大尺寸補(bǔ)償收縮混凝土樓板的膨脹率試驗(yàn)研究

黃 騰 梁 睿

（煙臺(tái)驊達(dá)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流有限公司，山東 煙臺(tái) 265500)

補(bǔ)償收縮混凝土在我國(guó)已有30 多年的應(yīng)用，在混凝土自防水、大體積混凝土、超長(zhǎng)樓板和混凝土抗裂抗?jié)B方面應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，對(duì)于不同區(qū)域不同氣候環(huán)境下，不同膨脹劑、膠凝材料、粗細(xì)骨料對(duì)混凝土的影響千差萬(wàn)別，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)連續(xù)式澆筑補(bǔ)償收縮混凝土仍有較大的研究意義。

普通混凝土超長(zhǎng)構(gòu)件在終凝后出現(xiàn)干縮、溫縮、徐變、塑性收縮和化學(xué)收縮，造成混凝土在收縮過程中的拉應(yīng)力超過自身的抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生混凝土裂隙和裂縫，嚴(yán)重影響了構(gòu)件力學(xué)特性和使用功能。在超長(zhǎng)樓板中利用后澆帶施工對(duì)裂縫現(xiàn)象有一定的緩解作用，但是在后澆帶澆筑施工時(shí)因規(guī)范規(guī)定的不同，澆筑的時(shí)間也有所不同，一般會(huì)在同一樓層澆筑后14d或封頂28d后澆筑后澆帶，嚴(yán)重影響施工工期和施工質(zhì)量。補(bǔ)償收縮混凝土可以有效避免裂縫的產(chǎn)生，并能大大增加膨脹加強(qiáng)帶之間的距離；加強(qiáng)帶也可以與膨脹加強(qiáng)帶兩側(cè)混凝土連續(xù)施工，在澆筑連續(xù)式膨脹加強(qiáng)帶時(shí)將混凝土強(qiáng)度提高一個(gè)等級(jí)，并適當(dāng)增加膨脹劑的摻加量。

內(nèi)養(yǎng)護(hù)可以提高膨脹劑的膨脹效能，進(jìn)一步減小補(bǔ)償收縮混凝土的塑性收縮和干縮落差，提高補(bǔ)償收縮混凝土的抗裂性能[1-2]；楊輝等人對(duì)兩種不同膨脹劑做試驗(yàn)研究，得出不同膨脹劑對(duì)混凝土早期和中期的作用時(shí)間有所不同[3]；骨料的含水率、水灰比、砂率、砂石含水量與膨脹劑摻量對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土抗折強(qiáng)度有著較為重要的影響[4-5]；不同種類的膨脹劑或者按照不同比例進(jìn)行復(fù)配的復(fù)合膨脹劑，根據(jù)設(shè)計(jì)施工的需要可作用于不同部位構(gòu)件、不同環(huán)境條件下的混凝土澆筑[6-9]。

1 工程概況

依托工程位于煙臺(tái)市萊山區(qū)某大型商業(yè)項(xiàng)目，總占地面積約4萬(wàn)m2，總建筑面積約22.3萬(wàn)m2，標(biāo)準(zhǔn)層長(zhǎng)度約330m、寬度約110m、總高度40m，地下車庫(kù)三層，地上商業(yè)五層，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域位于地下三層B6 試驗(yàn)區(qū)，如圖1所示。

圖1 B6現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)

由于本工程屬于超長(zhǎng)混凝土建筑，樓板和地下室外墻設(shè)計(jì)有膨脹加強(qiáng)帶及補(bǔ)償收縮混凝土，地下室每層膨脹加強(qiáng)帶總長(zhǎng)約180m，加強(qiáng)帶寬2m。膨脹劑設(shè)計(jì)用量及設(shè)計(jì)限制膨脹率見表1。

表1 膨脹劑設(shè)計(jì)用量及設(shè)計(jì)限制膨脹率

2 UEA-D膨脹劑性能及原理

UEA-D 膨脹劑的pH 值、比表面積、初凝和終凝時(shí)間以及在養(yǎng)護(hù)過程中的膨脹率和抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 膨脹劑（UEA-D）化學(xué)成分及物理性能

2.1 UEA-D膨脹劑的物理化學(xué)性質(zhì)

2.1.1 UEA-D化學(xué)成分組成

主要成分：Ca4Al6SO16（硫鋁酸鈣）、CaSO4；其他成分：A12O3、A12O3·2SiO2、K2SO4·A12(SO4)3·4A1(OH)3。

水泥的主要水化反應(yīng)：2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

硅酸鹽水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，為膨脹劑后期的反應(yīng)提供了充足的反應(yīng)物。

2.1.2 UEA-D化學(xué)反應(yīng)

主要反應(yīng)：Ca4Al6SO16+6Ca(OH)2+8CaSO4+90H20=3(3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O)

其他反應(yīng)：

2.2 UEA-D膨脹劑原理

膨脹劑中的主要物質(zhì)硫鋁酸鈣（Ca4Al6SO16）和硫酸鈣（CaSO4），與水泥在水化過程中生成的氫氧化鈣結(jié)合，水化生成高硫型硫鋁酸鈣晶體(3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O)，又稱鈣礬石，鈣礬石是主要的膨脹源。鈣礬石的生成需要水泥漿中充足的水分，同時(shí)需要一部分水分生成鈣礬石的結(jié)合水，進(jìn)而形成鈣礬石的結(jié)晶填充在水泥石孔隙中，在混凝土凝固過程中即在塑性階段，不會(huì)產(chǎn)生有效的混凝土膨脹，鈣礬石在混凝土擁有一定強(qiáng)度時(shí)才會(huì)產(chǎn)生有效的膨脹。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)及原材料

在室內(nèi)試驗(yàn)中，每C30 和C35 混凝土中分別加30 kg、40kg、50kg膨脹劑，保證C30和C35混凝土中膠凝材料的總量434kg/m3和水膠比0.43 相同（C35 相比于C30混凝土增加了水泥的用量，減少了粉煤灰的用量，兩種混凝土中膠凝材料總量和用水量不變）兩種混凝土中膨脹劑的摻加量分別為6.9%、8.4%、10.3%。C30、C35膨脹混凝土的配合比見表3，其中砂率40%，設(shè)計(jì)塌落度150mm，砂含水率2%，石子含水率0%。

表3 C30、C35膨脹混凝土每立方摻和量/kg/m3

在水泥水化的同時(shí)膨脹劑也迅速水化生成鈣礬石，與水泥有“掙水”現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榕蛎泟┰缙谏闪蒜}礬石，加快了水化速度因而混凝土凝結(jié)時(shí)間也略有縮短。在膨脹混凝土中摻加聚羧酸減水劑，隨著聚灰比的增加使混凝土中pH值上升趨勢(shì)減緩，減水劑在水泥微粒的表面形成吸附作用，減緩水化反應(yīng)的發(fā)生。減水劑性能指標(biāo)見表4。

表4 減水劑性能指標(biāo)

未加減水劑的水化反應(yīng)：

加入減水劑的水化反應(yīng)：

由以上化學(xué)式可以看出，在加入減水劑后的水化反應(yīng)，結(jié)合水減少，水泥水化反應(yīng)需水量減少，減緩了水泥與膨脹劑“掙水”的現(xiàn)象，但在施工中仍然要注重前期的養(yǎng)護(hù)，使其充分水化[10]。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)步驟

試件采用標(biāo)椎試件100mm×100mm×515mm（自由膨脹率試件）和150mm×150mm×150mm（抗壓試件），試件制作及試驗(yàn)過程參照GB 50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 23439-2017《混凝土膨脹劑》。膨脹混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa后拆模，脫模后1h內(nèi)測(cè)量試件的初始長(zhǎng)度(L0)，并將試件放入（20±1）℃水中養(yǎng)護(hù)14d，14d后將試塊放入室溫（20±2）℃、濕度95%的恒溫恒濕室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量如圖2所示。

圖2 室內(nèi)混凝土膨脹率測(cè)量

3.3 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.3.1 自由膨脹率

自由膨脹在脫模后前7d 膨脹率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并在第7d時(shí)達(dá)到峰值，自第7d～14d，其膨脹效果不明顯；到第14d脫水養(yǎng)護(hù)后，轉(zhuǎn)入恒溫恒濕條件下膨脹率略有下降；自第28d后停止養(yǎng)護(hù)，轉(zhuǎn)入自然環(huán)境中，膨脹率下降比較明顯。

在轉(zhuǎn)入常溫環(huán)境后，所有試件平均收縮率基本相同，都在250個(gè)微應(yīng)變左右。C35-P30試件在后期基本收縮到了初始的長(zhǎng)度，在50d 齡期時(shí)，試件并沒有出現(xiàn)裂紋；混凝土膨脹時(shí)產(chǎn)生的是“背向變形”，混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的是“相向變形”，試件在自由狀態(tài)下不會(huì)受到外力的約束影響，不會(huì)改變其內(nèi)外約束的受力，因此不會(huì)產(chǎn)生裂縫，能夠充分反應(yīng)膨脹混凝土的材料屬性。實(shí)際施工過程中由于受到整體澆筑和模板支撐的約束，混凝土在收縮時(shí)必然產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力和模板表面的摩擦阻力，當(dāng)這些內(nèi)力及阻力足夠大時(shí)將會(huì)產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫[11]。

膨脹混凝土與普通混凝土的收縮原理是基本相同的，只是摻加膨脹劑的混凝土在膨脹過程中的膨脹率要高于普通混凝土，而在混凝土干燥收縮時(shí)膨脹混凝土的干縮落差更大。收縮落差與膨脹劑的摻加量無(wú)關(guān)，與水泥及粉煤灰的含量有關(guān)[12]。自由膨脹率見表5。

表5 C30、C35混凝土自由膨脹率

3.3.2 膠凝材料的影響

在混凝土水化過程中，水膠比對(duì)膨脹率的影響是比較復(fù)雜的，水膠比不僅影響混凝土的后期強(qiáng)度，而且還影響著前期水化過程；在水膠比較低或者較高的區(qū)間中，膨脹率是隨水膠比的增加而增長(zhǎng)的，而在特定的中間區(qū)間內(nèi)是與水膠比成負(fù)相關(guān)[13]。為排除水膠比的干擾，在制備混凝土試件時(shí)，保證膠凝材料在每立方混凝土中的質(zhì)量恒定不變。

在同種混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，膨脹劑的增加會(huì)明顯提高混凝土的自由膨脹率，如圖3、圖4 所示。在兩種混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，摻加相同質(zhì)量的膨脹劑，C35 混凝土膨脹率明顯低于C30混凝土膨脹率，如圖5、圖6、圖7所示，主要原因是混凝土中水泥質(zhì)量的增加和粉煤灰質(zhì)量的減少。在膨脹劑摻加量不變的情況下，單方面增加水泥的摻入量，膨脹率的變化并不明顯，因?yàn)樵谒^程中即使水泥用量增多對(duì)膨脹劑會(huì)產(chǎn)生一定的“掙水”現(xiàn)象，但在凝固后的水養(yǎng)護(hù)過程中會(huì)得到一定的彌補(bǔ)，因此在混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高的同時(shí)膨脹率減小的現(xiàn)象，主要是因?yàn)榉勖夯覔搅康淖兓鸬?。粉煤灰有延緩混凝土初凝的作用，粉煤灰在膠凝材料中比例的增加使混凝土膨脹率有增大趨勢(shì)；但超過一定摻加量后（粉煤灰摻量占膠凝材料總量的40%時(shí)，膨脹率數(shù)值最大），混凝土膨脹率反而出現(xiàn)下降趨勢(shì)；隨著粉煤灰摻量的增多，混凝土的強(qiáng)度也有所下降。因此，C35混凝土相較于C30混凝土水泥質(zhì)量的增加并沒有明顯影響膨脹率，而是粉煤灰含量的減少使得膨脹率隨之減小。

圖3 C30混凝土自由膨脹率

圖4 C35混凝土自由膨脹率

圖5 每m3混凝土中摻加30kg膨脹劑時(shí)C30與C35混凝土的膨脹率對(duì)比

圖6 每m3混凝土中摻加40 kg膨脹劑時(shí)C30與C35混凝土的膨脹率對(duì)比

圖7 每m3混凝土中摻加50 kg膨脹劑時(shí)C30與C35混凝土的膨脹率對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)

4.1 混凝土在限制狀態(tài)下的膨脹與收縮原理

補(bǔ)償收縮混凝土均勻微膨脹，膨脹穩(wěn)定后的混凝土毛細(xì)孔的孔隙率與普通混凝土基本是相同的，因此在后期干縮落差也是基本一致的，只是補(bǔ)償收縮混凝土在凝結(jié)水化時(shí)的膨脹峰值要高于普通混凝土。

補(bǔ)償收縮混凝土在凝固過程中，伴隨著混凝土的水化和凝結(jié)不斷與鋼筋握裹在一起，隨著膨脹劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生膨脹作用使混凝土彼此之間受到壓應(yīng)力，并不斷地抻拉鋼筋使得鋼筋自身產(chǎn)生拉應(yīng)力；在鋼筋被抻拉的同時(shí)，又反作用于混凝土使得混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，這就形成了補(bǔ)償收縮混凝土的自應(yīng)力；混凝土硬化后，毛細(xì)孔中的水分隨著與外界環(huán)境的溫度和濕度的差異不斷流失，毛細(xì)孔中水體形成凹液面，產(chǎn)生了空隙壁外側(cè)向內(nèi)側(cè)的壓力，進(jìn)而產(chǎn)生了混凝土的收縮現(xiàn)象，當(dāng)混凝土內(nèi)部的拉伸變形超過混凝土拉伸極限變形時(shí)就會(huì)產(chǎn)生斷裂或縫隙。在收縮過程中，鋼筋內(nèi)的拉應(yīng)力會(huì)加速這一收縮現(xiàn)象的發(fā)展，由于膨脹劑的作用混凝土在初始得到了充足的膨脹發(fā)展，即使在收縮落差與普通混凝土相同的條件下，依然能夠抵消混凝土干縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)變，防止裂縫的產(chǎn)生；在膨脹劑摻量較小時(shí)，干縮后混凝土?xí)湛s到接近初始長(zhǎng)度或者低于初始長(zhǎng)度的狀態(tài)，此時(shí)鋼筋處于受壓狀態(tài)并阻礙其收縮，在一定程度上也減緩了干縮的發(fā)展；在膨脹劑摻加量比較大的情況下，隨著齡期的延長(zhǎng)收縮現(xiàn)象處于穩(wěn)定，鋼筋依然處于受拉狀態(tài)，混凝土中將殘留壓應(yīng)力，這就形成了自應(yīng)力混凝土。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)做法及數(shù)據(jù)采集

首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將試驗(yàn)應(yīng)變計(jì)組裝完整調(diào)試良好，接出數(shù)據(jù)線，測(cè)試通路，新型應(yīng)變測(cè)試儀如圖8 所示；然后在現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行到鋼筋綁扎階段時(shí)，在澆筑混凝土前3h 內(nèi)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)布置試驗(yàn)應(yīng)變計(jì)，避免過早布置被其他流水作業(yè)破壞或擾動(dòng)；梁中布置時(shí)，將試驗(yàn)應(yīng)變計(jì)水平固定放置在梁的中線位置；在板中布置時(shí)，將試驗(yàn)應(yīng)變計(jì)水平布置在板厚中間位置；數(shù)據(jù)線引出混凝土地面后固定牢固，數(shù)據(jù)線末端的數(shù)據(jù)接口保護(hù)良好，測(cè)量實(shí)驗(yàn)應(yīng)變計(jì)的初始數(shù)據(jù)，并記錄測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度。

圖8 膨脹混凝土應(yīng)變測(cè)試儀

混凝土終凝后12h 內(nèi)測(cè)量第1d 數(shù)據(jù)作為初始長(zhǎng)度，前7d每日固定時(shí)間測(cè)量一次，第8～15d隔一天測(cè)量一次，15d 后每5d 測(cè)量一次；每次測(cè)量時(shí)，記錄下當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度；測(cè)量時(shí)使用萬(wàn)用表讀取電阻值，并將電阻值轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值后儲(chǔ)存列表。

4.3 梁板部試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

B6 區(qū)域?yàn)楫?dāng)前層首先澆筑的區(qū)塊，四周均未澆筑并留設(shè)施工縫，此區(qū)域無(wú)其他水平作用力（四周為未澆筑區(qū)域），試驗(yàn)點(diǎn)分別布置在區(qū)域的中間和邊緣處。

B6試驗(yàn)區(qū)域：3號(hào)與4號(hào)試驗(yàn)應(yīng)變計(jì)設(shè)置在梁中，2號(hào)和5 號(hào)設(shè)置在板中，4 號(hào)和2 號(hào)在邊緣位置，3 號(hào)和5號(hào)在中間位置。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，在梁內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)中，4號(hào)膨脹率略高于3號(hào)，即邊緣位置的膨脹率高于中間位置，這種現(xiàn)象在板中也同樣出現(xiàn)（3號(hào)膨脹率也高于5號(hào)）。分析原因是因?yàn)樵谶吘壧幓炷恋呐蛎浿饕茕摻畹募s束和底部模板對(duì)膨脹過程的約束，受膨脹過程中混凝土相互擠壓較??；而越是靠近中間位置的混凝土，受到四周混凝土膨脹引起的壓應(yīng)力越強(qiáng)，在一定程度上阻礙了膨脹混凝土在水平方向上向四周的發(fā)展。

在梁部試件與板部試件對(duì)比的過程中（4號(hào)與2號(hào)相比、3號(hào)與5號(hào)相比，即梁部邊緣與板部邊緣、梁部中間與板部中間對(duì)比），梁部膨脹率高于板部，試驗(yàn)應(yīng)變計(jì)均水平放置在構(gòu)件的中部，構(gòu)件中部混凝土受鋼筋的約束較小，梁的混凝土體量大于板，大體量的混凝土膨脹應(yīng)要高于小體量混凝土，因而導(dǎo)致了高配筋率梁的膨脹率高于低配筋率板的膨脹率。試驗(yàn)結(jié)果說明，布置在構(gòu)件中的位置（鋼筋稀疏部位或遠(yuǎn)離鋼筋密集部位）及構(gòu)件體量的大小對(duì)膨脹率的影響是主要的，而配筋率的影響是次要的，是由于混凝土凝固過程中對(duì)鋼筋的握裹作用隨著距離鋼筋的增加而減小，梁中部位置的混凝土沒有起到握裹鋼筋的作用，所以鋼筋對(duì)混凝土漲縮的約束也會(huì)大大減?。恢劣谂浣顚?duì)混凝土的影響要根據(jù)構(gòu)件類型加以區(qū)分，在相同建筑構(gòu)件中配筋率的提高對(duì)混凝土的膨脹起到約束作用，配筋率高的部位在膨脹過程中膨脹率要低于配筋率低的部位；而在不同構(gòu)件中，只考慮配筋率的高低來(lái)判定膨脹率的大小是片面的。關(guān)于構(gòu)件截面尺寸、體量、配筋率及鋼筋布置對(duì)膨脹率的影響仍需深入研究，需要大量的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)作為支持。B6區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)膨脹率試驗(yàn)曲線如圖9所示。

圖9 B6試驗(yàn)區(qū)域梁板內(nèi)中間及邊緣位置膨脹率變化示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）補(bǔ)償收縮混凝土中水泥用量對(duì)膨脹率的影響并不明顯，粉煤灰的增加對(duì)膨脹現(xiàn)象有正相關(guān)作用；在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，同種補(bǔ)償收縮混凝土因構(gòu)件類型的不同膨脹率也不同，測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)梁的膨脹率高于板的，構(gòu)件邊緣膨脹率高于中間位置的。

（2）在收縮過程中，補(bǔ)償收縮混凝土的收縮差值要低于自由狀態(tài)下的收縮落差，說明鋼筋在膨脹和收縮過程中都有較強(qiáng)的約束力；而在自由狀態(tài)下同等水膠比的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，得到的膨脹率不同，但收縮落差相同。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的試驗(yàn)中，無(wú)法做到恒溫恒濕的試驗(yàn)環(huán)境，不確定因素較多；在不同的施工地域與季節(jié)環(huán)境影響較大，施工養(yǎng)護(hù)的條件也有所差異，包括不同地區(qū)的骨料和膠凝材料的不同，都影響著測(cè)量的偏差，應(yīng)當(dāng)對(duì)不同區(qū)域不同的施工環(huán)境進(jìn)行分類研究，完善地區(qū)性差異及材料對(duì)膨脹劑的施工影響。