不同膨脹源的膨脹發展歷程及其在大體積混凝土中的應用

秦哲煥，劉 敏,孔慶勛,紀憲坤，朱國軍

(1.武漢三源特種建材有限責任公司，武漢 430083；2.中國核電工程有限公司，北京 100000)

收縮是混凝土材料本身的特性，80%的混凝土結構裂縫都是由收縮變形造成的[1]。為了減少或者消除混凝土的收縮變形，降低混凝土的開裂風險，補償收縮混凝土應運而生[2,3]。混凝土膨脹劑是補償收縮混凝土的關鍵材料。我國從20世紀70年代就開始了對膨脹劑的研究，經過多年的努力，研制出了各種類別及型號的膨脹劑。根據膨脹源的不同，可分為鈣類膨脹源、鎂類膨脹源以及鈣鎂復合型膨脹源[4,5]。

各種類型的膨脹劑已經廣泛應用于混凝土施工中，也取得了較為理想的效果。結合已有研究基礎，測試了三組不同膨脹源在不同養護制度下的膨脹發展規律，并澆筑足尺模型，研究不同類型膨脹源在實體結構混凝土中的應用效果，這對工程應用中膨脹劑的選擇具有一定的指導意義。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

膨脹劑選用武漢三源特種建材有限公司生產的M型(120 s)MgO膨脹劑(S-M)和氧化鈣類膨脹劑(S-C)，兩種膨脹劑的化學分析見表1，鈣鎂復合類使用氧化鈣類與氧化鎂類1∶1復配得到(S-CM)；水泥采用華新生產的PO42.5水泥，其主要性能指標見表2；粉煤灰為F類Ⅰ級灰，細度為3.4%；礦粉為S95級，密度為2.91 g/cm3；粗骨料為5～25 mm連續級配碎石；細骨料為2區中砂，細度模數2.6；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率21%；水為普通自來水。

表1 膨脹劑化學分析 /%

1.2 配合比

混凝土配合比采用某工程項目用配合比，具體見表3。膨脹劑摻量為膠凝材料總量的8%，替換部分水泥和粉煤灰，減水劑摻量根據各組混凝土的工作狀態調節，以坍落度(180±20)mm為控制指標。膠砂配合比采用表3中的膠凝材料體系，即PO 42.5水泥(69.7%)、粉煤灰(20.2%)、礦粉(10.1%)，詳細配合比見表4。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

表4 膠砂試驗配合比 /g

2 結果與分析

2.1 溫度對膨脹性能的影響

分別以三種不同類型膨脹劑成型膠砂試件，并與基準組對照，研究其在不同水養(SY)養護溫度(20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃)下的限制膨脹率發展情況。限制膨脹率采用《混凝土膨脹劑》GB/T 23439中附錄A進行，拆模強度為8～12 MPa。高溫水養條件提前6 h放入標養室降溫，測量完后重新放入相應條件下養護。圖1～圖4是不同溫度下膠砂限制膨脹率的發展歷程。

結合圖1～圖4可以看出，隨著養護溫度的升高，三種膨脹劑的早期水化速率均得到不同程度的提高。氧化鈣組在20 ℃下7 d已趨于穩定，40 ℃下5 d趨于穩定，60 ℃及以上溫度條件下在2 d左右趨于穩定。氧化鈣的水化速率隨溫度提高，但膨脹總量隨著溫度的升高有下降的趨勢。根據膨脹理論[6，7]，只有試件的膨脹與強度協調發展，才能產生最大的膨脹率，高溫雖然能提升膠凝材料的水化速率，但溫度過高會使試件過早的獲得較高的強度，使漿體內部約束大，從而導致膨脹率低。氧化鎂對溫度的敏感性更高，20 ℃時其28 d產生的膨脹率在三種膨脹劑中最小，但隨著溫度升高，其早期水化速率逐步接近氧化鈣類膨脹劑，在80 ℃條件下，14 d膨脹量趨于穩定。鈣鎂復合型在各齡期產生的膨脹率處于鈣類與鎂類之間。

膨脹劑的膨脹機理是水化反應致使固相體積增大，限制膨脹率趨于穩定值說明其基本反應完全。由此可知，氧化鈣在常溫下就具有較高的活性，其提供的膨脹能集中在早期；氧化鎂具有延遲水化的特性，低溫時反應速率慢，且28 d水化程度低，溫度達40 ℃以上時，才能有效激發氧化鎂的活性，產生充足膨脹能。以不同膨脹源的膨脹發展歷程為參考，補償收縮混凝土在應用時，可根據不同的工況進行復合型調控，使“有效膨脹窗口”與混凝土自身的收縮相匹配[8]，防止混凝土開裂。

2.2 濕度對膨脹性能的影響

選擇三種膨脹源，研究其在標準養護(BY)、絕濕養護(JS，先采用薄膜包裹兩層，再用錫箔紙粘貼覆蓋)、水養7 d轉干空(SG)、干燥養護(GZ)條件下膠砂的限制膨脹率發展規律，見圖5～圖8。從圖中可以看出，標準養護與20 ℃水養各組膨脹發展規律一樣，但在同齡期內，相同膨脹劑的標養試件產生的膨脹量比水養條件下小，說明水分越富足的養護條件對膨脹劑的補償收縮效果越好。絕濕養護中，試件與外界沒有水分的交換。水化早期，膨脹劑產生了一定的膨脹能，相比標養和水養，產生的膨脹能較低，且試件隨著齡期的增長會產生收縮，氧化鈣組在3 d后呈收縮趨勢，氧化鎂組在14 d后開始收縮，鈣鎂復合組在7 d后收縮。試件中的水泥會水化而產生強度，膨脹劑也需要水而起到補償收縮作用，膠砂試件自身含有的自由水有限，兩者對水分的爭奪導致試件早期膨脹量小，后期缺水干縮。在干燥空氣中，各組均會發生不同程度的收縮，且收縮呈現先迅速后平緩的趨勢，外部的水分蒸發，內部的水分向外遷移，試件內部的缺水，會造成由表及里的收縮，增加了干縮變形產生的開裂風險。

2.3 足尺模型應用

按表3中的配合比分別成型邊長為3 000 mm和1 500 mm的立方體混凝土試塊，于夏季高溫季節成型，澆筑前將振弦式應變計提前埋入混凝土中心位置，通過MCU-32型應變自動監測儀采集混凝土中心位置的應變。

1)應變

模型的應變數據結果見圖9和圖10。從圖9、圖10中可以看出，基準組在早期快速收縮，后期趨于穩定，摻有膨脹劑的各組呈現先膨脹后收縮的規律。1 500 mm尺寸結構中，60 d時，應變由大到小依次為S-M>S-CM>S-C，S-C呈略微收縮狀態；3 000 mm尺寸結構中，只有S-M和S-CM的補償收縮作用較為理想，S-C在早期就持續為收縮狀態，80 d時微應變約為-100，S-M在早期應變雖產生一定程度的降低，2 d之后的階段，應變就趨于穩定，80 d時微應變仍可保持在42左右。

膨脹劑在混凝土中的膨脹可以分為無效膨脹和有效膨脹，混凝土的塑性階段是強度生成的過程，這個時期膨脹劑產生的膨脹能并不能夠得到有效儲存[8，9]。氧化鈣類膨脹劑自身活性高、放熱量大，將其用于大體積混凝土中，混凝土在硬化前，氧化鈣類膨脹劑已基本反應完全，大部分膨脹能都屬于無效膨脹。氧化鎂膨脹劑的活性隨溫度升高而逐漸激發，大體積混凝土具有溫升高、散熱慢的特點，在混凝土的降溫階段也可以長時間保持氧化鎂高活性所需要的溫度，其膨脹水化的過程可以更好地與混凝土的“有效膨脹窗口”所匹配，整體產生的有效膨脹能更高[10]。

2)裂縫統計

模型澆筑一個月后，對8組試塊的裂縫信息進行統計，結果見表5。從表5中可以看出，膨脹劑的加入，可以有效減少和避免裂縫的產生，混凝土結構尺寸越大，開裂風險越高。以基準組為例，3 000 mm模型的裂縫數量達到22條，其單位面積的總開裂面積是1 500 mm的6.5倍。在3 000 mm模型中，氧化鎂組的裂縫降低系數最高，達到98.5%，鈣鎂復合組次之，氧化鈣組最小，與混凝土的應變監測數據相符合。

表5 足尺模型裂縫信息

3 結 論

a.不同膨脹源的膨脹發展規律存在差異。氧化鈣類膨脹源的活性高，在常溫下就可以很好的進行水化，水化集中在早期，溫度的升高只是進一步提升其反應速率，適用于施工環境溫度低、混凝土溫升低的工況；氧化鎂類膨脹源低溫時活性低，但其溫度敏感性高，水化反應存在一定的延遲，溫度達40 ℃以上時可以激發其反應活性，適用于夏季施工和溫升高、散熱慢的大體積混凝土。

b.養護制度在很大程度上影響膨脹劑的補償收縮效果。水分充足的環境中，膨脹劑可以有效補償混凝土的收縮，干燥環境下，膨脹劑的效用只體現在早期，對降低中后期混凝土的收縮沒有作用。因此，在建筑工程中，延長灑水養護的時間，有利于補償收縮混凝土的應用。

c.足尺模型數據表明，混凝土結構尺寸越高，開裂風險也相應更高。氧化鎂類膨脹源可以更好地與大體積混凝土的“有效膨脹窗口”所匹配，在3 000 mm模型中，其補償收縮效果最好，裂縫降低系數達到98.5%。

d.針對實際項目工況，可進行膨脹源種類及復配比例的選擇，使膨脹劑的膨脹與混凝土收縮完成很好的匹配，從而達到理想的應用效果。