不同強(qiáng)度膨脹混凝土早期變形及力學(xué)性能研究

黎承維

（廣東建科源勝工程檢測(cè)有限公司 廣東東莞 523710）

0 引言

混凝土收縮徐變產(chǎn)生變形裂縫制約著混凝土的發(fā)展，為解決這一難題，用膨脹劑配制膨脹混凝土是補(bǔ)償混凝土收縮重要的措施之一［1-3］。在混凝土中摻入適量膨脹劑能有效改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響膠凝材料流動(dòng)性［4-5］。與傳統(tǒng)混凝土相比，膨脹混凝土能形成體積膨脹，有效減少水化產(chǎn)物與骨料間的粘結(jié)裂縫，減小混凝土早期收縮［6-8］。研究表明［9-11］，適量膨脹劑的摻入能有效提高混凝土強(qiáng)度，加入10%膨脹劑的混凝土強(qiáng)度能提高5%～9%。為探究膨脹劑對(duì)不同強(qiáng)度混凝土早期變形及力學(xué)性能的影響，本文采用10%膨脹劑等量替代水泥，系統(tǒng)地測(cè)試膨脹劑對(duì)不同強(qiáng)度早期變形及力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 原材料及配合比

本研究采用42.5R 水泥，表觀密度為3.12 g/cm3，28 d 抗折強(qiáng)度為6.5 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度為47.5 MPa。膨脹劑采用UEA 型，表觀密度為3.20g/cm3，主要成分為氧化鈣（CaO）、石英（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）。水泥與膨脹劑的氧化物分析如表1所示。細(xì)骨料為天然河砂，表觀密度為2.63 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.6。粗骨料采用破碎玄武巖，表觀密度為2.63 g/cm3，最大粒徑20 mm。超細(xì)骨料采用硅粉，SiO2含量99.87%，表觀密度為2.30 g/cm3。減水劑采用減水效率為35%的聚羧酸型高效減水劑。

表1 水泥及膨脹劑氧化物分析（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）Tab.1 Cement and Expander Oxide Analysis （wt%）

為研究10%膨脹劑摻量對(duì)不同強(qiáng)度混凝土早期變形及力學(xué)性能的影響，開展6組試驗(yàn)研究，水膠比分別為0.60、0.31、0.22，砂率為40%，參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ 55—2011》［12］進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比Tab.2 Test the Mix Ratio

2 試驗(yàn)方法

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2019》［13］進(jìn)行試件制作、養(yǎng)護(hù)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。試驗(yàn)過程中均勻加載，加載速率根據(jù)不同強(qiáng)度混凝土設(shè)置，速率范圍0.3 MPa/s～1.0 MPa/s。

2.2 混凝土早期變形試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用到豎向膨脹率測(cè)定儀如圖1所示。試驗(yàn)前應(yīng)在水平基礎(chǔ)上平放早期豎向膨脹率測(cè)定儀，拌合料攪拌后立即裝模，從玻璃蓋板的一側(cè)灌入，裝模結(jié)束后在玻璃蓋板的兩側(cè)抹出斜坡，斜坡頂面與玻璃蓋板齊高，斜坡制作完畢將百分表垂直壓在玻璃蓋板上，并在30 s 內(nèi)讀取百分表讀數(shù)。測(cè)定百分表初始讀數(shù)后每隔2 h 在斜坡表面澆水潤(rùn)濕，連續(xù)4 次，之后每隔4 h 澆水潤(rùn)濕1 次，直到28 d 齡期，測(cè)定膨脹混凝土在28 d內(nèi)的變形規(guī)律。

圖1 豎向膨脹率測(cè)定儀Fig.1 Expansion Rate Tester

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膨脹劑對(duì)不同強(qiáng)度混凝土抗壓強(qiáng)度影響

由表3 可以看出在不同強(qiáng)度混凝土中摻入10%膨脹劑后，7 d 抗壓強(qiáng)度和28 d 強(qiáng)度較不摻膨脹劑的基準(zhǔn)混凝土均有所提高。對(duì)于摻入膨脹劑后的混凝土而言，膨脹劑對(duì)不同水膠比的混凝土影響規(guī)律不同，膨脹劑對(duì)水膠比為0.60 的混凝土7 d 強(qiáng)度提高了5.5%，28 d 強(qiáng)度提高了5.0%；對(duì)水膠比為0.31 的混凝土7d 強(qiáng)度提高了8.1%，28 d 強(qiáng)度提高了8.8%，對(duì)水膠比為0.22 的混凝土7 d 強(qiáng)度提高了5.0%，28 d 強(qiáng)度提高了5.2%。試驗(yàn)表明：膨脹劑對(duì)水膠比為0.31的混凝土強(qiáng)度影響較大，水膠比為0.60 與0.22 的混凝土強(qiáng)度提升并不明顯。這是由于膨脹劑的水化機(jī)理影響，UEA 型膨脹劑在混凝土中需要吸收水分進(jìn)行水化反應(yīng)，膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物（鈣礬石）填充混凝土內(nèi)部孔隙，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列更加緊密，從而提高混凝土強(qiáng)度。

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive Strength of Concrete （MPa）

水膠比為0.60 的混凝土內(nèi)部水分含量較多，但由于膨脹劑用量占比較少，因此對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提高并不明顯。相對(duì)地，水膠比為0.22 的混凝土膠凝材料用量、膨脹劑用量較大，但由于用水量的影響，混凝土內(nèi)部水分含量不能讓膨脹劑充分水化，從而膨脹劑對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提升表現(xiàn)不明顯。這說明，膨脹劑需要吸收水分進(jìn)行水化，當(dāng)混凝土含水量能使膨脹劑充分水化時(shí)，能有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

3.2 膨脹劑對(duì)不同強(qiáng)度混凝土早期變形影響

對(duì)膨脹混凝土及不摻膨脹劑混凝土進(jìn)行28 d 早期變形測(cè)量試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土早期變形Fig.2 Early Deformation of Concrete

基于圖2 可以發(fā)現(xiàn)，不摻膨脹劑混凝土早期變形均呈現(xiàn)體積收縮，水膠比越大，混凝土體積收縮越大。摻入膨脹劑后，混凝土早期變形發(fā)生改變，能補(bǔ)償自身體積收縮，產(chǎn)生體積膨脹，水膠比過大及過小都影響膨脹混凝土的體積膨脹。隨著混凝土齡期的增加，不摻膨脹劑的混凝土自身收縮將趨于穩(wěn)定，不同水膠比收縮量不同，收縮量可達(dá)到150 με～250 με，而膨脹混凝土的體積膨脹主要發(fā)生在混凝土成型后2 d 內(nèi)，在成型后10 d 基本趨于穩(wěn)定，MEAC1、MEAC2、MEAC3在28 d時(shí)膨脹值分別達(dá)到了約410 με、670 με、400 με。由此可見，膨脹劑的加入不僅讓混凝土產(chǎn)生了體積膨脹，膨脹量能克服混凝土自身收縮變形。

4 結(jié)論

本研究采用膨脹劑等質(zhì)量替代混凝土中的水泥，開展了混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及混凝土早期變形測(cè)量試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知：

⑴適量膨脹劑的摻入能有效改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，膨脹劑水化產(chǎn)物能填充混凝土內(nèi)部孔隙，混凝土強(qiáng)度提高5%～9%。

⑵膨脹劑水化反應(yīng)需要大量水分，混凝土中含水量大小影響膨脹劑水化反應(yīng)。

⑶膨脹劑的摻入能補(bǔ)償混凝土早期收縮，產(chǎn)生體積膨脹，在混凝土成型后10 d體積膨脹趨于穩(wěn)定。