時達到最大膨脹變形，膨脹值分別為142 με、222με、315με，可有效存儲預壓應力，補償混凝土各類收縮，隨后混凝土開始收縮，但收縮速率緩慢；Fa30Ea8則表現(xiàn)為持續(xù)膨脹，28d時膨脹變形已達到359με。由此可見，膨脹劑中膨脹組分的摻入可使混凝土產生顯著的早期自生體積膨脹，有利于結構混凝土抗裂性能的提高。對比在膨脹混凝土中摻入粉煤灰、礦粉可以發(fā)現(xiàn)，摻礦粉的膨脹混凝土膨脹變形與摻粉煤灰的相比明顯較小，說明礦粉的摻入易增大混凝土自收縮，使膨脹劑中膨脹組分的作用降低。因此，在對于混凝土抗裂性要求較高時，宜優(yōu)先采用不含礦粉的混凝土配合比。

3 結論

（1）膨脹混凝土早齡期時由于膨脹劑的填充孔隙作用，與不摻膨脹劑的普通混凝土相比抗壓強度較高，而其早齡期的劈裂抗拉強度則較低。與不摻膨脹劑時相比，膨脹混凝土早齡期抗壓強度提高了6%～17%，而早齡期劈裂抗拉強度則降低了27%～42%，但至28 d齡期時對混凝土力學性能影響很小。

（2）膨脹混凝土早齡期彈性模量隨著齡期的延長而逐漸增大，早齡期時增長速率很快，隨齡期的延長，彈性模量增長速率慢慢趨于平緩。并且，在摻入膨脹劑后混凝土彈性模量普遍下降，與不摻膨脹劑時相比，膨脹混凝土28 d齡期動彈性模量降低了1.5～7.3 GPa。

（3）Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8膨脹混凝土早齡期自生體積變形在摻加膨脹劑后，經歷了先膨脹后收縮的過程，并在其早齡期能有較大的膨脹變形存儲以補償混凝土收縮，早齡期膨脹混凝土最大膨脹變形可達到142με～315με，有利于結構混凝土抗裂性能的提高。此外，摻入礦粉時將顯著增大混凝土自收縮，使膨脹混凝土中膨脹組分的作用下降。