摻合料對混凝土自收縮性能的影響研究

周旭肖

（1 中交一公局廈門工程有限公司；2 中交綠建（廈門）科技有限公司）

0 引言

我國是世界上建設規模最大的國家之一，混凝土的使用量非常大。雖然混凝土極大促進了建筑工程行業的發展，但水泥作為混凝土主要傳統原材料，其生產過程給環境帶來極大的資源消耗，以及加大了二氧化碳排放，不利于環境保護，因此，為了更好地走綠色可持續發展道路，國家鼓勵將礦物摻合料應用于混凝土中。礦物摻合料作為膠凝材料取代水泥，可以降低水泥用量，減少水化熱，促進二次水化，改善混凝土工作性，提高耐久性等，既可以有效提高廢棄物利用率，又使得混凝土材料性能有所提高。

目前，粉煤灰和礦渣粉的應用技術已相對成熟，但隨著建設規模的增加，出現了供不應求的現象，而因受制于技術，我國石灰石粉在混凝土中的利用率極低。如果可以將質量合格的石灰石粉大范圍在混凝土中推廣應用，不僅可以有效緩解粉煤灰和礦渣粉供應不足的問題，還可以解決廢棄石灰石粉堆積引起的環境污染問題。雖然摻石灰石粉的混凝土的基本性能研究成果較多，但是關于復摻石灰石粉、粉煤灰和礦渣對混凝土的收縮性能影響的研究相對較少，這也就阻礙了多摻復合石灰石粉混凝土的推廣應用。因此，有必要開展復摻石灰石粉、粉煤灰和礦渣混凝土的收縮性能，揭示水膠比、礦物摻合料等因素對復合石灰石粉混凝土收縮性能影響規律，為復合石灰石粉混凝土的實際推廣應用提供一定的技術參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：選用江西萬年青P.042.5 水泥，其物理性能指標見表1。

表1 江西萬年青P.O42.5水泥物理性能指標

石灰石粉：選用江西石灰石粉，鈣含量≥70%，比表面積為650m2/kg，

粉煤灰：選用Ⅱ級粉煤灰，其性能指標均滿足規范要求，28d活性指數81%。

礦渣粉：選用S95 級，比表面積為392m2/kg，28d 抗壓強度比98%。

骨料：采用級配范圍為5～31.5mm 的碎石，以及細度模數2.82的機制砂。

外加劑：選用江西混凝土創高性能聚羧酸減水劑，其性能指標均滿足規范要求。

水：普通飲用水。

1.2 試驗方法

混凝土自收縮性能和干燥收縮性能試驗根據GB 50082-2009《普通混凝土長期性性能與耐久性能試驗方法標準》規定進行。自收縮試驗采用非接觸方法，測試初始零點為混凝土初凝時間，測取 0～72h 的自收縮變形。

2 試驗設計

試驗主要是研究不同水膠比、礦物摻合料對復合石灰石粉混凝土自收縮的影響規律，設計水膠比分別為（0.48、0.43、0.38、0.33），摻合料分別控制兩個摻量，石灰石粉（L）控制摻量為0、20%，粉煤灰（F）控制摻量為0、15%，礦渣（S）控制摻量為0、15%。詳細配合比見表2。

表2 試驗詳細配合比

3 結果分析

3.1 水膠比對自收縮性能的影響規律

為了便于分析，研究對比摻合料取代比例相同時，不同水膠比對混凝土自收縮率的影響，選取齡期為3h、8h、12h、24h、72h 時的數據為特征值，研究自收縮率及相對增長率，試驗數據見表3。

從表3 可知，混凝土的的自收縮率在72h 內的變化規律為先快速，后平緩。

表3 不同水膠比混凝土自收縮率及相對增長率

試件類型為F0S0L0的基準混凝土，其自收縮率隨水膠比變小而增大，水膠比為0.48 時，其自收縮率最小。相較于水膠比為0.48自收縮率，水膠比為0.43時，齡期為3h 的自收縮率相對增長率最大，達到了68.6%，齡期為12h、24h、72h 時，其自收縮率相對增長率分別為13.0%、18.4%、17.6%、13.6%，相對于3h 的自收縮率相對增長率較為平緩；水膠比為0.38 時，8h 時混凝土的自收縮率相對增長率僅為2.5%，3h、24h、72h時則在25%～45%之間，8h 時混凝土的自收縮率相對增長率最小；水膠比為0.33 時，混凝土的自收縮率最大，并且在24h 之后，其相對增長率仍處在30%～45%之間，增長較大。

對于摻加礦物摻合料的混凝土，一方面，同樣存在自收縮率隨水膠比變小而增大的規律，水膠比為0.48時自收縮率最小，水膠比為0.33 時自收縮率最大；另一方面，整體自收縮率比無摻合料F0S0L0的要小。對于F0S15L20試驗組，以水膠比為0.48 的試件為對比，水膠比為0.43 和0.38 時，齡期為8h、12h、24h 時自收縮率相對增長率均為負增長，72h 時開始出現正增長；水膠比為0.33 時，不同齡期的收縮率比對照組分別增加了16.6%、4.5%、15.5%、17.4%、26.7%。對于F15S15L20試驗組，以水膠比為0.48 的試件為對比，其他水膠比試件在齡期24h 前，其自收縮率相對增長率較大，最高達到了95.5%。

綜上所述，混凝土自收縮率隨水膠比變小而增大。這是由于膠凝材料與毛細孔中的游離水發生水化反應，游離水變成了化學結合水，促使混凝土內部產生自干燥效應，產生自收縮應力。水膠比越小，游離水越少，自干燥效應越明顯。從配合比角度分析，一方面，水膠比越低，單位體積中的水泥占比就越大，發生水化反應的水泥就越多，而水化產物相較于水泥本身，體積較小，這就導致了宏觀上混凝土體積發生收縮的現象，這也是收縮率隨水膠比變小而增大的原因；另一方面，從孔結構分析，水膠比越低，混凝土內部的孔洞就越密實，毛細孔孔徑越小，當毛細孔中的水分減少時，毛細孔產生的負壓越大，進一步促使混凝土的收縮增大。

3.2 礦物摻合料對自收縮性能的影響規律

為了便于分析，研究同水膠比下不同礦物摻合料比例對混凝土自收縮率的影響，選取齡期為3h、8h、12h、24h、72h 時的數據為特征值，研究自收縮率及相對增長率，試驗數據見表4：

由表4 可以看出，基準混凝土和摻礦物摻合料的混凝土的自收縮率在72h 內的變化規律均為先快速，后平緩。

水膠比為0.48 時，以基準混凝土F0S0L0為對比，F0S15L20試驗組（摻石灰石粉和礦渣）的自收縮率較低，其中，在齡期8h～24h 時，自收縮率相對增長率為-2%～-7%之間，72h 時達到最大值為-18.6%；對于F15S15L20試驗組（摻石灰石粉、粉煤灰和礦渣），其自收縮率最小，齡期為3h、8h、12h、24h、72h 時自收縮率相對增長率在-20%～-46%范圍內，其中，在8h、12h 時達到-45%左右。水膠比為0.43、0.38、0.33 時，自收縮發展規律與水膠比為0.48 時相類似，整體規律為：摻加礦物摻合料的混凝土自收縮要比基準混凝土小，且三摻混凝土F15S15L20（摻石灰石粉、粉煤灰和礦渣）的自收縮小于雙摻混凝土F0S15L20（摻石灰石粉和礦渣）。

綜上所述，礦物摻合料可以起到抑制混凝土自收縮性能的作用。粉煤灰和礦渣粉能夠抑制混凝土自收縮的研究已經很多[1]，這里不再闡述。對于石灰石粉，一方面，石灰石粉的表面較為光滑，需水量較小，可以使整個混凝土體系中的游離水相對較多，從而降低了自收縮；另一方面，石灰石粉主要成分為CaCO3，水泥中的C3A與CaCO3反應生成的產物體積有所增大，可以起到一定的膨脹補償收縮[2]。此外，摻石灰石粉、粉煤灰和礦渣的混凝土自收縮最小，這是因為礦渣、石灰石粉和粉煤灰的活性均較低，基本上不參與早期水化反應，在早期72h 內僅起到惰性填充作用，所以混凝土的自收縮性能：F15S15L20＞F0S15L20＞F0S0L0。

4 結論

⑴混凝土的自收縮率發展曲線前期比較快速，后期逐漸趨于平緩。

⑵未摻礦物摻合料和摻礦物摻合料的混凝土的自收縮率均隨水膠比變小而增大。

⑶礦物摻合料可以起到抑制混凝土自收縮性能的作用，混凝土的自收縮性能：F15S15L20＞F0S15L20＞F0S0L0。