雙膨脹源膨脹劑對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土力學(xué)性能及抗裂性能的研究*

焦田田，王林，何鑫鑫，魏子程

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

0 引言

混凝土由于干縮、溫度收縮、自收縮等原因產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象一直存在，大摻量礦物摻合料可以降低混凝土的早期放熱，雙膨脹源膨脹劑可以抵消混凝土的收縮，將兩者同時(shí)運(yùn)用可以改善混凝土開(kāi)裂[1-3]。膨脹劑按水化產(chǎn)物的不同分為硫鋁酸鈣類(lèi)混凝土膨脹劑、氧化鈣類(lèi)混凝土膨脹劑和硫鋁酸鈣—氧化鈣類(lèi)混凝土膨脹劑，其中硫鋁酸鈣—氧化鈣類(lèi)混凝土膨脹劑經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石和氫氧化鈣，具有氧化鈣類(lèi)和硫鋁酸鈣類(lèi)膨脹劑的特點(diǎn)，也具有膨脹性能穩(wěn)定、膨脹能高、膨脹速率快等特點(diǎn)[4-5]。粉煤灰和礦粉在大摻量礦物摻合料混凝土中運(yùn)用較為廣泛，可以降低混凝土的早期放熱，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性[6-8]。

目前國(guó)內(nèi)基于大摻量礦物摻合料混凝土及雙膨脹源膨脹劑的研究分別較為成熟，但是針對(duì)雙膨脹源膨脹劑在大摻量礦物摻合料混凝土的運(yùn)用研究案例較少，大摻量礦物摻合料混凝土運(yùn)用已較為廣泛，但早期強(qiáng)度較低及開(kāi)裂的問(wèn)題依然存在[9-10]。本文將研究硫鋁酸鈣—氧化鈣類(lèi)雙膨脹源膨脹劑在大摻量礦物摻合料（粉煤灰30%+礦粉 20%）混凝土中的運(yùn)用，及不同摻量的雙膨脹源膨脹劑對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土強(qiáng)度、混凝土限制膨脹率和混凝土抗裂性能影響。

1 原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本文采用的是天津豹鳴股份有限公司生產(chǎn)的雙膨脹源膨脹劑（硫鋁酸鈣—氧化鈣類(lèi)混凝土膨脹劑），其性能滿(mǎn)足 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》對(duì)Ⅱ型硫鋁酸鈣—氧化鈣混凝土膨脹劑的要求，各組分質(zhì)量百分比詳見(jiàn)表 1。本試驗(yàn)采用的是北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；河南遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司提供的試驗(yàn)級(jí)粉煤灰；金泰成科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)礦粉；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為 2.4 的河砂；粗骨料選用粒徑為 5～20 mm 連續(xù)級(jí)配的碎石；減水劑的減水率為 25%。

表 1 雙膨脹源膨脹劑各組分質(zhì)量百分含量 %

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)方法：水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)試膠砂試件齡期為 7d、28d 的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量齡期分別為 3d、7d、28d 和 56d 的自由強(qiáng)度和限制強(qiáng)度；限制膨脹率試驗(yàn)參照 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》規(guī)定的方法分別測(cè)定膠砂和混凝土的限制膨脹率；混凝土抗裂性能用抗裂圓環(huán)法觀察不同摻量雙膨脹源膨脹劑試塊的開(kāi)裂情況。

（2）試件制作及養(yǎng)護(hù)

膠砂限制膨脹試件：將膠砂澆筑在帶有縱向鋼筋限制器的模具內(nèi)，以形成膠砂試件，所用縱向鋼筋限制器見(jiàn)圖 1。試件脫模后在 1h 內(nèi)測(cè)量實(shí)體的初始長(zhǎng)度。測(cè)量完初始長(zhǎng)度的試件立即放入水中養(yǎng)護(hù)，測(cè)量水養(yǎng)第1d、3d、7d 的長(zhǎng)度。然后移入恒溫恒濕室中（濕度為70% R.H.）養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)量空氣中第 21d、28d 的長(zhǎng)度變化，度數(shù)精確至 0.001mm。

混凝土限制膨脹試件：將混凝土裝入澆筑在帶有縱向鋼筋限制器的模具內(nèi)，以形成混凝土限制試件，所用縱向鋼筋限制器見(jiàn)圖 2。測(cè)量完初始長(zhǎng)度的試件立即放入到恒溫水槽中養(yǎng)護(hù)，測(cè)量 1d、3d、7d、14d 水養(yǎng)試體的長(zhǎng)度變化，14d 后將試件移入恒溫恒濕室中（濕度為 70% R.H.）養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)量空氣中第 14d、28d 的長(zhǎng)度變化，度數(shù)精確至 0.001mm。養(yǎng)護(hù)時(shí)注意保護(hù)試體測(cè)頭，試體之間的距離為 30mm。

限制膨脹率更能反映約束狀態(tài)下混凝土的變形性能，故本試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)試膠砂和混凝土的限制膨脹率來(lái)觀察雙膨脹源膨脹劑的膨脹性能。限制膨脹率的計(jì)算：

圖 1 測(cè)試砂漿限制膨脹率的縱向限制器

圖 2 測(cè)試混凝土限制膨脹率的縱向限制器

式中：

ε——所測(cè)齡期的限制膨脹率，%；

L1——所測(cè)齡期的試件長(zhǎng)度測(cè)量值，mm；

L——試件的初始長(zhǎng)度測(cè)量值，mm；

L0——試件的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，mm；膠砂限制試件為140mm，混凝土限制試件為 300mm。

注：取相近的 2 個(gè)試體測(cè)定值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

混凝土抗壓試件：制作 10mm×10mm×10mm 的立方體試件，測(cè)試試件帶模濕養(yǎng)護(hù) 7d 后拆模挪至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)的限制強(qiáng)度，測(cè)試試件以保鮮膜覆蓋養(yǎng)護(hù) 24小時(shí)后拆模挪至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)的自由強(qiáng)度，測(cè)試齡期分別為 3d、7d、28d、56d。

混凝土抗裂試件：本試驗(yàn)采用圓環(huán)約束試驗(yàn)，內(nèi)環(huán)直徑 305mm、外環(huán)直徑 425mm、高 100mm，詳見(jiàn)圖3。每組配合比做兩組試驗(yàn)，自由組在 24h 后拆除外圍擋板，并放置于恒溫恒濕的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)觀察其抗裂情況，限制組在覆蓋濕布養(yǎng)護(hù) 7d 后拆除外圍擋板，挪至于恒溫恒濕的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)觀察其抗裂情況。

1.3 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比：C30 及 C50 混凝土試驗(yàn)中均采用 50%的礦物摻合料的膠凝材料，其中水泥、粉煤灰、礦粉這三種材料按比例（5:3:2），雙膨脹源膨脹劑分別占膠凝材料總量的 0%、3%、6%、9%、12%，等比例替代膠凝材料中各組成材料。配合比詳見(jiàn)表 2 和表 3。

圖 3 混凝土圓環(huán)抗裂模具

表 2 水泥膠砂配合比 g

表 3 大摻量礦物摻合料混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙膨脹源膨脹劑對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土力學(xué)性能的分析

雙膨脹源膨脹劑摻量對(duì)膠砂力學(xué)性能的影響見(jiàn)表4、圖 4 和圖 5。

通過(guò)表 4、圖 4 和圖 5 膠砂試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可以看出，雙膨脹源膨脹劑對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均是有先增強(qiáng)后削弱的作用，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)大致相同，當(dāng)雙膨脹源膨脹劑添加量為膠凝材料 6% 時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度表現(xiàn)最好，雙膨脹源膨脹劑可以有效抵消膠凝材料的收縮，使得試塊更加密實(shí)，但是當(dāng)摻量過(guò)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致破壞性膨脹，降低強(qiáng)度。

表 4 膠砂力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 MPa

圖 4 膨脹劑摻量對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的影響

圖 5 膨脹劑摻量對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

表 5、圖 6、圖 7 和表 6、圖 8、圖 9 分別為 C30 和C50 混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果。

表 5 C30 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表 6 C50 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

圖 6 膨脹劑摻量對(duì) C30 混凝土限制強(qiáng)度的影響

圖 7 膨脹劑摻量對(duì) C30 混凝土自由強(qiáng)度的影響

通過(guò)對(duì)摻加不同比例的雙膨脹源膨脹劑 C30 混凝土和 C50 混凝土的自由強(qiáng)度和限制強(qiáng)度觀察可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)圖 6～9 對(duì) C30 及 C50 的自由強(qiáng)度和限制強(qiáng)度的觀察，限制強(qiáng)度較自由強(qiáng)度有略微的提高，限制強(qiáng)度由于早期 7d 的帶模養(yǎng)護(hù)，可以使得膨脹劑的膨脹性能和混凝土的收縮性能相互作用，增強(qiáng)混凝土的致密性，故而增強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度。因此，雙膨脹源膨脹劑運(yùn)用到實(shí)際工程中，帶模養(yǎng)護(hù) 7d 可以使雙膨脹源膨脹劑更好地提高混凝土的強(qiáng)度。

圖 8 膨脹劑摻量對(duì) C50 混凝土限制強(qiáng)度的影響

圖 9 膨脹劑摻量對(duì) C50 混凝土自由強(qiáng)度的影響

（2）通過(guò)圖 6～9 可以看出隨著雙膨脹源膨脹劑的增加，兩種配比混凝土的自由強(qiáng)度和限制強(qiáng)度均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，從各齡期的強(qiáng)度值可以看出，C30混凝土的限制強(qiáng)度在雙膨脹源膨脹劑添加量為 9% 時(shí)達(dá)到最高值，且與雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 組別的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，強(qiáng)度值較為接近；而自由強(qiáng)度在雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 時(shí)達(dá)到最高值，與雙膨脹源膨脹劑添加量為 9% 的一組增長(zhǎng)趨勢(shì)大致相同，但是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，9% 組較 6% 組的強(qiáng)度降低幅度越來(lái)越大；C50 混凝土中雙膨脹源膨脹劑添加量為 9% 的組在 28d前較 6% 組的強(qiáng)度略高且增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，但隨著齡期的增長(zhǎng)，自由強(qiáng)度與限制強(qiáng)度均在雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 的組達(dá)到最高值。

2.2 雙膨脹源膨脹劑對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土膨脹性能的分析

雙膨脹源膨脹劑摻量對(duì)膠砂膨脹性能的影響見(jiàn)表 7和圖 10。

表 7 膨脹劑摻量對(duì)膠砂限制膨脹率的影響 %

圖 10 膠砂在膨脹劑不同摻量下的限制膨脹率

表 8、圖 11 和表 9、圖 12 分別為 C30 和 C50 混凝土膨脹性能的試驗(yàn)結(jié)果。

表 8 C30 混凝土限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果 %

圖 11 C30 混凝土在膨脹劑不同摻量下限制膨脹率

表 9 C50 混凝土限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果 %

圖 12 C50 混凝土在膨脹劑不同摻量下限制膨脹率

通過(guò)對(duì)摻加不同比例雙膨脹源膨脹劑的膠砂、C30混凝土、C50 混凝土的限制膨脹率觀察可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)圖 10～12 可以看出雙膨脹源膨脹劑在50% 礦物摻合料（30% 粉煤灰+20% 礦粉）的膠砂和混凝土中具有較好的膨脹性能，水中的膨脹速率較快，在水中養(yǎng)護(hù) 7d 可以達(dá)到較高的膨脹能，隨著雙膨脹源膨脹劑摻量的增加，限制膨脹率也隨之增加。從水中養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)為恒溫恒濕的空氣中養(yǎng)護(hù)，隨著各試件水分的蒸發(fā)，膠砂試件和混凝土試件的限制膨脹率均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，充足的水分是雙膨脹源膨脹劑產(chǎn)生膨脹的重要條件。

（2）通過(guò)圖 11、圖 12 可以看出 C30 和 C50 兩種配比混凝土的限制膨脹率，在相同養(yǎng)護(hù)條件及膨脹劑添加比例一致的情況下，C50 混凝土的限制膨脹率要比C30 混凝土的限制膨脹率低，但是膨脹及收縮的規(guī)律基本一致，一是由于 C50 混凝土的膠凝材料用量較大，且水膠比較低，故沒(méi)有足夠的水分滿(mǎn)足膨脹劑的水化；二是由于 C50 混凝土強(qiáng)度較大，早期較高的強(qiáng)度限制了膨脹劑的膨脹。

（3）由水養(yǎng)轉(zhuǎn)為干空養(yǎng)護(hù)時(shí)，各組試件的限制膨脹率均出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，未添加雙膨脹源膨脹劑的試塊出現(xiàn)收縮狀態(tài)，而添加雙膨脹源膨脹劑的混凝土試塊仍然處于膨脹狀態(tài)，由圖 11 可以看出 C30 混凝土試塊在水養(yǎng) 14d 后挪至空養(yǎng)狀態(tài)時(shí)，限制膨脹率下降趨勢(shì)較快，隨著試塊內(nèi)部水分的蒸發(fā)，限制膨脹率趨于穩(wěn)定狀態(tài)；圖 12 顯示 C50 混凝土試塊限制膨脹率的上升速度和下降速度比 C30 混凝土慢，由于 C50 混凝土的強(qiáng)度較大，水膠比較低，故限制了雙膨脹源膨脹劑早期的膨脹，同理，當(dāng)膨脹才產(chǎn)生后隨著水分的蒸發(fā)，限制膨脹率的下降也較為緩慢。

2.3 雙膨脹源膨脹劑對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土抗裂性能的分析

本試驗(yàn)采用抗裂圓環(huán)模具進(jìn)行混凝土抗裂性能的測(cè)試，將表 3 各組 C30 混凝土裝入模具加以插搗和振搗，自由組表面覆蓋保鮮膜養(yǎng)護(hù) 24h 后拆掉兩側(cè)擋板，限制組帶模濕養(yǎng)護(hù) 7d 后拆除兩側(cè)擋板，然后放置于恒溫恒濕的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，每天觀察各試塊裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，28d 時(shí)裂縫的寬度，各組混凝土開(kāi)裂情況見(jiàn)表 10。

表 10 各組混凝土開(kāi)裂情況對(duì)比

圖 13 C30-SY-0% 裂縫寬度細(xì)節(jié)圖

圖 14 C30-SY-12%-自由組裂縫寬度細(xì)節(jié)圖

圖 15 C30-SY-12%-限制組裂縫寬度細(xì)節(jié)圖

通過(guò)對(duì)比，在養(yǎng)護(hù) 7d 時(shí)，添加雙膨脹源膨脹劑的限制組和自由組均未出現(xiàn)開(kāi)裂情況，第 8 天時(shí)，“C30-SY-0%-自由組”和“C30-SY-12%-自由組”出現(xiàn)細(xì)微裂縫，但是兩者產(chǎn)生裂縫的原因不同，“C30-SY-0%-自由組”是因?yàn)榛炷林兴值纳⑹б鸬母煽s，而“C30-SY-12%-自由組”則是因?yàn)榕蛎泟┨砑舆^(guò)量導(dǎo)致的破壞性裂縫；在第 10 天時(shí)，“C30-SY-0%-限制組”產(chǎn)生細(xì)微裂縫，由于限制帶模限制養(yǎng)護(hù)，所以“C30-SY-0%-限制組”的失水較自由組慢，故裂縫出現(xiàn)大的時(shí)間較自由組慢；在第 11 天時(shí)，“C30-SY-12%-限制組”開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，由于外圍擋板在前 7d 限制膨脹，使產(chǎn)生的膨脹有效補(bǔ)償收縮，故“C30-SY-12%-限制組”較“C30-SY-12%-自由組”的裂縫出現(xiàn)時(shí)間較慢，周?chē)南拗葡螅淅^續(xù)產(chǎn)生的過(guò)度膨脹依然會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生破壞性裂縫。“C30-SY-6%-自由組”和“C30-SY-6%-限制組”養(yǎng)護(hù)至 28d，均未出現(xiàn)裂縫。

雙膨脹源膨脹劑可以改善大摻量礦物摻合料混凝土的抗裂性能，通過(guò)使混凝土產(chǎn)生膨脹補(bǔ)償收縮，進(jìn)而達(dá)到抗裂的效果。其添加量及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)抗裂性能的影響尤為重要，通過(guò)表 10 各組的對(duì)比試驗(yàn)，在 C30 混凝土中適量添加雙膨脹源膨脹劑可以有效抑制混凝土的開(kāi)裂，自由組和限制組的比較可以得出帶模養(yǎng)護(hù) 7d 會(huì)延緩混凝土的早期開(kāi)裂，結(jié)合 2.1 雙膨脹源膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在 50% 礦物摻合料時(shí)添加 6% 的雙膨脹源膨脹劑，能夠最大程度地提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)可以有效抑制混凝土的開(kāi)裂。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)膠砂與混凝土力學(xué)性能、限制膨脹率及抗裂試驗(yàn)的研究可以得出以下主要結(jié)論：

（1）適量添加雙膨脹源膨脹劑且做好前期養(yǎng)護(hù)可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，添加過(guò)量會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 且?guī)ｐB(yǎng)護(hù) 7d 時(shí)可以更好地增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。

（2）膠砂試件及混凝土試件的限制膨脹率隨著雙膨脹源膨脹劑的增加而升高，在混凝土試件中水養(yǎng) 7d的膨脹性能已表現(xiàn)較好，在相同養(yǎng)護(hù)條件及膨脹劑添加比例一致的情況下，C30 混凝土的限制膨脹率要比 C50混凝土的限制膨脹率高，添加 12% 雙膨脹源膨脹劑水養(yǎng) 14d 時(shí) C30 混凝土限制膨脹率最高為 0.0698%，而C50 混凝土限制膨脹率最高為 0.0127%。從水中養(yǎng)護(hù)挪至恒濕恒溫的空養(yǎng)后，限制膨脹率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是添加雙膨脹源膨脹劑的試塊仍然處于膨脹狀態(tài)，當(dāng)試塊內(nèi)外濕度接近平衡時(shí)，膨脹也漸趨穩(wěn)定。

（3）適量的添加雙膨脹源膨脹劑可以有效改善混凝土的開(kāi)裂情況，但是添加過(guò)量會(huì)促使混凝土的開(kāi)裂，結(jié)合雙膨脹源膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在 50% 礦物摻合料混凝土中添加膠凝材料 6% 的雙膨脹源膨脹劑且?guī)ｐB(yǎng)護(hù) 7d，可以更好地提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)抑制混凝土的開(kāi)裂，雙膨脹源膨脹劑在大摻量礦物摻合料混凝土中的添加量不宜超過(guò) 9%，否則會(huì)產(chǎn)生破壞性膨脹導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂。