外加劑對泵送混凝土早期變形抑制作用研究

王冬，石明建，祝燁然，葉燕萍

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；2.南京瑞迪高新技術有限公司，江蘇 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 238281；5.寧波航通預制構件有限公司，浙江 寧波 315221）

0 前言

混凝土是一種非勻質復合材料，在硬化過程中會發生一系列復雜的物理化學反應，混凝土終凝前的沉降、水分蒸發和自生反應等引起的塑性收縮，因水泥漿與骨料彈性模量不同會引起微裂紋產生，微裂紋會在內、外部環境作用下隨時間發展出現初裂、通裂、擴展和體積不穩定變化，影響到混凝土外觀、耐久性，甚至建筑物結構安全和使用壽命[1]。

對于混凝土抗裂我們更多關注的是大體積溫度應力引起的裂縫問題，然而近年來高強、高性能混凝土的工程應用中出現了大量混凝土早期開裂現象，引起了這一領域技術人員對塑性裂縫（裂縫源頭）的關注。混凝土早期開裂現象主要與現代混凝土結構的約束、材料品質與施工工藝等各方面因素有關[2]，雖已不斷研發出礦物摻合料、纖維、水份蒸發抑制劑、內養護劑、減縮劑、膨脹劑等多種技術手段，但因材料及環境的復雜多變和經濟性原因，使得這些技術不能準確或正確應用，難以很好地解決混凝土開裂問題。

本文研究了不同外加劑對泵送混凝土早期變形的抑制作用，針對性分析了不同外加劑對混凝土早期不同階段內部與外部環境物理、化學作用，通過聯合和平衡不同外加劑作用更加合理地利用外加劑以減少混凝土早期收縮的問題，從而抑制早期微裂縫的產生和發展，使混凝土內應力分布更均勻、結構更連續，實現混凝土抗裂性能的提升。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：中國海螺P·O42.5水泥，比表面積355 m2/kg，其化學成分見表1；粉煤灰：南京熱電廠Ⅱ級粉煤灰，其化學成分見表1；砂：細度模數2.4的Ⅱ區Ⅰ類天然砂，含泥量0.8%，表觀密度2.675 g/cm3，空隙率36%；石子：5～31.5mm連續級配碎石，含泥量0.6%，針片狀含量11.2%；外加劑：南京瑞迪高新技術有限公司生產的聚羧酸系高性能減水劑（HLC-IX，減水率26%，含固量16.5%）、塑性膨脹劑（SP）、混凝土膨脹劑（氧化鈣類，PZ）、晶核早強劑（ZQ）和市售PVA纖維（PVA）；水：自來水。

表1 膠凝材料的主要化學成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土性能

新拌混凝土性能：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法》進行測試；混凝土力學性能參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試。

1.2.2 混凝土早期變形

在不考慮外部環境作用時，混凝土早期變形主要以塑性沉降及自收縮變形為主，本試驗測試混凝土在恒溫絕濕條件下由于漿體沉降和內部膠凝材料水化作用而引起的早期變形。測試方法參考DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規程》中混凝土的自生體積變形測試方法進行。其中：密封試件筒由直徑100 mm、長550 mm的PVC波紋管構成，底部采用塞子和502膠水密封，測試有效長度為500mm。試件制作時內部未內埋電阻應變計，而是采用自動應變采集系統，自裝模20 min后直接測試端部混凝土的變形情況，近似為漿體自生體積變形，以3個試件為1組。

1.3 試驗混凝土配合比設計

選取2個有具代表性的低強度等級C25和高強度等級C50泵送混凝土配合比，摻加聚羧酸減水劑HLC-IX，控制混凝土的出機坍落度為（220±10）mm，再分別摻入不同的外加劑：塑性膨脹劑（SP）、氧化鈣類混凝土膨脹劑（PZ）、晶核早強劑（ZQ）和PVA纖維（PVA），SP、PZ和ZQ的摻量為推薦最低摻量，PVA摻入易影響混凝土的施工狀態，本試驗選取不影響施工性能的超低摻量。分別測試不同外加劑對C25和C50泵送混凝土的拌和性能、力學性能及入模后～3 d的收縮變形的影響。C25和C50泵送混凝土中分別摻入膠凝材料質量的0.03%SP、6%PZ、0.2%ZQ和0.015%PVA纖維。C25泵送混凝土的基準配比為：水膠比0.54，砂率0.41，用水量185 kg/m3，膠凝材料總量為340 kg/m3，粉煤灰摻量為膠凝材料總質量的20%，見表2。C50泵送混凝土的基準配比為：水膠比0.33，砂率0.39，用水量176 kg/m3，膠凝材料總量為535 kg/m3，粉煤灰摻量為膠凝材料總質量的20%，見表3。

表2 C25泵送混凝土試驗外加劑及其摻量設計 %

表3 C50泵送混凝土試驗外加劑及其摻量設計 %

2.1 不同外加劑對混凝土性能的影響（見表4、表5）

表4 不同外加劑對C25泵送混凝土性能的影響

表5 不同外加劑對C50泵送混凝土性能的影響

由表4、表5可見：

（1）0.03%SP和0.015%PVA對C25和C50混凝土的流動性、含氣量、凝結時間和抗壓強度性能基本無影響。

（2）6%PZ和0.5%ZQ對C25和C50混凝土的流動性、含氣量略有影響，但影響不大；ZQ有明顯縮短凝結時間和提高早期、后期抗壓強度作用；PZ對凝結時間和抗壓強度影響不穩定，有縮短凝結時間和降低抗壓強度的可能。

2.2 不同外加劑對混凝土早期變形的影響

采用GS-Ⅱ型干縮變形自動測試儀測試混凝土的早期自生體積變形。將新拌混凝土裝入直徑100 mm、測試有效長度為500 mm的PCV管，內襯塑料薄膜，底部封死，頂部用塑料薄膜包裹密封，在室溫（20±2）℃恒溫絕濕條件下采用自動應變采集系統通過小玻璃板抵住混凝土表面，自裝模20 min和1 h后直接測試端部混凝土的變形情況，近似為漿體自生體積變形。C25和C50混凝土的早期變形測試結果分別見圖1、圖2和圖3、圖4。

由圖1、圖2可見：

（1）空白組C25泵送混凝土（D1-1）分別以20 min和1 h為初長測量起點時，測得3 d豎向收縮分別為820με和100 με，1 h內豎向收縮為1 h～3 d豎向收縮的7.2倍。

（2）空白組C25泵送混凝土以1 h為起始點，測得的終凝（8 h）豎向收縮值為3 d豎向收縮的28.0%。

（3）摻SP、PZ、ZQ和PVA組相對空白組C25泵送混凝土3 d豎向收縮抑制率，以20 min為測試起點時分別為26.5%、26.6%、28.8%和1%，以1 h為測試起點時分別為-3.0%、58.0%、-9.0%和6.0%。

圖1 測試起點為20 min時不同外加劑對C25混凝土3 d變形的影響

圖2 測試起點為1 h時不同外加劑對C25混凝土3 d變形的影響

圖3 測試起點為20 min時不同外加劑對C50混凝土3 d變形的影響

圖4 測試起點為1 h時不同外加劑對C50混凝土3 d變形的影響

由圖3、圖4可見：

（1）空白組C50泵送混凝土（G1-1）分別以20 min和1 h為初長測量起點時，測得3 d豎向收縮分別為961με和422 με，1h內豎向收縮為1 h～3d豎向收縮的1.3倍。

（2）空白組C50泵送混凝土以1 h為起始點時，測得的終凝（6h40 min）豎向收縮為3 d豎向收縮的59.0%。

（3）摻SP、PZ、ZQ和PVA組相對空白組C50泵送混凝土的3 d豎向收縮抑制率，以20 min為測試起點時分別為14.4%、28.4%、31.3%和0.6%，以1 h為測試起點時分別為：-1.2%、41.9%、25.8%和1.4%。

由此可見：（1）泵送混凝土1 h內塑性沉降變形大，C25混凝土較C50具有1 h內塑性沉降占早期收縮比例大的特點，即低強度等級較高強度等級混凝土的塑性沉降收縮在早期變形影響更大。幾種外加劑對于塑性沉降抑制作用大小為：ZQ＞SP＞PZ，微量PVA對塑性沉降無抑制作用。（2）終凝前塑性收縮占早期收縮比例大，不考慮1 h內塑性沉降C50較C25泵送混凝土終凝前塑性收縮率增大2.1倍，即高標號較低標號混凝土塑性向硬化轉化階段收縮大。對這個時期的收縮抑制作用最為明顯的外加劑是PZ。（3）由20 min和1 h不同起始點測得的豎向收縮對于判定外加劑保持混凝土體積穩定性作用的結論不同：20 min為起始點時，SP、ZQ和PZ外加劑對減小混凝土塑性收縮均有抑制作用；若1 h為起始點，則只有PZ外加劑在高、低強度等級混凝土中有作用體現。

3 結論

（1）SP和微量PVA對混凝土的施工性能、力學性能影響不大，ZQ有明顯縮短凝結時間和提高抗壓強度的作用，PZ對凝結時間和抗壓強度影響不穩定，有縮短凝結時間和降低抗壓強度的可能；

（2）分別以20min和1h為起始點，測試外加劑對混凝土早期變形作用得出的結論不同。測試起始點越早，越能準確地反映外加劑對混凝土早期變形的作用。

（3）在混凝土早期變形全塑性階段，低強度等級較高強度等級混凝土的沉降收縮占早期變形比例大，外加劑對抑制混凝土塑性沉降變形作用大小為：ZQ＞SP＞PZ，微量PVA作用不大。在混凝土彈塑性及硬化早期階段，高強度等級較低強度等級混凝土的收縮變形比例大，這個時期抑制收縮作用較穩定的外加劑為PZ。