摻不同外加劑對水工混凝土性能的影響研究

尉紅星

(新民市水利服務中心，遼寧 新民 110300)

水工混凝土是一種非均質(zhì)多相復合材料，受原材料、約束條件、養(yǎng)護方法和入模溫度等因素影響極易出現(xiàn)裂縫，尤其是北方寒冷地區(qū)的水工結構開裂問題比較突出，而裂縫的存在會進一步降低結構強度、耐久性和穩(wěn)定性。混凝土開裂形成裂縫會增大結構滲透性，有害介質(zhì)侵入道正鋼筋銹蝕以及水泥基質(zhì)的弱化，使得結構承載力和工程質(zhì)量明顯下降，因此裂縫控制逐漸成為工程技術研究的熱點[1-2]。實踐表明[3]，減縮劑能夠有效延緩混凝土的開裂時間以及降低其自收縮和干燥收縮，對控制混凝土開裂寬度顯著作用。膨脹劑產(chǎn)生的體積微膨脹會抵消硬化過程中因溫降引起的體積收縮，從而改善其防滲抗裂性能[4-5]。因此，文章利用室內(nèi)試驗探討了摻膨脹劑和減縮劑混凝土的抗裂性能、抗沖擊韌性、基本力學性能、抗沖磨強度以及自身體積變形。

1 試驗研究

1.1 原材料

采用渾河P·MH 42.5級中熱硅酸鹽水泥，綏中電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，S95級礦粉；粗、細骨料選用石粉含量10.6%的普通碎石和細度模數(shù)2.80的人工砂，外加劑選用科諾QW-4聚羧酸高效減水劑和蘇博特GYQ-Ⅲ高效引氣劑，膨脹劑的性能指標，見表1；減縮劑的性能指標，見表2。

混凝土拌合物性能及其試驗配合比如表3。結果顯示，為使混凝土含氣量達到3%-4%范圍，摻BT-5001減縮劑時引氣劑GYQ-Ⅲ摻≥0.016%，摻DC-C10膨脹劑時引氣劑GY3-Ⅲ摻量≥0.007%。混凝土配合比，見表3。

表1 膨脹劑的性能指標

表2 減縮劑的性能指標

表3 混凝土配合比

1.2 試驗方法

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》進行混凝土抗沖磨強度、劈裂強度、抗壓強度、自生體積變形、干縮和極限拉伸值測試，采用自由落錘沖擊試驗法和美國混凝土協(xié)會推薦的ACI544.2R沖擊法進行混凝土抗沖擊韌性試驗，并利用設計規(guī)范推薦的平板法測試混凝土的抗裂性能[6]。

2 結果與分析

2.1 混凝土極限拉伸值和強度

摻膨脹劑和減縮劑的水工混凝土極限拉伸值及強度測試結果，混凝土極限拉伸值與強度值，見圖1。試驗表明，摻BT-5001減縮劑試樣(SP-1)的極限拉伸值、強度值與基準對照組(SP-0)相比明顯下降，但極限拉伸值到180d齡期時表現(xiàn)出一定的倒縮現(xiàn)象；摻DC-C10膨脹劑混凝土(SP-2)的極限拉伸值較基準硅粉混凝土(SP-0)有所增大，強度變化不明顯，但抗拉強度和極限拉伸值于180d齡期時也表現(xiàn)出倒縮現(xiàn)象。

DC-C10膨脹劑的主要成分有無水硫鋁酸鈣和無水石膏，這種硫鋁酸鈣類減水劑與水泥、水拌和后，經(jīng)水化生成鈣礬石。這種膨脹劑的水化產(chǎn)物不具有凝膠特性且早期水化速率快，相當于增加了水膠比，降低了凝膠材料總量和混凝土強度[7]。一定摻量范圍內(nèi)的膨脹劑可以略微提高混凝土早期強度，摻量適中時受外界限制條件和混凝土自身強度的約束，膨脹劑產(chǎn)生的膨脹應力可以改善界面過渡區(qū)的結構，提高混凝土密實度及其強度[8-10]。

2.2 混凝土自生體積變形和干縮性

摻膨脹劑和減縮劑的水工混凝土自生體積變形及干縮測試結果，混凝土的自生體積變形和干縮，見圖2。試驗表明，摻DC-C10膨脹劑或BT-5001減縮劑能夠控制混凝土的干縮，相對而言摻DC-C10膨脹劑具有更好的干縮抑制效果；混凝土中摻入BT-5001減縮劑表現(xiàn)出一定的自生體積變形收縮現(xiàn)象，但其自生體積變形較基準混凝土收縮要小；混凝土中摻入DC-C10膨脹劑表現(xiàn)出自生體積變形先膨脹后收縮的變化特征，并且其后期自生體積收縮超過基準混凝土。通過分析減縮劑的作用機理可知，該外加劑能夠孔隙水表面張力和毛細孔失水形成的收縮應力，并通過減縮劑增大孔隙水黏度來提高凝膠體中水分子的吸附作用，從而達到降低混凝土收縮值的目的。

2.3 混凝土抗沖擊韌性和抗沖磨強度

摻膨脹劑和減縮劑的水工混凝土抗沖擊韌性及抗沖磨強度測試結果，混凝土抗沖擊韌性和抗沖磨強度值，見表4。試驗表明，水工混凝土抗沖磨強度受BT-5001減縮劑的影響較小，DC-C10膨脹劑的摻入會在不同程度上降低混凝土各齡期的抗沖磨強度，其抗沖磨強度較同齡期基準混凝土降幅可以達到近20%。此外，摻DC-C10膨脹劑或BT-5001減縮劑混凝土的抗沖擊韌性較基準混凝土均有所下降，由此表明DC-C10膨脹劑或BT-5001減縮劑不利于混凝土抗沖擊韌性的提升。

(a)極限拉伸值 (b)抗壓強度

表4 混凝土抗沖擊韌性和抗沖磨強度值

2.4 混凝土抗裂性能

摻膨脹劑和減縮劑的水工混凝土抗裂性能評價指標測試結果，混凝土抗裂性能，見表5，隨時間變化平板開裂最大裂縫變化曲線，混凝土開裂最大裂縫寬度變化，見圖3。試驗表明，摻BT-5001減縮劑有利于減少混凝土平板的總裂縫面積、裂縫數(shù)目和延緩開裂時間，可以明顯改善平板抗裂性；雖然摻入DC-C10膨脹劑可以延長平板開裂時間，但裂縫總面積和最大裂縫寬度也有所增大，對于改善混凝土抗裂性作用不明顯。

表5 混凝土抗裂性能

圖3 混凝土開裂最大裂縫寬度變化

通過分析減縮劑抑制開裂的作用機理可知，水化熱引起的溫度升降、混凝土自收縮以及早期的化學收縮等極易造成混凝土開裂，減縮劑的早期收縮率較大特征能夠明顯降低混凝土開裂趨勢；此外，減縮劑通過減小溶液的表面張力可以達到減少混凝土收縮，從而有效防止開裂的作用[11-12]。深入分析膨脹劑抑制開裂的作用機理，膨脹劑的收縮補償作用抑制了混凝土的收縮，并且由于補償收縮過程中大幅度提高了混凝土的抗拉強度，開始收縮時的抗拉強度得到明顯增長，足以抵抗收縮變形，有效控制或明顯減少了混凝土的開裂[13]。

3 結 論

1)BT-5001減縮劑的摻入會在一定程度上降低混凝土的極限拉伸值和強度，并且極限拉伸值于180d齡期時表現(xiàn)出倒縮現(xiàn)象；BT-5001減縮劑有利于減少混凝土自生體積收縮和干縮，能夠有效改善混凝土抗裂性能，但混凝土抗沖磨強度受BT-5001減縮劑的影響較小。

2)DC-C10膨脹劑的摻入對混凝土強度的影響較小，較基準混凝土極限拉伸值有所提高，并且抗拉強度和極限拉伸值于180d齡期時表現(xiàn)出倒縮現(xiàn)象；混凝土中摻入DC-C10膨脹劑時，其自生體積變形呈先膨脹后收縮的變化特征，并且后期自生體積收縮超過基準混凝土。

3)DC-C10膨脹劑和BT-5001減縮劑的摻入會在不同程度上降低混凝土的抗沖擊韌性；同齡期條件下，DC-C10膨脹劑的摻入會降低近20%的抗沖磨強度，其改善混凝土抗裂性作用不明顯。