膨脹劑對混凝土脹縮變形及強度特征影響試驗研究

張先亮

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司 安徽合肥 230011)

1 引言

現代建筑時常涉及到大體積混凝土施工，如高層居民樓基礎、水利工程大壩壩體以及大型設備基礎等。大體積混凝土在凝結過程中會釋放大量水化熱，形成較大內外溫差梯度，在混凝土結構表面很容易形成因脹縮作用而產生的表面裂縫，隨著裂縫擴展貫通，結構防水性、耐久性將被破壞，從而影響其使用功能，最終成為結構的質量隱患，影響結構安全和正常使用[1]。

為使大體積混凝土施工和運營期裂縫得到有效控制，諸多研究人員從材料配比出發，通過改善混凝土材料配比，諸如采取較低水化熱的水泥、用礦粉或粉煤灰等材料代替部分水泥，或在水泥中摻入一定量膨脹劑材料，制成具有補償收縮性質的混凝土，可在很大程度上提高混凝土的抗裂能力，還可有效防止高強混凝土和大體積混凝土溫度裂縫的產生[2]。在混凝土中摻加一定量的膨脹劑，利用其產生的膨脹效應對混凝土收縮工況進行補償，制成體積穩定性好的補償收縮混凝土，是一種控制混凝土溫度裂縫有效又實用的方法[3]。目前，我國對于添加膨脹劑的混凝土研究大多集中于中低強度混凝土，且其研究主要方向在膨脹機理、礦物摻合料和養護溫度[4]、水膠比[5-6]、膨脹劑對于混凝土流動性及強度影響[7-9]和膨脹劑開發[10-11]及收縮效率[12]等方面。然而，對于大體積高強混凝土，尤其是結合實際工程有關溫度裂縫的探索研究較少。因此，在工程實際配比基礎上，摻加不同摻量的MgO膨脹劑、UEA膨脹劑和CSA膨脹劑，在保證施工強度情況下，探究不同膨脹劑對大體積混凝土的脹縮變形影響，選出較優配比膨脹劑，為實際工程提供科學支撐并為相關工程提供試驗參考。

2 試驗概述

2.1 試驗配合比材料

本試驗所用材料及其配比見表1。水泥選用蕪湖白馬山海螺公司生產的P.O42.5水泥；細骨料選用洞庭湖砂(中砂)，細度模數2.9，含泥量1.8%；粗骨料選自安徽國旭物資貿易有限公司，壓碎值7.7%，針片狀含量8%，含泥量0.4%；粉煤灰選用蕪湖國電F類Ⅰ級粉煤灰，細度為10.7%；減水劑選用DK-100(A)高性能緩凝型減水劑(聚羧酸系高性能減水劑)，減水率為28%，含氣量為2.6%，凝結時間差為105 min。在試驗配比基礎上，為了研究膨脹劑對大體積混凝土脹縮變形和強度特征的影響，分別在每方混凝土加入中20、30和40 kg的MgO膨脹劑、UEA膨脹劑和CSA膨脹劑(見表2)。

表1 試驗基礎配比

表2 試驗用膨脹劑種類及含量

2.2 混凝土試樣力學性能測試

(1)混凝土脹縮變形試驗

對每種配比混凝土，平行制作兩塊尺寸為100×100×515 mm的長方體標準試樣，采用標準養護，每隔2 d進行脹縮變形記錄并取其均值作為相應齡期脹縮變形量。

(2)混凝土抗壓強度試驗

對每種配比的混凝土，平行制作3塊尺寸為150×150×150 mm的立方體試件，分別標準養護至規定齡期(7 d和28 d)，利用單軸壓縮試驗機測試相應齡期下混凝土強度。試驗儀器及設備見圖1。

3 試驗數據分析與結論

3.1 混凝土和易性對比

混凝土和易性又稱混凝土的工作性，是指新制的水泥混凝土易于攪拌、運輸、澆筑以及搗實等各工序的施工操作，并使混凝土實體材料具備質量均勻、體積穩定以及結構密實等性能，具體包括材料的流動性、保水性以及黏聚性。不同試樣摻水量和坍落度結果見表3。

表3 不同試樣的摻水量和坍落度

混凝土施工未凝結硬化前必須具有良好的和易性，以確保施工便捷性和良好的澆灌質量。而在混凝土拌合物凝結硬化以后，成型混凝土應具有足夠的強度，保證混凝土實體能安全承受設計荷載。根據試驗材料，減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，具有低收縮、高減水率以及低坍落度損失等性能，且生產過程不會對環境造成污染，混凝土本身結構也具備可設計性等優點。根據試驗結果可知，膨脹劑種類不同所需含水量不同，其坍落度有較大差異。坍落度試驗可以有效測定混凝土拌合物的流動性，并采取直觀經驗判定其保水性和黏聚性。工程要求坍落度需在18～22 cm之間，調整含水量可確保坍落度要求。同等條件下，摻加MgO膨脹劑混凝土的需水量小于UEA、CSA膨脹劑。相同配比條件下，MgO混凝土需水量比UEA和CSA混凝土需水量可減少10 kg/m3，有效降低了水膠比，提高了混凝土強度和骨料間的粘結力。黏聚性相比較而言，在相同配比條件下，MgO遠優于UEA與CSA膨脹劑。CSA膨脹劑主要成分為無水硫鋁酸鈣和無水石膏，主要水化產物為鈣礬石，具有早期水化速率快、需水量大、水化程度強等特點[7]。而MgO膨脹劑主要成分為MgO及復摻的生石灰，產物主要為Mg(OH)2。與CSA膨脹劑相比，MgO類膨脹劑具有水化速率低、用水量少以及水化速率慢但能持續進行的特點。

3.2 不同膨脹劑對混凝土收縮變形的影響

由圖2a可知，摻加MgO膨脹劑的混凝土脹縮變形呈現規律性變化，前期MgO膨脹劑對于混凝土的膨脹收縮影響不明顯，14 d之后開始影響混凝土的收縮性能；不同MgO膨脹劑摻量均在脫模5 d后呈現出較大幅度膨脹，在脫模10 d后脹縮變化程度大體趨于平緩，M02、M03試樣呈現整體膨脹趨勢，且M03膨脹趨勢較為平緩，M04試樣表現為平緩膨脹且后期脹縮變形浮動小，故M04收縮變形較為良好。

由圖2b可知，與 MgO膨脹劑相比，UEA膨脹劑所制作的試塊收縮量變化波動較大。尤其是在試樣養護前期UEA膨脹劑影響了混凝土的收縮性能；各不同摻量的UEA膨脹劑試塊，與對照組相比，均呈現先膨脹后收縮的變化趨勢，前5 d表現為明顯膨脹，而后逐漸趨于穩定，U03曲線最為穩定。

由圖2c可知，CSA膨脹劑不同摻量對混凝土收縮變形影響較大，前期主要影響混凝土收縮性能。C04試樣呈整體最大收縮狀態，而C03、C02試樣收縮量變化較小，且整體呈現平緩變化趨勢。

據研究表明，鎂膨脹劑的膨脹性能呈現早期膨脹速率較低、膨脹量較小但其膨脹性能持續長達十幾年的時間，總膨脹量較大[13-14]；而硫鋁酸鈣類膨脹劑具有早期膨脹速率大、對養護要求高、膨脹量大的特點，隨著時間延長，膨脹速率逐漸減小并漸趨穩定，這與本試驗研究總體結論一致。

由收縮變形數據分析可知，C02和M04試樣收縮變形效果良好，其中M04收縮變形效果更佳。而UEA型膨脹劑收縮變形變化規律與摻量有很大關系，摻量越多其變化規律越復雜，較大程度影響了混凝土性能，具體結論需進一步研究證實。

3.3 不同膨脹劑對混凝土抗壓強度的影響

由圖3可知，三種膨脹劑混凝土28 d抗壓強度均達到強度要求。與對照組相比，三種膨脹劑混凝土強度均有所降低，整體而言，膨脹劑摻量越大，混凝土抗壓強度越低。針對早期抗壓強度(7 d)，添加MgO膨脹劑混凝土抗壓強度較好，平均為40 MPa；添加CSA膨脹劑的混凝土抗壓強度最低，平均強度未達到40 MPa。28 d抗壓強度均達到抗壓強度要求，其中以添加MgO膨脹劑的混凝土抗壓強度為最高。大量研究表明，一定摻量的膨脹劑對混凝土早期強度無影響或略有提高，甚至可以增加混凝土的后期強度；隨著膨脹劑含量進一步增加，強度則會迅速下降。由此可見，添加MgO膨脹劑對混凝土早期抗壓強度影響較小。

3.4 綜合對比分析

由圖4可知，添加MgO膨脹劑混凝土的7 d抗壓強度高于其他兩種膨脹劑，三種膨脹劑28 d抗壓強度較為接近，均達到強度要求水平，滿足工程需要。結合圖5脹縮變形數據，MgO膨脹劑混凝土脹縮變形整體變化程度相較于CSA和UEA膨脹劑變化幅度小，且MgO對后期混凝土補償收縮效果良好，變形穩定，可應用于實際工程中。

根據圖6，試樣表面出現片狀混凝土脫落現象，塑性效果較好，而試樣出現較明顯裂縫，說明脆性一般。

綜上所述，為滿足工程基礎配比所需強度、脹縮變形、和易性及流動性等方面的良好性能，MgO膨脹劑為最佳選擇，M04為試驗最佳配合比。

4 結束語

(1)在坍落度相同的情況下，摻加MgO膨脹劑的混凝土用水量明顯少于摻加UEA和CSA膨脹劑的混凝土，可以提高混凝土強度及水泥石與骨料粘結力，提高混凝土黏聚性。在相同情況下，摻加MgO膨脹劑的混凝土和易性較摻加UEA、CSA膨脹劑的混凝土更為穩定。

(2)在本工程試驗配比中，MgO膨脹劑對混凝土前期收縮變形影響不明顯，而對于14 d后的收縮變形具有良好的補償收縮作用；UEA和CSA混凝土對混凝土的前期收縮變形影響較大，添加40 kg的MgO膨脹劑的混凝土脹縮變形效果最優，而UEA、CSA膨脹劑試樣脹縮變形整體波動較大。

(3)與原始基礎配比相比，摻加膨脹劑會使試樣抗壓強度有所降低，且抗壓強度均呈規律性變化，整體上表現為隨膨脹劑摻量增加而降低的趨勢。摻加三種膨脹劑的混凝土28 d強度均達到高強度標準要求，其中摻加MgO膨脹劑的試樣強度更為穩定。