膨脹劑對(duì)大體積混凝土性能的影響研究

楊磊 張威 何詠嘉

摘 要：研究膨脹劑對(duì)大體積混凝土性能的影響。利用水泥、粉煤灰、不同類別的膨脹劑等材料，依照設(shè)定的配比要求制備大體積混凝土試件。在工程溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度2種氧化條件下，依照相應(yīng)的方法進(jìn)行長(zhǎng)度變形、收縮應(yīng)變、抗壓強(qiáng)度等檢測(cè)。結(jié)果顯示：不同種類膨脹劑造成混凝土試件產(chǎn)生倒縮現(xiàn)象的時(shí)間具有顯著差異，氧化鈣類膨脹劑的時(shí)間更短；膨脹劑在不同水泥中產(chǎn)生的變形程度具有一定差異性；鈣類膨脹劑能夠有效抑制混凝土試件的收縮開(kāi)裂問(wèn)題，且添加量越高，開(kāi)裂問(wèn)題控制得越好；添加膨脹劑的混凝土試件抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)；混凝土的收縮應(yīng)變與膨脹劑和氧化時(shí)間均具有一定相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：膨脹劑；大體積混凝土；長(zhǎng)度變形；倒縮現(xiàn)象；收縮開(kāi)裂

中圖分類號(hào)：TU377

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0075-04

Study on the influence of expansive agent on the performance of mass concrete

YANG Lei，ZHANG Wei，HE Yongjia

（The First Company of China Eighth Engineering Bureau Ltd.，Jinan 214000，China）

Abstract：

In order to further analyze the restraining effect of expansive agent on concrete cracking and ensure the quality of concrete engineering，The influence of expansive agent on the performance of mass concrete was studied.Mass concrete specimens were prepared by using cement，fly ash，different kinds of expansive agents and other materials according to the set proportion requirements.Under the two oxidation conditions of Engineering temperature and standard temperature，the length deformation，shrinkage strain and compressive strength were tested according to the corresponding methods.The results showed that the time of concrete specimen shrinkage caused by different kinds of expansive agents was significantly different，and the time of calcium oxide expansive agents was shorter; The deformation degree of expansive agent in different cements was different;The expansion agent could effectively restrain the shrinkage cracking of concrete specimens，and the higher the amount of expansion agent，the better the control of cracking; The compressive strength of concrete specimens with expansive agent decreased in varying degrees; The shrinkage strain of concrete had a certain correlation with the expansion agent and oxidation time.

Key words：expansion agent;mass concrete;length deformation;backward shrinkage;shrinkage cracking

當(dāng)前建筑多采用大體積混凝土進(jìn)行建造［1］，這一過(guò)程中水泥產(chǎn)生的熱能令混凝土內(nèi)部溫度大幅提升［2］。這些熱能無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)消散，導(dǎo)致混凝土形成溫度收縮應(yīng)力［3］，集合各類收縮導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)形成顯著收縮拉應(yīng)力；若其值高于混凝土的抗拉強(qiáng)度［4］，將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題［5］，影響建筑質(zhì)量。

實(shí)際工程建設(shè)中普遍通過(guò)添加膨脹劑抑制大體積混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題［6］，由此確保建筑工程的質(zhì)量。但在膨脹劑的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也有一定概率產(chǎn)生混凝土開(kāi)裂，而未添加膨脹劑的混凝土工程也不一定產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題。由此對(duì)膨脹劑應(yīng)用于大體積混凝土中抑制開(kāi)裂的問(wèn)題存在多種說(shuō)法［7-8］，并不統(tǒng)一。針對(duì)這一現(xiàn)象，研究膨脹劑對(duì)大體積混凝土性能的影響，分析不同條件下，膨脹劑對(duì)于混凝土性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)研究所用材料

膨脹劑對(duì)大體積混凝土性能的影響研究過(guò)程中所使用的材料如表1所示。

1.2 大體積混凝土制備

試驗(yàn)過(guò)程中需利用表1內(nèi)各種材料制備大體積混凝土，其配比如表2所示。基于表2中的各項(xiàng)材料的配比結(jié)果，制備大體積混凝土試件。

1.3 試驗(yàn)方法及養(yǎng)護(hù)條件

采用尺寸為10 cm的立方體試模，依照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于混凝土試驗(yàn)的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)［9］?；炷磷冃螜z測(cè)過(guò)程中設(shè)定試件大小為20 cm長(zhǎng)，50 cm寬。在完成混凝土試件養(yǎng)護(hù)后，依照檢測(cè)時(shí)間的設(shè)定確定試件的電阻與電阻比［10］，并將檢測(cè)結(jié)果換算為混凝土試件的自生體積變形程度［11-12］。試驗(yàn)過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)條件分為2種：工程溫度條件下的養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的養(yǎng)護(hù)。

（1）工程溫度條件。工程溫度條件下的養(yǎng)護(hù)即依照區(qū)域內(nèi)大體積混凝土重度溫度的波動(dòng)情況設(shè)定養(yǎng)護(hù)溫度［13］。將用于確定膨脹情況的混凝土試件成型后帶模放入空氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，設(shè)定溫度、濕度與時(shí)間分別為40 ℃、95%左右和1 d。取出試件拆除模具，室溫環(huán)境下冷卻1 h，檢測(cè)初始長(zhǎng)度［14］。檢測(cè)完成后將混凝土試件置于水域養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)實(shí)施水養(yǎng)，初始溫度為42 ℃。養(yǎng)護(hù)15 d后取出混凝土試件，再將其放入空氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，設(shè)定溫度、濕度與時(shí)間分別為18 ℃、70%左右和15 d。養(yǎng)護(hù)期間，在6、12、18、24和30 d進(jìn)行長(zhǎng)度變形與收縮應(yīng)變、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變；

（2）標(biāo)準(zhǔn)溫度條件。標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的養(yǎng)護(hù)即混凝土試件的養(yǎng)護(hù)溫度始終維持在18 ℃，具體養(yǎng)護(hù)過(guò)程同工程溫度條件下的養(yǎng)護(hù)過(guò)程一致。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同類別膨脹劑對(duì)混凝土變形的影響

在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，添加了氧化鈣類膨脹劑與硫鋁酸鈣類膨脹劑后，混凝土試件的變形情況如圖1所示，其中膨脹劑的使用量為20 kg/m3。

由圖1可以看出，2種不同類型的膨脹劑添加入混凝土試件后，初始階段導(dǎo)致較為顯著的混凝土試件變形；在2 d內(nèi)，變形程度大體達(dá)到上限；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土試件的變量幅度開(kāi)始下降。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到一定天數(shù)后，混凝土試件的變形從膨脹轉(zhuǎn)換成收縮，同時(shí)釋放一定熱量，結(jié)合混凝土試件中水泥材料的水化熱反應(yīng)，混凝土試件的溫度呈一定程度的提升趨勢(shì)，膨脹量顯著提升，隨之混凝土試件的膨脹壓力也顯著提升。在養(yǎng)護(hù)的后期，受混凝土試件的溫度收縮與膨脹劑收縮等因素影響，混凝土試件呈現(xiàn)相應(yīng)的收縮狀態(tài)，有一定概率形成裂縫，為混凝土試件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。同時(shí)2種不同類別的膨脹劑產(chǎn)生倒縮的時(shí)間具有顯著差異，氧化鈣類在第5 d出現(xiàn)倒縮，硫鋁酸鈣類在第9 d出現(xiàn)倒縮。

2.2 膨脹劑在不同水泥中的反應(yīng)

對(duì)比在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，氧化鈣類膨脹劑在單純水泥與水泥和粉煤灰結(jié)合體中的膨脹變形情況，結(jié)果如圖2所示，其中膨脹劑使用量為20 kg/m3。

從圖2可以看出，氧化鈣類膨脹劑在單純水泥與水泥和粉煤灰結(jié)合體中產(chǎn)生的變形幅度具有顯著差異，這種差異約為1倍。而結(jié)合當(dāng)前水泥生產(chǎn)的普遍性，以及水泥配比的多樣性，說(shuō)明膨脹劑在不同水泥中產(chǎn)生的變形程度也具有一定差異性。

2.3 不同含量氧化鈣類膨脹劑對(duì)混凝土性能影響

圖3所示為在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，不同含量氧化鈣類膨脹劑對(duì)混凝土性能的影響。

從圖3可以看出，添加15、20和25 kg/m3氧化鈣類

膨脹劑的混凝土試件相較于無(wú)氧化鈣類膨脹劑的混凝土試件，在本質(zhì)上的區(qū)別為未形成收縮。這表明添加氧化鈣類膨脹劑后，能夠有效抑制混凝土試件的收縮開(kāi)裂問(wèn)題，且添加量越高，開(kāi)裂問(wèn)題控制得越好。

2.4 混凝土養(yǎng)護(hù)條件下的電鏡結(jié)果

圖4所示為在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，氧化鈣類膨脹劑混凝土試件養(yǎng)護(hù)條件下的電鏡掃描結(jié)果。

從圖4可以看出，氧化鈣類膨脹劑在養(yǎng)護(hù)15、30 d后，氧化鈣類膨脹劑氧化產(chǎn)物大體上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，晶粒尺寸波動(dòng)并不顯著，由此抑制了膨脹劑過(guò)度膨脹導(dǎo)致混凝土試件開(kāi)裂的問(wèn)題。但分析氧化鈣類膨脹劑的氧化產(chǎn)物與聚集狀態(tài)能夠得到，氧化產(chǎn)物有高度聚集性，有較大概率導(dǎo)致局部集中問(wèn)題，令混凝土試件局部形成顯著應(yīng)力，即出現(xiàn)局部裂紋。

2.5 不同養(yǎng)護(hù)條件下膨脹劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

表3所示為不同養(yǎng)護(hù)條件下添加膨脹劑的大體積混凝土力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

由表3可知，（1）在任意養(yǎng)護(hù)條件下，添加了2種不同種類膨脹劑的混凝土試件同未添加膨脹劑的混凝土相比，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度地下降趨勢(shì)；（2）在所添加膨脹劑種類與質(zhì)量一致的條件下，在工程溫度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理的混凝土試件同標(biāo)準(zhǔn)溫度養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度相比更高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是工程溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度，由此導(dǎo)致混凝土試件中水泥的水化反應(yīng)效率顯著提升，所以在工程溫度養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試件抗壓強(qiáng)度提升效率也更快。

2.6 膨脹劑對(duì)混凝土收縮應(yīng)變的影響

在養(yǎng)護(hù)條件一致的情況下，對(duì)比氧化鈣類膨脹劑不同添加量條件下，混凝土試件的收縮應(yīng)變變化情況，所得結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，在氧化鈣類膨脹劑添加量達(dá)到25 kg/m3的條件下，混凝土試件的收縮應(yīng)變同未添加氧化鈣類膨脹劑時(shí)相比顯著下降；添加氧化鈣類膨脹劑的混凝土試件收縮應(yīng)變?cè)?2 d前波動(dòng)程度也有所減低，這對(duì)于混凝土試件的開(kāi)裂問(wèn)題產(chǎn)生直接影響。養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到30 d后，添加氧化鈣類膨脹劑的混凝土試件收縮應(yīng)變與未添加氧化鈣類膨脹劑時(shí)相比降低約40%，同時(shí)混凝土是否添加氧化鈣類膨脹劑條件下的收縮應(yīng)變同其養(yǎng)護(hù)時(shí)間也存在相關(guān)性。

2.7 膨脹劑對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變的影響

圖6所示為標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，不同氧化鈣類膨脹劑添加量對(duì)混凝土試件的應(yīng)力—應(yīng)變變化的影響情況。

從圖6可以看出，隨著氧化鈣類膨脹劑添加量的提升，各混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著波動(dòng)性。當(dāng)氧化鈣類膨脹劑添加量為0 kg/m3時(shí)，混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在破壞前后表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，提升與下降趨勢(shì)均較為顯著；在應(yīng)變?yōu)?.07%的條件下，混凝土試件產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題。當(dāng)氧化鈣類膨脹劑添加量為25 kg/m3時(shí)，混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出非線性相關(guān)性特征，提升與下降趨勢(shì)并不顯著；在應(yīng)變?yōu)?.14%的條件下，混凝土試件產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題。上述結(jié)果說(shuō)明通過(guò)添加膨脹劑能夠改善混凝土開(kāi)裂變形問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究膨脹劑對(duì)大體積混凝土性能的影響，通過(guò)制備混凝土試件與試驗(yàn)過(guò)程，得到以下結(jié)論：

（1）膨脹劑在不同水泥中產(chǎn)生的變形程度具有一定差異性；

（2）添加膨脹劑后，能夠有效抑制混凝土試件的收縮開(kāi)裂問(wèn)題，且添加量越高，開(kāi)裂問(wèn)題控制得越好；

（3）工程溫度養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試件抗壓強(qiáng)度提升效率高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 胡元元，姚亮，馬慧，等.硫鋁酸鹽水泥和膨脹劑對(duì)3D打印混凝土性能影響試驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2022，49（1）：45-48.

［2］ 王新剛，樊士廣.HCSA膨脹劑在大體積混凝土裂縫控制中的應(yīng)用研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2022，48（1）：80-84.

［3］ 鄧宗才，趙連志，連怡紅.膨脹劑、減縮劑對(duì)超高性能混凝土圓環(huán)約束收縮性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（12）：12070-12074.

［4］ 彭程康琰，耿春東，劉勇強(qiáng)，等.膨脹劑及陶砂對(duì)UHPC抗沖磨性能和體積穩(wěn)定性的影響［J］.硅酸鹽通報(bào)，2020，39（4）：1 132-1 138.

［5］ 劉子源，畢萬(wàn)利，關(guān)巖，等.焙燒菱鎂尾礦制MgO膨脹劑對(duì)水泥砂漿膨脹性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2021，24（3）：466-472.

［6］ 明陽(yáng)，李順凱，吳小斌，等.索塔鋼混結(jié)合段用大體積超高性能混凝土配制及應(yīng)用研究［J］.新型建筑材料，2019，46（6）：1-4.

［7］ 龔建清，羅鴻魁，張陽(yáng)，等.減縮劑和HCSA膨脹劑對(duì)UHPC力學(xué)性能和收縮性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（8）：8042-8048.

［8］ 李從號(hào)，劉拼，紀(jì)憲坤，等.MgO膨脹劑在沿海地下工程混凝土裂縫控制中的應(yīng)用研究［J］.新型建筑材料，2020，47（3）：142-146.

［9］ 劉家彬，張明亮，秦鴻根.輕砂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的協(xié)同膨脹效應(yīng)對(duì)微膨脹混凝土變形性能的影響［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2022，49（3）：196-202.

［10］ 郭進(jìn)軍，張世偉，程林.養(yǎng)護(hù)條件和膨脹劑摻入方式對(duì)混凝土抗裂性能影響試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2020，51（6）：172-178.

［11］ 趙澤錦，肖家發(fā)，周斌，等.膨脹劑對(duì)面板壩混凝土減縮抗裂性能的影響［J］.水電能源科學(xué)，2022，40（2）：101-104.

［12］ 孔維浩，楊龍，姚直書(shū)，等.凍結(jié)井壁纖維混雜與微膨脹高性能混凝土配制與抗裂試驗(yàn)［J］.煤礦安全，2020，51（3）：69-74.

［13］ 崔天龍，王里，馬國(guó)偉，等.HB-CSA與膨脹劑對(duì)3D打印混凝土收縮開(kāi)裂性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（2）：80-86.

［14］ 李逸翔.膨脹劑對(duì)約束條件下UHPC早期抗裂性能影響的試驗(yàn)研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2020，36（1）：136-141.