膨脹劑摻量對自密實膨脹混凝土的影響研究

陳振侃 羅永強 時 權 張靜媛 沙稚鈞 肖 杰

（1 廣州交通投資集團有限公司營運分公司；2 廣東工業大學土木與交通工程學院）

0 引言

自密實混凝土（Self Compacting Concrete，簡稱SCC）最早是上世紀八十年代中期由日本研究人員Okamura 進行試驗研究得出，他在進行試驗之后得出了SCC的配合比，并成功將其制備出來[1]。SCC 具有免于振搗，降低噪音，同時避免混凝土分布不均等問題。Frank Dehn[2]對SCC 進行配合比調整試驗之后，了解到添加粉煤灰能夠促進SCC 早期強度發展。

自1957 年以來，我國先后有五種以上的膨脹混凝土得到推廣使用[3]，且到目前為止已成為膨脹混凝土使用量最多的國家[4]。李方賢[5]等使用自制氧化鎂膨脹劑制備了C50 微膨脹混凝土，并對其性能進行了相關研究，結果表明，外摻約6%的氧化鎂對混凝土的抗壓強度不會造成不利影響，且能夠使混凝土的結構更加密實，體積膨脹穩定，也使混凝土與鋼管之間的變形具有載好的協調性。任亞楠等[6]研究表明對于約束條件相同的混凝土試件，適當的膨脹劑可使其抗壓強度得到一定程度的提高。近年來，鋼管膨脹混凝土已成為國內研究的熱點。祁璐帆等[7]就膨脹劑摻量對鋼管混凝土軸壓徐變和內力重分布的影響進行了研究，表明鋼管混凝土徐變隨膨脹劑摻量的增加而減小的特點。李悅等[8]研究了鋼管高強膨脹混凝土的力學性能和膨脹性能，表明摻加10%～20%的膨脹劑使鋼管混凝土的承載能力提高了7%左右。王湛[9]對鋼管膨脹混凝土組合結構進行研究后得出膨脹混凝土產生的膨脹使核心混凝土在受荷之前處于三向約束狀態，從而可以避免鋼管與核心混凝土在加荷初期的逐漸分離傾向，使鋼管的緊箍效應得以充分發揮,從而提高組合結構的承載力。陳兵等[10]認為在一定膨脹劑摻量條件下，方鋼管膨脹混凝土的極限承載力比方鋼管普通混凝土提高了15%，并且方鋼管膨脹混凝土的抵抗變形的能力優于方鋼管普通混凝土。

1 試驗研究

1.1 實驗步驟

采用內摻法進行自密實補償收縮混凝土，目標C40、C60、C80。在實際適配過程中，膨脹劑按照4%、8%、12%、16%比例替代同質量水泥。制備自密實補償收縮混凝土主要需要滿足流動性以及膨脹率兩方面的要求。自密實混凝土的流動性強但是收縮較大，因此需要摻入膨脹劑補償收縮，但膨脹劑摻量過高會導致混凝土開裂以及強度降低。為了得到最合適的自密實補償收縮混凝土配合比，需要對混凝土進行膨脹率測試、擴展度測試以及標準立方體的7 天、28 天強度測試，在澆筑試件時采用效果最好的配合比。

1.2 實驗材料

細骨料：選取級配為0.25～0.35 的細砂，在實驗之前會晾曬以保證其干燥。

粗骨料：選取級配為5～15mm 的石子，并在試配之前通過相應尺寸的篩網進行二次篩選，清洗石子表面的塵土并曬干，確保粗骨料的級配符合需要。

水：選取廣州市番禺區自來水。

減水劑：西卡公司的聚羧酸減水劑。

水泥：P·O42.5 水泥，P·II52.5R 水泥。

膨脹劑：中建牌AUA 高效混凝土膨脹劑，此膨脹劑達到了《混凝土膨脹劑》GB/T 23439－2017 的要求，同時具有不影響流動性、不降低混凝土強度抗裂能力強等優點。

粉煤灰：一級粉煤灰。

表1 膨脹劑的技術參數

1.3 實驗儀器

選用DYE-3000 型數字式壓力試驗機進行標準立方體抗壓強度測試。詳見圖1。

圖1 DYE- 3000 型數字壓力試驗機

進行混凝土的限制膨脹率測試時，需要使用縱向限制器以及標準比長儀，在測試中選用的是ISOBY-354 標準比長儀。詳見圖2、圖3。

圖2 縱向限制器

圖3 ISOBY- 354 標準比長儀

1.4 試件制備

要測試各種配合比條件下的流動性、強度、膨脹率以及劈裂抗拉強度和彈性模量，因此需要制備三種試件，分別為150mm×150mm×150mm 的標準立方試塊、100mm×100mm×300mm 的限制膨脹率測試試件以及直徑150mm×300mm 標準圓柱體試件。標準立方體試塊進行濕水養護測試其7d、28d 強度，每組配合比6 個試件總計90 個。限制膨脹率測試試件在初凝之后立即拆模并放置在水中養護7d、并在空氣中繼續養護21d。測試其3d、7d、14d 以及28d 的限制膨脹率，總計15 個試件。在制備自密實補償收縮混凝土時，分成兩個步驟，首先制備出符合條件的自密實混凝土，再用膨脹劑代替同質量水泥進行適配。自密實補償收縮混凝土（Self Compacting Expansive Concrete,簡稱為SCEC）配合比詳見表2、表3 和表4。

2 材料性能測試

2.1 擴展度

根據《混凝土物理力學性能實驗方法標準》（GBT50081－2019）和《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080－2016）對試拌混凝土進行了擴展度試驗、抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗。測試自密實混凝土限制膨脹率的方法是：將擦拭干凈的試塊放入已經安放好千分表的標準比長儀內進行檢測。

表2 C40 自密實補償收縮混凝土配合比

表3 C60 自密實補償收縮混凝土配合比

表4 C80 自密實補償收縮混凝土配合比

從實驗結果來看，對三種自密實混凝土采用不同摻量的膨脹劑來替代水泥對混凝土的擴展度有明顯的影響。從表5 和表6 可以看出，在膨脹劑的摻量為12%時，擴展度達到峰值，當摻量開始到達16%的時候，混凝土的擴展度開始下降。從表7 可以看出，對于C80 強度的自密實膨脹混凝土來說，它的擴展度是隨著膨脹劑的摻量而上升的，但上升的幅度隨著摻量的增加而減緩。可以認為，C60 強度的自密實混凝土對應最大擴展度的摻量在16%附近。從三種混凝土配合比摻加不同摻量膨脹劑的試驗結果可以看出，在摻量不大的情況下，添加膨脹劑對提高混凝土的擴展度是有幫助的，但摻量過大的時候，擴展度反而會降低。

表5 C40 自密實補償收縮混凝土擴展度

表6 C60 自密實補償收縮混凝土擴展度

2.2 抗壓強度

從表8、表9 和表10 可以看出，隨著膨脹劑摻量的增大，混凝土的抗壓強度減小。總體來講，三種強度的混凝土在膨脹劑摻量為0%、4%和8%的情況下，7 天抗壓強度差別不大，但當摻量達到12%和16%的時候，7 天抗壓強度有明顯的回落。其中強度設計越小的混凝土，7 天強度下降的比例越大。對于28 天的強度而言，膨脹劑摻量在0%、4%和8%以內的，強度會稍有下降，但當摻量達到12%和16%時，強度下降明顯，幅度較大。三種強度的混凝土當膨脹劑摻量達到12%和16%時，28 天強度均無法達到設定的強度值。故，對于抗壓強度這個參數而言，膨脹劑的摻量以少為宜，且從三個表格的數據可以看出，摻量為8%的膨脹劑最為容易接受。

表7 C80 自密實補償收縮混凝土擴展度

表8 C40 自密實補償收縮混凝土抗壓強度

表9 C60 自密實補償收縮混凝土抗壓強度

表10 C80 自密實補償收縮混凝土抗壓強度

2.3 限制膨脹率

三種自密實膨脹混凝土分別在膨脹劑等質量代替4%、8%、12%、16%的水泥的情況下，混凝土在各期齡（3天、7 天、14 天、28 天）限制膨脹率如表11、表12 和表13 所示，當限制膨脹率的數值為正值時，說明混凝土膨脹大于收縮，混凝土處于膨脹狀態；當限制膨脹率的數值為負值時，說明混凝土收縮大于膨脹，混凝土處于收縮狀態；當限制膨脹率的數值為零值時，說明混凝土的膨脹抵消收縮。從表11、表12 和表13 可知C40 在膨脹劑摻量為0%和4%的情況下各齡期均處于收縮狀態，由于膨脹劑摻量不足，導致膨脹劑的膨脹效果不能很好的抵償混凝土的收縮。C60 和C80 在膨脹劑摻量為4%以上時，混凝土都處于膨脹狀態，膨脹劑的膨脹效果較好的抵御了自密實混凝土的收縮特性。但是，過度添加膨脹劑也會產生負面效果，在膨脹劑摻量達到12%和16%的時候，混凝土出現了開裂甚至松散的狀況。

3 結語

本文設計了C40、C60 以及C80 自密實補償收縮混凝土的配合比。

表11 C40 自密實補償收縮混凝土限制膨脹率

表12 C60 自密實補償收縮混凝土限制膨脹率

表13 C80 自密實補償收縮混凝土限制膨脹率

⑴流動性方面：采用8%、12%和16%代替等質量水泥的流動性比不采用膨脹劑和采用4%膨脹劑的流動性要明顯要好。但采用8%、12%和16%的膨脹劑來代替同質量水泥的配合比的流動性相差不大，甚至有采用8%的拌合物流動性比16%拌合物好的情況。

⑵強度方面的影響：隨著摻雜膨脹劑的比例增大，三種設計強度的混凝土都在減小。但是膨脹劑和強度之間的關系不是線性相關的，在膨脹劑2 摻量大于8%后，強度下降幅度就會大幅增大。而摻量在8%的膨脹劑與不摻膨脹劑或摻4%膨脹劑的混凝土強度相差不大。

⑶膨脹率方面的影響：三種配合比，當摻膨脹劑的比例在4%及以下的時候，膨脹率過低，甚至有出現小于0（收縮）的情況，達不到膨脹的效果。而當膨脹劑的摻雜比例大于8%時，會出現膨脹率過高，可能存在開裂的風險。

在綜合考慮了強度、流動性以及膨脹率三方面的因素之后，最終選擇40-M8、60-M8 以及80-M8 為最優配合比。