養護溫度和膨脹劑耦合作用對高強混凝土抗壓強度的影響

李月霞，祝方平，苗苗

（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015；2中國建筑第二工程局有限公司，重慶 400020；3重慶大學 材料學院，重慶 400045）

0 引言

隨著混凝土技術的迅速發展，高強、超高強混凝土的制備與應用變得越來越普及。但是，與普通混凝土相比，高強混凝土高膠凝材料用量和低水膠比的特點會產生更大的收縮變形和更高的開裂風險。混凝土一旦開裂，其強度和耐久性問題將無法保證。這很大程度上限制了現澆高強混凝土在建設領域的應用[1-3]。

目前，使用膨脹劑或膨脹水泥配制補償收縮混凝土是降低收縮開裂風險的重要手段之一。補償收縮高強混凝土已廣泛應用于結構自防水、鋼管核芯混凝土、超長結構無縫施工等領域[1，4-9]。不同種類膨脹劑對普通混凝土（水膠比在0.4～0.7范圍內）的補償收縮影響及機理已有大量研究，對高強混凝土的研究較少，針對更適用于高強混凝土的硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑（HCSA）的研究也較少[9-12]。且不同的養護溫度對水泥水化及混凝土的收縮變形有較大影響[13-16]。因此，本文結合試樣的孔結構特征，研究了不同養護溫度和HCSA膨脹劑耦合作用對高強混凝土抗壓強度的影響。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥化學組成見表1，物理和力學性能見表2。

表1 水泥和膨脹劑的化學組成（%）

表2 水泥的物理和力學性能

HCSA膨脹劑：HCSA的化學組成見表1，XRD物相分析結果如圖1所示。

圖1 HCSA膨脹劑XRD物相分析圖

減水劑（SP）：蘇博特PCA系列聚羧酸高性能減水劑，固含量為23%，減水率為30%。

1.2 實驗方法

（1）混凝土配合比及其養護制度

試驗配合比如表3所示，其中C-0、C-8、C-10分別表示膨脹劑摻量為膠凝材料質量的0%、8%和10%，減水劑摻量按混凝土坍落度指標達到 （200±10）mm來確定。養護溫度分別為20℃、40℃和60℃。混凝土試件帶模養護（模擬限制條件）且表面密封（防止試件與環境進行水分交換）。

表3 混凝土配合比

（2）混凝土抗壓強度試驗

高強混凝土的制備和抗壓強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）進行。

（3）孔結構測試分析

采用美國麥克公司的ASAP2010比表面孔徑分析儀對試樣進行氮吸附和脫附試驗。根據BJH理論對孔結構進行分析和表征。

（4）XRD物相分析

采用日本理光TTR-ⅢX-射線衍射儀對HCSA膨脹劑進行物相分析（掃描速度為8°/min，掃描角度2θ=10°-70°）。

2 結果與討論

HCSA膨脹劑摻量對高強混凝土抗壓強度及其強度增長率的影響如圖2（a）和2（b）所示。對不同膨脹劑摻量下的高強混凝土試樣（養護1d）進行孔徑分布測試分析，其氮氣等溫吸附、脫附曲線如圖3（a）所示，孔徑分布對比如圖4所示。

圖2 膨脹劑摻量對高強混凝土（a）抗壓強度及其（b）強度增長率的影響

圖3 （a）不同膨脹劑摻量和（b）不同養護溫度的高強混凝土試樣的氮氣吸附、脫附曲線

圖4 不同膨脹劑摻量試樣的孔徑分布對比（a）累計孔徑分布（b）孔徑分布

由圖2（a）可以看出：摻加膨脹劑可以提高高強混凝土在限制條件下的抗壓強度。對比不同膨脹劑摻量試樣的28d抗壓強度值可知，8%的膨脹劑摻量為本試驗條件下的最佳摻量，可獲得最高的抗壓強度值。不同膨脹劑摻量的試樣各齡期的抗壓強度與其28d抗壓強度的比值，可以用來分析試樣的強度發展。由圖2（b）可知：在水化初期，未摻膨脹劑的混凝土試樣1d抗壓強度發展最快，其次是8%膨脹劑摻量試樣，最后是10%膨脹劑摻量試樣。而3d時10%膨脹劑試樣抗壓強度發展速率最大，其次是未摻膨脹劑的混凝土試樣，最后是8%膨脹劑試樣，說明在1-3d期間內摻膨脹劑試樣強度發展迅速，而且此時8%膨脹劑試樣的3d強度發展速率雖然仍落后于未摻膨脹劑試樣，但二者差距很??；7d時，10%膨脹劑試樣仍最快，8%膨脹劑試樣的強度發展速率已經超過未摻膨脹劑試樣；而在后期，90d強度發展速率排序與7d時的正好相反（與1d時的相同），即未摻膨脹劑的混凝土試樣強度發展最快，8%膨脹劑試樣其次，10%膨脹劑試樣最慢。

摻與不摻膨脹劑，試樣在早期和后期強度增長率表現出明顯的差異，這可能與膨脹劑對強度發展有正負兩方面作用有關。一方面，膨脹劑與水泥在水化過程中會發生水分競爭，HCSA膨脹劑的競爭需水能力強于水泥，導致用于水泥水化的水量減少，水泥早期水化速率變慢，即膨脹劑會抑制水泥早期水化，對早期強度發展產生負作用；而另一方面，膨脹劑在早期快速生成鈣礬石等水化產物，有利于細化孔隙，對強度發展產生正作用。而最終的結果是二者的博弈。所以，在1d時，摻膨脹劑混凝土中雖然有部分膨脹產物生成，但在大孔隙率情況下負作用占主導地位，表現為不摻膨脹劑混凝土強度發展快于摻膨脹劑。但隨著基體孔隙率的不斷降低，尤其是在限制條件下，膨脹產物使混凝土更加密實的作用越來越顯著，在3d后開始正作用占主導。而通常HCSA的膨脹劑在14～28d達到穩定期，當膨脹產物不再生成，后期又轉為負作用占主導。

不同孔徑在吸附等溫線上具有特征吸附效應。微孔 （孔寬＜2 nm）相互之間的距離只有幾個分子直徑，臨近孔壁勢場相互疊加增加了吸附劑與氣體分子的相互作用，導致在較低的相對壓力下吸附量明顯增加，使吸附等溫線快速上升；中孔（孔寬2～50 nm）凝聚和解凝相對壓力不同，使吸附等溫線形成滯后環；而大孔（孔寬＞50 nm）的尺寸范圍較寬，相對壓力接近于1[17-18]。所以根據不同種類的孔在液氮溫度下的吸附特點可分析出材料的孔隙結構。如圖3（a）、圖4所示：摻加膨脹劑的混凝土試樣其吸附、脫附等溫線的分離程度明顯小于未摻加膨脹劑的試樣組。且摻加8%膨脹劑試驗組的孔結構明顯優于未摻加膨脹劑和膨脹劑摻量為10%的試驗組。而摻10%膨脹劑試驗組的大孔數量多于未摻膨脹劑試驗組。這也從微觀角度解釋了圖2中養護期為1d時，摻加8%膨脹劑的試樣組抗壓強度最高，而摻10%膨脹劑試驗組的抗壓強度略低于未摻加膨脹劑試樣組的試驗結果。

圖5為最佳膨脹劑摻量 （本試驗條件下最佳摻量為8%）的混凝土試樣在不同養護溫度下的抗壓強度和強度增長率的試驗結果。圖3（b）、圖6分別為不同養護溫度下混凝土試樣（養護1d）的氮氣等溫吸附、脫附曲線和孔徑分布對比。

圖5 養護溫度對高強混凝土（a）抗壓強度及其（b）強度增長率的影響

圖6 不同養護溫度下試樣的孔徑分布對比（a）累計孔徑分布（b）孔徑分布

由圖6可以看出：摻加8%膨脹劑的混凝土試樣的1d、3d抗壓強度值和抗壓強度增長率都隨著養護溫度的升高而增大，而其28d、90d抗壓強度值卻隨著養護溫度的升高而減小。養護溫度為60℃時混凝土1d、3d抗壓強度值達到其28d抗壓強度強度值的94.7%、96.2%，而40℃和20℃時分別為79.1%、85.4%和58.5%、70.6%。這主要是因為養護溫度升高極大地促進了水化反應的進行，使早期強度迅速提高，表現為試樣1～7d的抗壓強度值和抗壓強度增長率都隨養護溫度的升高而增大。但是，高溫作用下水化反應迅速，水化產物來不及形成致密的相互搭接，不利于混凝土后期強度的發展。所以試樣28d、90d抗壓強度值隨著養護溫度的升高而降低。但是，在60℃的養護條件下，摻加8%膨脹劑的混凝土試樣的28d抗壓強度值仍高于20℃養護條件下未摻加膨脹劑的混凝土試樣。這說明，限制條件下，摻加膨脹劑可以提高高強混凝土的抗壓強度值，且在本試驗條件下膨脹劑對試樣抗壓強度的影響大于養護溫度的影響。

由圖4（b）、圖7可以看出：隨著養護溫度的升高，混凝土試樣吸附、脫附等溫線的分離程度逐漸增大，總孔隙體積減小且孔徑尺寸細化。這也從微觀角度解釋了圖6中養護期為1d時，抗壓強度值和抗壓強度增長率都隨著養護溫度的升高而增大的試驗結果。

3 結論

本文主要研究了膨脹劑摻量以及養護溫度和膨脹劑耦合作用對高強混凝土抗壓強度的影響，得到了如下結論：

（1）養護溫度為20℃、絕濕的試驗條件下，摻加HCSA膨脹劑可以優化孔結構，提高高強混凝土的28d抗壓強度值。且本試驗條件下摻加8%膨脹劑的混凝土試樣的抗壓強度值最高。

（2）摻與不摻膨脹劑，試樣在早期和后期強度增長率表現出明顯的差異，這可能與膨脹劑對強度發展有正負兩方面作用有關。在早期（1d）和后期（90d）是負作用占主導，表現為不摻膨脹劑混凝土強度發展速率快于摻膨脹劑混凝土，且速率隨著摻量增大而減小，而在中期（3d后）是正作用占主導，表現為在此期間摻膨脹劑混凝土強度發展更快，且摻量越大作用效果越顯著。

（3）膨脹劑摻量為8%的高強混凝土試件，其1～7d抗壓強度值和抗壓強度增長率都隨養護溫度的升高而增大，且養護溫度為60℃時，試樣1d抗壓強度值高達其28d抗壓強度強度值的94.7%。而試樣的28d、90d抗壓強度值卻隨養護溫度的升高而降低，但仍大于不摻膨脹劑的高強混凝土試件。

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