外摻劑對超高性能接縫修復混凝土性能的影響研究

作者簡介：陳禮婧（1987—），碩士，副教授，主要從事建筑材料、施工技術研究工作。

摘要：為提升橋梁加固用接縫混凝土的性能，文章研究配制一種超高性能接縫修復混凝土，并探討減縮劑和膨脹劑對混凝土性能的影響。結果表明：減縮劑為1%時，混凝土漿體流動性最差，隨著減縮劑摻量增加，混凝土強度和自收縮變形減小，當減縮劑摻量為0.5%時，能夠有效降低混凝土的干燥收縮；隨著膨脹劑摻量增加，混凝土的流動度、抗折強度、自收縮變形、干燥收縮變形逐漸減小，當膨脹劑摻量為10%時，抗壓強度最大；復摻減縮劑和膨脹劑時，能夠進一步降低混凝土的收縮變形，同時維持流動度和強度。綜合比較認為，采用2%減縮劑+10%膨脹劑的復摻方式時，混凝土的綜合性能最佳。

關鍵詞：超高性能接縫修復混凝土；減縮劑；膨脹劑；流動度；強度；收縮變形

中圖分類號：U445.7⁺2

0 引言

公路橋梁中出現空心板鉸縫病害、預制 T 梁及小箱梁橫向接縫開裂病害等現象十分普遍，每年都需要花費很大的代價對這類公路橋梁進行維修與加固。但是現有橋梁接縫加固維修方法仍然存在著效率低下、性能較差、施工難度大和耐久性能差等問題，因此有必要尋找一種強度高、耐久性好、韌性強和收縮變形小的超高性能接縫修復混凝土來替代原有的維修加固方法^［1-2］。

通常，橋梁接縫修復材料可劃分為無機類、有機類、纖維改性類和聚合物改性類等多種類型。其中有機類修復材料操作簡單，材料容易獲取，修復成本低，因而在橋梁維修加固中廣泛采用^［3］。我國對于橋梁接縫維修加固，一般是采用比基體強度稍高的混凝土進行維修加固，但是逐漸暴露出一些問題：易產生收縮開裂、新舊面粘結力不夠、養護時間較長等。針對現有橋梁接縫維修加固施工要求，一是要求混凝土具備良好的流動性；二是要求混凝土的收縮變形小；三是要求具備良好的強度和耐久性，四是要求總體的經濟性，有必要設計一種各方面性能均較優的高性能接縫修復混凝土^［4-5］。

本文使用水泥、硅灰、粉煤灰、石英粉、減水劑、減縮劑和膨脹劑等原材料配制了一種超高性能接縫修復混凝土^［6-7］，重點探討了減縮劑和膨脹劑對該類混凝土性能的影響，以期能為橋梁接縫維修加固設計、施工提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

在本次試驗中，超高性能接縫修復混凝土的主要原材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、硅灰（粒徑＜1 μm）、I 級粉煤灰、石英粉（325目，密度2.645 g/cm³，平均粒徑為50.5 μm）、石英砂（20～40目，粒徑為0.55～0.9 mm，含水率為1.5%）、減水劑（聚羧酸系高效減水劑，堆積密度為580 g/L，減水率gt;30%，含固量為40%）、BHY-2A減縮劑（減縮率為50%～80%）、HCSA 膨脹劑［主要成分為CaO（占比50.6%）和SO₃（占比27.5%）］。

1.2 配合比方案設計

本次試驗中，超高性能接縫混凝土的水膠比定為0.2，基礎材料的用量比值為水泥∶粉煤灰∶硅灰∶石英砂∶石英粉=1∶0.10∶0.25∶1.1∶0.25，減水劑摻量均為2%。試驗共設計單摻減縮劑、單摻膨脹劑和復摻減縮劑+膨脹劑三組，減縮劑和膨脹劑均采用外摻方式，單摻減縮劑摻量分別為0、0.5%、1%和2%，單摻膨脹劑的摻量分別為0、8%、10%、12%，復摻減縮劑+膨脹劑的摻量分別為1%+8%、1%+10%、2%+8%和2%+10%。試驗配合比設計情況見表1。

1.3 試件成型與養護

（1）按照試驗配合比稱取相應重量的用料；（2）將攪拌鍋預先潤濕后擦干表面，依次加入水泥、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、減水劑、減縮劑和膨脹劑等原材料，干拌120 s；（3）向攪拌機中摻入對應重量的水，先慢攪240 s，再快攪240 s；（4）將攪拌好的拌和料倒入鋼膜中，蓋上塑料薄膜后自然養護1 d拆模；（5）將試件進行編號，然后在溫度為 20±2 ℃，濕度gt;95%的標準環境中養護28 d；（6）對于進行干縮試驗的試件，先在標準養護箱中養護7 d，然后移入干縮養護箱［溫度為（20±2 ℃），相對濕度為（60±5）%］中養護對應的時間；（7）取出試件進行對應性能測試。

1.4 試驗內容

本次試驗主要對混凝土的流動度、抗折強度、抗壓強度、自收縮和干燥收縮性能進行測試。

外摻劑對超高性能接縫修復混凝土性能的影響研究/陳禮婧

2 對工作性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復混凝土的流動度測試結果見圖1。從圖1中可知：單摻減縮劑情況下，混凝土的初始流動度（0 min）和經過30 min后的流動度均隨減縮劑摻量的增加呈先減小后增大的變化特征。當減縮劑摻量為1%時，流動度最低，分別僅為249 mm和237 mm。這可能是由于減縮劑中的某些化學成分對減水劑的效果有一定的抑制作用，因此一開始會降低混凝土流動度。但是由于減縮劑為液體，混凝土中自由水增加，因此當摻量超過一定量后，流動度又會逐漸增加。摻入0.5%、1%和2%的減縮劑后，混凝土在30 min內的流動度損失分別為13 mm、12 mm和10 mm，而不摻入外加劑時損失為23 mm，表明摻入減縮劑可大幅降低流動度的短期損失，且減縮劑摻量越高，損失越小。這是因為摻入減縮劑降低了混凝土中孔溶液的蒸發速度，同時也會抑制一部分水泥發生水化反應，從而減小流動度的損失。

單摻膨脹劑情況下，混凝土的初始流動度（0 min）和經過30 min后的流動度均隨膨脹劑摻量的增加而逐漸減小。這是因為HCSA膨脹劑有兩種膨脹源，在水化反應初期可參與水化反應，消耗掉大量水分，產生水化產物，從而導致流動度減小。摻入8%、10%和12%膨脹劑后，混凝土在30 min內的流動度損失分別為25 mm、28 mm和29 mm，流動度損失量隨著膨脹劑摻量增加而逐漸增大。膨脹劑摻量越高，消耗的水分越多，流動度損失也越大。

復摻減縮劑+膨脹劑情況下，摻入1%或者2%的減縮劑時，膨脹劑摻量越高，流動度相較而言更大；當摻入8%或者10%的膨脹劑時，減縮劑摻量越高，流動度相較而言也越高，但相差不大，這說明減縮劑和膨脹劑兩者具有很好的協同作用。4組復摻試驗組混凝土在30 min內的流動度損失分別為18 mm、17 mm、16 mm和16 mm，由此可見，復摻外摻劑時，流動度損失介于單摻減縮劑和單摻膨脹劑之間，且相比不摻入外摻劑時，均有不同程度降低。

3 對力學性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復混凝土的力學性能測試結果見圖2。從圖2中可知：單摻減縮劑或者膨脹劑時，混凝土抗折強度均呈逐漸降低的變化特征。單摻減縮劑時，抗壓強度逐漸減小；單摻膨脹劑時，抗壓強度呈先增大后減小的變化特征，且當膨脹劑摻量為10%時，抗壓強度達到最大值。當復摻減縮劑和膨脹劑時，減縮劑摻量一定，膨脹劑摻量對混凝土強度的影響較小，當膨脹劑摻量一定，增加減縮劑時，強度降低，這表明減縮劑是影響混凝土強度的主要因素。這主要是因為減縮劑對水泥水化反應具有延緩作用和引氣作用，不僅減少了水化產物的產生量，而且還帶來了較多的孔隙結構，因而會導致強度降低，摻入適量的膨脹劑有助于混凝土強度發展，彌補減縮劑帶來的影響。由于混凝土水膠比本身較低，很難在早期獲得充足的水分進行膨脹，而減縮劑可以降低混凝土的孔隙溶液的蒸發速度，從而保留一部分水分充當膨脹源，因此復摻減縮劑和膨脹劑能夠起到相互輔助的作用，從而確保混凝土具有足夠的力學強度。

4 對自收縮性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復混凝土的自收縮性能測試結果見下頁圖3。從圖3中可知：混凝土的自收縮變形隨著減縮劑和膨脹劑摻量的增加而逐漸減低。摻入0.5%、1%和2%減縮劑試驗組的自收縮變形相比對照試驗組分別降低47.1%、55.6%和67.6%，摻入8%、10%和12%膨脹劑試驗組的自收縮變形相比對照試驗組分別降低43.1%、50.2%和64.4%，說明減縮劑和膨脹劑均能降低混凝土的自收縮變形。這是因為減縮劑一方面可以減小混凝土毛細孔溶液的表面張力，毛細管中因水化反應的附加應力也逐漸減小，進而減小自收縮變形；另一方面減縮劑具有一定的微膨脹作用，可以補償一部分自收縮變形。膨脹劑參與水化反應產生的鈣礬石晶體具有膨脹作用，可以填充和堵塞毛細孔隙，降低混凝土中有害孔的數量，因而可以降低自收縮變形。當復摻減縮劑和膨脹劑時，由于兩者的協同作用，混凝土的自收縮變形進一步降低，當減縮劑2%+膨脹劑10%時，自收縮變形僅為470×10^-6，相比對照試驗組降低79.1%。

5 對干燥收縮性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復混凝土的干燥收縮性能測試結果見圖4。從圖4中可知：隨著時間的增加，混凝土的減縮率在短期內（0～28 d）呈快速增長，當超過28 d后，減縮率逐漸達到穩定，某些試件甚至略有減小。對于單摻減縮劑的試驗組，摻入0.5%減縮劑的收縮率最小，其次為1%摻量試驗組，摻入2%的減縮劑時，收縮率甚至超過了對照試驗組。摻入減縮劑雖然可以減小孔隙溶液的表面張力，從而降低自干燥引起的收縮應力，但當摻量過高時，會延緩水化反應進程，導致沒有充足的水化產物填充混凝土的孔隙結構，從而不利于抵抗自收縮應力。這表現出對干燥收縮的促進作用大于抑制作用，因此收縮率反而更高。對于單摻膨脹劑的試驗組，相比對照試驗組，收縮率有較大幅度的降低，且膨脹劑摻量越高，收縮率越小。然而，10%摻量和12%摻量下的收縮率相差不大，因此，單摻膨脹劑的最佳摻量為10%。對于復摻減縮劑和膨脹劑的試驗組，56 d后的收縮率相差不大，與單摻10%或者12%膨脹劑試驗組的收縮率相當。

6 結語

（1）單獨摻入減縮劑對混凝土的流動性和強度不利，但能明顯降低混凝土的自收縮變形。摻入適量減縮劑，有助于降低混凝土的干燥收縮，但是摻量過多時，對干燥收縮的促進作用大于抑制作用，干燥收縮變形反而增大。

（2）單獨摻入膨脹劑也不利于混凝土的流動性，但摻量為10%時，抗壓強度最高，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土的收縮變形逐漸降低。

（3）復摻減縮劑和膨脹劑時，能夠進一步降低混凝土的收縮變形，同時維持較好的流動性和力學強度。通過對各指標的對比，得出復摻2%減縮劑+10%膨脹劑的組合為最佳方案。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-16