膨脹劑對(duì)混凝土脹縮變形及強(qiáng)度特征影響試驗(yàn)研究

張先亮

(中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司 安徽合肥 230011)

1 引言

現(xiàn)代建筑時(shí)常涉及到大體積混凝土施工，如高層居民樓基礎(chǔ)、水利工程大壩壩體以及大型設(shè)備基礎(chǔ)等。大體積混凝土在凝結(jié)過程中會(huì)釋放大量水化熱，形成較大內(nèi)外溫差梯度，在混凝土結(jié)構(gòu)表面很容易形成因脹縮作用而產(chǎn)生的表面裂縫，隨著裂縫擴(kuò)展貫通，結(jié)構(gòu)防水性、耐久性將被破壞，從而影響其使用功能，最終成為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量隱患，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用[1]。

為使大體積混凝土施工和運(yùn)營(yíng)期裂縫得到有效控制，諸多研究人員從材料配比出發(fā)，通過改善混凝土材料配比，諸如采取較低水化熱的水泥、用礦粉或粉煤灰等材料代替部分水泥，或在水泥中摻入一定量膨脹劑材料，制成具有補(bǔ)償收縮性質(zhì)的混凝土，可在很大程度上提高混凝土的抗裂能力，還可有效防止高強(qiáng)混凝土和大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生[2]。在混凝土中摻加一定量的膨脹劑，利用其產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)對(duì)混凝土收縮工況進(jìn)行補(bǔ)償，制成體積穩(wěn)定性好的補(bǔ)償收縮混凝土，是一種控制混凝土溫度裂縫有效又實(shí)用的方法[3]。目前，我國(guó)對(duì)于添加膨脹劑的混凝土研究大多集中于中低強(qiáng)度混凝土，且其研究主要方向在膨脹機(jī)理、礦物摻合料和養(yǎng)護(hù)溫度[4]、水膠比[5-6]、膨脹劑對(duì)于混凝土流動(dòng)性及強(qiáng)度影響[7-9]和膨脹劑開發(fā)[10-11]及收縮效率[12]等方面。然而，對(duì)于大體積高強(qiáng)混凝土，尤其是結(jié)合實(shí)際工程有關(guān)溫度裂縫的探索研究較少。因此，在工程實(shí)際配比基礎(chǔ)上，摻加不同摻量的MgO膨脹劑、UEA膨脹劑和CSA膨脹劑，在保證施工強(qiáng)度情況下，探究不同膨脹劑對(duì)大體積混凝土的脹縮變形影響，選出較優(yōu)配比膨脹劑，為實(shí)際工程提供科學(xué)支撐并為相關(guān)工程提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)配合比材料

本試驗(yàn)所用材料及其配比見表1。水泥選用蕪湖白馬山海螺公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥；細(xì)骨料選用洞庭湖砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量1.8%；粗骨料選自安徽國(guó)旭物資貿(mào)易有限公司，壓碎值7.7%，針片狀含量8%，含泥量0.4%；粉煤灰選用蕪湖國(guó)電F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為10.7%；減水劑選用DK-100(A)高性能緩凝型減水劑(聚羧酸系高性能減水劑)，減水率為28%，含氣量為2.6%，凝結(jié)時(shí)間差為105 min。在試驗(yàn)配比基礎(chǔ)上，為了研究膨脹劑對(duì)大體積混凝土脹縮變形和強(qiáng)度特征的影響，分別在每方混凝土加入中20、30和40 kg的MgO膨脹劑、UEA膨脹劑和CSA膨脹劑(見表2)。

表1 試驗(yàn)基礎(chǔ)配比

表2 試驗(yàn)用膨脹劑種類及含量

2.2 混凝土試樣力學(xué)性能測(cè)試

(1)混凝土脹縮變形試驗(yàn)

對(duì)每種配比混凝土，平行制作兩塊尺寸為100×100×515 mm的長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，每隔2 d進(jìn)行脹縮變形記錄并取其均值作為相應(yīng)齡期脹縮變形量。

(2)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)每種配比的混凝土，平行制作3塊尺寸為150×150×150 mm的立方體試件，分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(7 d和28 d)，利用單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)測(cè)試相應(yīng)齡期下混凝土強(qiáng)度。試驗(yàn)儀器及設(shè)備見圖1。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

3.1 混凝土和易性對(duì)比

混凝土和易性又稱混凝土的工作性，是指新制的水泥混凝土易于攪拌、運(yùn)輸、澆筑以及搗實(shí)等各工序的施工操作，并使混凝土實(shí)體材料具備質(zhì)量均勻、體積穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)密實(shí)等性能，具體包括材料的流動(dòng)性、保水性以及黏聚性。不同試樣摻水量和坍落度結(jié)果見表3。

表3 不同試樣的摻水量和坍落度

混凝土施工未凝結(jié)硬化前必須具有良好的和易性，以確保施工便捷性和良好的澆灌質(zhì)量。而在混凝土拌合物凝結(jié)硬化以后，成型混凝土應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證混凝土實(shí)體能安全承受設(shè)計(jì)荷載。根據(jù)試驗(yàn)材料，減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，具有低收縮、高減水率以及低坍落度損失等性能，且生產(chǎn)過程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，混凝土本身結(jié)構(gòu)也具備可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，膨脹劑種類不同所需含水量不同，其坍落度有較大差異。坍落度試驗(yàn)可以有效測(cè)定混凝土拌合物的流動(dòng)性，并采取直觀經(jīng)驗(yàn)判定其保水性和黏聚性。工程要求坍落度需在18～22 cm之間，調(diào)整含水量可確保坍落度要求。同等條件下，摻加MgO膨脹劑混凝土的需水量小于UEA、CSA膨脹劑。相同配比條件下，MgO混凝土需水量比UEA和CSA混凝土需水量可減少10 kg/m3，有效降低了水膠比，提高了混凝土強(qiáng)度和骨料間的粘結(jié)力。黏聚性相比較而言，在相同配比條件下，MgO遠(yuǎn)優(yōu)于UEA與CSA膨脹劑。CSA膨脹劑主要成分為無水硫鋁酸鈣和無水石膏，主要水化產(chǎn)物為鈣礬石，具有早期水化速率快、需水量大、水化程度強(qiáng)等特點(diǎn)[7]。而MgO膨脹劑主要成分為MgO及復(fù)摻的生石灰，產(chǎn)物主要為Mg(OH)2。與CSA膨脹劑相比，MgO類膨脹劑具有水化速率低、用水量少以及水化速率慢但能持續(xù)進(jìn)行的特點(diǎn)。

3.2 不同膨脹劑對(duì)混凝土收縮變形的影響

由圖2a可知，摻加MgO膨脹劑的混凝土脹縮變形呈現(xiàn)規(guī)律性變化，前期MgO膨脹劑對(duì)于混凝土的膨脹收縮影響不明顯，14 d之后開始影響混凝土的收縮性能；不同MgO膨脹劑摻量均在脫模5 d后呈現(xiàn)出較大幅度膨脹，在脫模10 d后脹縮變化程度大體趨于平緩，M02、M03試樣呈現(xiàn)整體膨脹趨勢(shì)，且M03膨脹趨勢(shì)較為平緩，M04試樣表現(xiàn)為平緩膨脹且后期脹縮變形浮動(dòng)小，故M04收縮變形較為良好。

由圖2b可知，與 MgO膨脹劑相比，UEA膨脹劑所制作的試塊收縮量變化波動(dòng)較大。尤其是在試樣養(yǎng)護(hù)前期UEA膨脹劑影響了混凝土的收縮性能；各不同摻量的UEA膨脹劑試塊，與對(duì)照組相比，均呈現(xiàn)先膨脹后收縮的變化趨勢(shì)，前5 d表現(xiàn)為明顯膨脹，而后逐漸趨于穩(wěn)定，U03曲線最為穩(wěn)定。

由圖2c可知，CSA膨脹劑不同摻量對(duì)混凝土收縮變形影響較大，前期主要影響混凝土收縮性能。C04試樣呈整體最大收縮狀態(tài)，而C03、C02試樣收縮量變化較小，且整體呈現(xiàn)平緩變化趨勢(shì)。

據(jù)研究表明，鎂膨脹劑的膨脹性能呈現(xiàn)早期膨脹速率較低、膨脹量較小但其膨脹性能持續(xù)長(zhǎng)達(dá)十幾年的時(shí)間，總膨脹量較大[13-14]；而硫鋁酸鈣類膨脹劑具有早期膨脹速率大、對(duì)養(yǎng)護(hù)要求高、膨脹量大的特點(diǎn)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，膨脹速率逐漸減小并漸趨穩(wěn)定，這與本試驗(yàn)研究總體結(jié)論一致。

由收縮變形數(shù)據(jù)分析可知，C02和M04試樣收縮變形效果良好，其中M04收縮變形效果更佳。而UEA型膨脹劑收縮變形變化規(guī)律與摻量有很大關(guān)系，摻量越多其變化規(guī)律越復(fù)雜，較大程度影響了混凝土性能，具體結(jié)論需進(jìn)一步研究證實(shí)。

3.3 不同膨脹劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，三種膨脹劑混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到強(qiáng)度要求。與對(duì)照組相比，三種膨脹劑混凝土強(qiáng)度均有所降低，整體而言，膨脹劑摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越低。針對(duì)早期抗壓強(qiáng)度(7 d)，添加MgO膨脹劑混凝土抗壓強(qiáng)度較好，平均為40 MPa；添加CSA膨脹劑的混凝土抗壓強(qiáng)度最低，平均強(qiáng)度未達(dá)到40 MPa。28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到抗壓強(qiáng)度要求，其中以添加MgO膨脹劑的混凝土抗壓強(qiáng)度為最高。大量研究表明，一定摻量的膨脹劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度無影響或略有提高，甚至可以增加混凝土的后期強(qiáng)度；隨著膨脹劑含量進(jìn)一步增加，強(qiáng)度則會(huì)迅速下降。由此可見，添加MgO膨脹劑對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度影響較小。

3.4 綜合對(duì)比分析

由圖4可知，添加MgO膨脹劑混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度高于其他兩種膨脹劑，三種膨脹劑28 d抗壓強(qiáng)度較為接近，均達(dá)到強(qiáng)度要求水平，滿足工程需要。結(jié)合圖5脹縮變形數(shù)據(jù)，MgO膨脹劑混凝土脹縮變形整體變化程度相較于CSA和UEA膨脹劑變化幅度小，且MgO對(duì)后期混凝土補(bǔ)償收縮效果良好，變形穩(wěn)定，可應(yīng)用于實(shí)際工程中。

根據(jù)圖6，試樣表面出現(xiàn)片狀混凝土脫落現(xiàn)象，塑性效果較好，而試樣出現(xiàn)較明顯裂縫，說明脆性一般。

綜上所述，為滿足工程基礎(chǔ)配比所需強(qiáng)度、脹縮變形、和易性及流動(dòng)性等方面的良好性能，MgO膨脹劑為最佳選擇，M04為試驗(yàn)最佳配合比。

4 結(jié)束語

(1)在坍落度相同的情況下，摻加MgO膨脹劑的混凝土用水量明顯少于摻加UEA和CSA膨脹劑的混凝土，可以提高混凝土強(qiáng)度及水泥石與骨料粘結(jié)力，提高混凝土黏聚性。在相同情況下，摻加MgO膨脹劑的混凝土和易性較摻加UEA、CSA膨脹劑的混凝土更為穩(wěn)定。

(2)在本工程試驗(yàn)配比中，MgO膨脹劑對(duì)混凝土前期收縮變形影響不明顯，而對(duì)于14 d后的收縮變形具有良好的補(bǔ)償收縮作用；UEA和CSA混凝土對(duì)混凝土的前期收縮變形影響較大，添加40 kg的MgO膨脹劑的混凝土脹縮變形效果最優(yōu)，而UEA、CSA膨脹劑試樣脹縮變形整體波動(dòng)較大。

(3)與原始基礎(chǔ)配比相比，摻加膨脹劑會(huì)使試樣抗壓強(qiáng)度有所降低，且抗壓強(qiáng)度均呈規(guī)律性變化，整體上表現(xiàn)為隨膨脹劑摻量增加而降低的趨勢(shì)。摻加三種膨脹劑的混凝土28 d強(qiáng)度均達(dá)到高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，其中摻加MgO膨脹劑的試樣強(qiáng)度更為穩(wěn)定。