膨脹劑對補償收縮混凝土性能影響的研究進展

李　鵬，苗　苗 ，馬曉杰

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶　400045)

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膨脹劑對補償收縮混凝土性能影響的研究進展

李鵬，苗苗 ，馬曉杰

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045)

通過摻加膨脹劑來補償收縮變形是解決混凝土收縮開裂的重要途徑之一。膨脹劑的摻加往往對補償收縮混凝土工作性有不利影響，且隨摻量增加，不利程度增加。一定摻量范圍內，膨脹劑的摻加對補償收縮混凝土力學性能影響不大，但能改善混凝土耐久性；摻量繼續增加則會破壞混凝土微觀結構，導致力學性能和耐久性大幅下降。同等摻量下，施加一定外部約束對補償收縮混凝土密實度和力學性能有改善作用。目前針對低水膠比條件下，膨脹劑對高強高性能混凝土性能的影響研究則相對較少。

膨脹劑； 補償收縮； 耐久性； 強度； 孔隙率

1　引　言

體積穩定性是混凝土研究熱點之一，也是進行結構設計的重要考慮因素。通常，混凝土澆筑成型后不可避免地發生收縮，嚴重的甚至導致開裂，導致強度降低，耐久性降低，預應力結構中預應力的損失和混凝土結構外觀及清潔性的降低。

針對混凝土的收縮開裂，已有很多相應的解決辦法，對普通混凝土，通常是通過外部濕養護減弱其收縮量[1]。但對由于水膠比較低導致結構較為密實，滲透率很低的高強高性能混凝土，或大體積混凝土而言，內部處于絕濕環境，通過外部濕養護降低混凝土的自收縮的傳統方法就無效了[2]。近年來，向混凝土中摻含飽和水的多孔輕骨料或超吸水聚合物來補充混凝土內部的水分-即內養護，以降低混凝土的自干燥程度進而阻礙自收縮的發展已成為研究的熱點和常見的措施[3-5]。但使用輕骨料代替天然骨料會導致混凝土強度的下降[6]，而超吸水聚合物成本較高。降低混凝土的干燥收縮采用的方法常有加入減縮劑[7,8]，有時則是混合使用減縮劑和膨脹劑[9,10]。

與以上措施相比，在混凝土中摻加膨脹劑利用其產生的膨脹效應補償混凝土的收縮制成體積穩定性好的補償收縮混凝土是一種常用的經濟，有效又實用的方法。但由于膨脹劑的水化過程和產物會對其它膠凝材料的水化及混凝土的微結構產生重大影響，進而影響混凝土的性能和使用。因此，對補償收縮混凝土，除要保證體積穩定性外，還要保證其它性能滿足使用要求。本文嘗試總結關于補償收縮混凝土性能的研究進展。

2　膨脹劑對混凝土性能影響機理

材料的性能取決于組成和結構?；炷林屑尤肱蛎泟┖?，膨脹劑水化既消耗了水或其它膠凝材料的水化產物，也生成了新物質，同時產生的膨脹應力對混凝土結構也有重要影響。

孔隙尺寸分布和密實度是影響混凝土力學和耐久性能最重要因素之一，膨脹劑的摻加對二者均造成重大影響。膨脹劑摻量對孔隙率和密實度的影響有一個臨界范圍，臨界摻量范圍內，產生的膨脹應力的“擠壓作用”提高了水泥石中水化產物的密實程度[11,12]，改善界面過渡區微結構[13-17]和降低孔隙率并改善孔徑分布[12,18,19]，部分水化結晶產物填充孔隙降低了孔隙率[17]，研究[20]也證明了這一點，并認為膨脹劑可與水泥水化產物發生二次反應，生成鈣礬石填充混凝土毛細孔；但若摻量過大[21]，會導致過大的膨脹應力破壞水泥石或界面過渡區的微結構甚至產生裂縫，降低密實程度[22]。這兩個矛盾的相對大小決定了摻量的臨界范圍。外部約束條件存在時，既能提高膨脹劑摻量臨界范圍，又能降低水泥石孔隙率，改善孔隙分布及界面過渡區結構[18,23]。屠柳青[24]針對約束條件下HCSA膨脹劑摻量為0%， 10%的混凝土試樣和無約束條件下摻量為10%試樣孔結構測試發現：累計孔隙率分別為0.1090mg/L，0.0890mg/L和0.1742mg/L，且約束條件下10%摻量試樣孔結構中，10～200nm和200～1000nm孔較之無約束條件試樣均有明顯減少；膨脹劑摻入后，混凝土中1000nm以下小孔數量有所降低。

膨脹劑水化消耗了水或其它膠凝材料水化產物，對混凝土早期工作性和強度有重大影響；同時，生成物位置、數量、形貌和種類對混凝土內堿度，孔隙率等均有重要影響，進而影響混凝土力學性能和耐久性。按化學成分不同，膨脹劑可分為硫鋁酸鈣類膨脹劑，氧化鈣類膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑和氧化鎂類膨脹劑，不同種類膨脹劑水化機理和水化產物不同，進而對補償收縮混凝土影響不同：硫鋁酸鈣類膨脹劑是指與水、水泥拌和后經水化生成鈣礬石的混凝土膨脹劑，也是我國目前用量最大，使用范圍最廣的膨脹劑，典型的如UEA、ZY和CSA等系列。硫鋁酸鈣類膨脹劑主要成分為無水石膏和無水硫鋁酸鈣，主要水化產物為鈣礬石，具有早期水化速率快，水化程度大，需水量多等特點。硫鋁酸鈣類膨脹劑具有對濕養護要求較高，早期膨脹速率大，膨脹產生量大，隨時間延長膨脹速率逐漸降低并逐步穩定的膨脹性能特點[2,15]。早期對混凝土中水分消耗及大量針棒狀鈣礬石的生成增大了水泥凈漿粘度和屈服值，降低了混凝土工作性，且摻量越大，降低效果越明顯。生成鈣礬石的反應物中的氫氧化鈣來源于水泥水化產物氫氧化鈣，故使用硫鋁酸鈣降低了水泥石中氫氧化鈣含量，進而對混凝土中礦物摻合料水化及混凝土抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕等造成影響。

氧化鈣類膨脹劑是指與水、水泥拌和后經水化產生氫氧化鈣的混凝土膨脹劑。氧化鈣類膨脹劑是最新一代應用于配制補償收縮混凝土的膨脹劑，具有膨脹效能高、對工作性和強度影響小、溫濕度敏感性低等優異性能，正逐步取代傳統硫鋁酸鹽類膨脹劑[25]。當前關于氧化鈣類膨脹劑對混凝土性能影響研究鮮見報導。

硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑是指與水、水泥拌和經水化產生氫氧化鈣和鈣礬石的膨脹劑，典型如HCSA膨脹劑和CEA復合膨脹劑。硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑主要礦物成分是無水石膏、生石灰和無水硫鋁酸鈣，水化產物是氫氧化鈣和鈣礬石水化反應中無需借助水泥水化產物氫氧化鈣即可與無水硫鋁酸鈣反應生成鈣礬石[11,26]。硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑的礦物組成中含30%～40%的輕燒氧化鈣，多余的氫氧化鈣能使漿體溶液長期保持高堿度[27]，既可避免加入礦物摻合料后降低孔溶液堿度，又有利于提高混凝土抗碳化性能。與硫鋁酸鈣類膨脹劑相比，硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑早期膨脹速度快，產物生成量多，膨脹量大，水化反應需水量更多，早期對水泥水化有一定促進作用，對混凝土工作性能降低幅度要比硫鋁酸鈣類膨脹劑大[11]，對混凝土力學性能影響也更大。

氧化鎂類膨脹劑是指與水和水泥拌和后經水化產生Mg(OH)2的膨脹劑。氧化鎂類膨脹劑主要成分為MgO及復摻的生石灰，產物主要為Mg(OH)2。與前面三類膨脹劑相比，氧化鎂類膨脹劑水化速率低，需水量少，水化速率慢但能持續進行，膨脹性能表現為早期膨脹速率不高，膨脹量不大但膨脹能持續穩定產生多達十幾年，總膨脹量較大[2,28,29]。Mg(OH)2穩定的化學性質及比氫氧化鈣低達200倍的低溶解度[22]決定了氧化鎂類膨脹劑對混凝土性能的影響途徑更多是通過膨脹引起的結構改變。

3　補償收縮混凝土性能研究

混凝土性能主要可分為：工作性能、力學性能和耐久性能三大類。硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類和氧化鎂類膨脹劑對混凝土性能影響是常見研究對象，關于氧化鈣類膨脹劑對混凝土性能影響的研究則鮮見報導。

3.1膨脹劑對新拌混凝土工作性能的影響

研究普遍認為膨脹劑能降低新拌混凝土流動性，且隨摻量增加降低效果越明顯[30-32]。這是由于膨脹劑水化通常發生在早期，造成混凝土中自由水降低；同時產物生成量多，針狀或柱狀鈣礬石和板狀氫氧化鈣顯然增大了水泥凈漿的粘度和屈服剪切應力，進而降低了新拌混凝土流動性[11,30,31]。劉永強[11]發現：10%的HCSA和UEA摻入混凝土后，擴展度分別降低25mm和15mm；隨HCSA摻量增加，流動性降低；膨脹劑摻量相同時，水膠比越低，加入HCSA的超高性能混凝土流動性越低。 膨脹劑能使高性能混凝土的流動性損失較大，因此不宜摻入過多。

由于膨脹劑凝結速度快，凝結時間比水泥早，同時膨脹劑早期快速水化反應消耗大量水，生成大量水化產物，使得凝結時間提前，進而增加了混凝土坍落度經時損失[30]。有研究[11]認為，摻膨脹劑后，新拌混凝土坍落度經時損失加快，這是由于膨脹劑早期水化較快，隨時間推移，鈣礬石、氫氧化鈣等結晶產物析出量逐漸增多，進而導致粘聚度增強引起的。

由于膨脹劑的摻加加速了膠凝材料水化，晶體析出迅速，因此縮短了新拌混凝土中結構網絡框架形成時間，故初凝時間較短。游寶坤等[31]發現：膨脹劑使混凝土凝結時間提前，內摻12%～15%UEA膨脹劑的新拌混凝土，與未摻膨脹劑的空白混凝土相比，約提前60min。劉永強[11]發現：UEA和HCSA兩種膨脹劑均可縮短混凝土凝結時間，10%摻量下，摻HCSA與UEA和未摻膨脹劑的初凝時間分別為18.5h，22.8h和24.2h；同水膠比，同等摻量時，HCSA膨脹劑更能縮短混凝土的初凝時間。

目前，膨脹劑對混凝土工作性影響研究多集中在硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑，而對于氧化鈣類和氧化鎂類膨脹劑研究較少，尤其是氧化鎂類膨脹劑與其它種類膨脹劑相比，具有需水量少，膨脹速度慢特點，結論可能有差異，但有待于進一步研究。

3.2補償收縮混凝土力學性能研究進展

影響補償收縮混凝土力學性能的主要因素有：膨脹劑種類及摻量，水膠比，礦物摻合料等。研究中一般采取單因素分析，但實際應用時，往往受多因素交叉影響，使得對結果的預測更加復雜困難。

摻入膨脹劑后，膨脹劑雖然水化快速，但其水化產物不具膠凝特性，故相當于降低了膠凝材料總量，增大了有效水膠比，進而混凝土強度降低；但摻量適中時，受混凝土自身強度或外界限制條件約束，膨脹劑產生的膨脹應力能提高混凝土密實度[11,19,23]，改善界面過渡區結構[13-18]，進而提高混凝土強度。兩種矛盾效應的相對大小決定了混凝土宏觀強度大小。大部分研究表明，膨脹劑在一定摻量范圍內，對混凝土早期強度無影響或略提高，甚至能增加混凝土后期強度；摻量繼續增加，強度則迅速下降[24]。不同種類膨脹劑臨界摻量范圍不同。王棟民等[33]發現：CSA摻量低于12%時，3d強度隨膨脹劑摻量增加而降低，7d強度和不摻膨脹劑時相近，28d強度有一定程度增加；膨脹劑摻量達15%時，強度下降，且3d，7d強度下降幅度遠大于28d。文獻[12,32]使用硫鋁酸鈣類膨脹劑也發現類似結論。趙順增等[23]發現：膠凝材料均為380kg/m3且水膠比為0.45情況下，HCSA膨脹劑摻量少于40kg/m3時，混凝土自由強度與普通混凝土相比無太大變化，而限制強度緩慢增長；只是摻量為10kg/m3時，自由強度稍大；摻量大于40kg/m3時，自由強度顯著下降，且28d自由強度下降幅度比7d下降幅度大。文獻[11,24]針對不同強度等級混凝土抗壓強度與HCSA摻量關系研究也得到了類似結論。楊易靈[34]發現：隨HCSA膨脹劑摻量增多，抗折強度先增大后減少，當摻量從0%增至6%時，抗折強度逐漸增大，摻量從6%增至10%時，抗折強度逐漸減??；膨脹劑摻量為4%，6%，8%和10%比不摻膨脹劑的試塊抗折強度分別提高0.70%、6.17%、-2.83%和-4.95%。李承木[29]針對MgO混凝土力學性能進行分析，發現一定摻量范圍內，外摻氧化鎂類膨脹劑能促進混凝土抗壓、抗拉、彈性模量等力學性能增長，且隨摻量增加而增加。但劉加平[19]發現：與不摻膨脹劑的基準混凝土相比，氧化鎂復合膨脹劑摻入后制得的補償收縮混凝土抗壓強度有一定降低；水膠比越低，補償收縮混凝土抗壓強度降低幅度越大；水膠比一定，補償收縮混凝土抗壓強度降低幅度隨養護齡期延長而減小；但膨脹劑能在一定程度上增大混凝土劈裂抗拉強度，水膠比越高，膨脹劑對劈裂抗拉強度增加幅度越明顯。

水膠比對補償收縮混凝土力學性能有重要影響，馮竟竟[26]發現與水膠比相比，HCSA膨脹劑摻量對強度影響較小。文獻[23]發現：膠凝材料為380kg/m3且膨脹劑HCSA摻量為40kg/m3時，補償收縮混凝土抗壓強度隨水膠比增大而降低，水膠比超過0.5時，7d強度顯著下降；28d強度顯著下降的水膠比拐點在0.55左右。馮竟竟[26]針對水膠比為0.40和0.35，采用HCSA膨脹劑摻量為10%，并摻有22.5%，37.5%，52.5%礦渣，7.5%硅灰的水泥膠砂試件各齡期強度發展進行研究：由前期正交試驗中對各齡期抗壓強度的極差分析結果[35]可知，對強度影響最大的是水膠比，水膠比越大，強度越低。

影響補償收縮混凝土力學性能的重要因素還有礦物摻合料和養護溫度。苗苗等[36]發現：粉煤灰在不同養護溫度對混凝土早期強度發展都有抑制作用，長期高溫養護后，粉煤灰活性逐漸顯現，顯著地促進混凝土強度的增長；粉煤灰摻量越大，混凝土強度增幅越大，混凝土強度對溫度敏感性越高；硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑膨脹效能的發揮對溫度非常敏感，養護溫度越高，膨脹劑的水化速度越快，膨脹作用發揮越早。馮竟竟[26]針對HCSA膨脹劑摻量10%，并摻有22.5%，37.5%，52.5%礦渣，7.5%硅灰的水泥膠砂試件各齡期強度發展研究發現：磨細礦渣摻量越大，強度越低。李承木[29]發現摻粉煤灰后MgO混凝土彈性模量會直線下降，長期力學性能增加。文獻[22]針對近年來有關MgO混凝土力學性能進行了綜述，并得出結論：摻加適量MgO能提高混凝土抗壓強度，抗折強度，彈性模量，拉伸應變能力等力學性能。

3.3補償收縮混凝土耐久性能研究進展

膨脹劑產生的膨脹應力對混凝土密實度和界面過渡區微結構影響較大；同時膨脹劑的水化也影響混凝土孔溶液堿度、內部成分等，進而影響抗碳化，抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能。硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑對混凝土耐久性研究結論較多樣，而關于氧化鎂類膨脹劑的研究結論則較為統一。文獻[22]針對近年有關MgO混凝土耐久性研究進行綜述，得出結論：適量氧化鎂類膨脹劑能提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕、抗凍、抗滲等性能。文獻[37-39]認為限制條件下，MgO膨脹劑能促使混凝土更密實，進而提高混凝土耐久性能，但若氧化鎂類膨脹劑摻量過多或類型不適，將導致混凝土微觀結構損壞，耐久性能下降[22]。

3.3.1補償收縮混凝土抗碳化性能影響研究進展

碳化降低了混凝土中毛細孔溶液pH值及各水泥水化產物穩定性，同時破壞了保護鋼筋的鈍化膜，進而影響混凝土結構耐久性。臨界摻量范圍內膨脹劑的加入或外部約束能使混凝土更致密，具有更好的抗氣滲性；但摻量過多時，過度膨脹會破壞混凝土微觀結構，增加滲透性[40]。膨脹劑種類不同，對混凝土密實度和堿度及可碳化物質數量影響不同：硫鋁酸鈣類膨脹劑水化消耗氫氧化鈣生成鈣礬石，降低了可碳化物質數量但增加了密實度[41]；硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑水化既增加氫氧化鈣含量又增加了密實度[24-27,41]；氧化鎂類膨脹劑雖生成Mg(OH)2，但由于溶解度低[22]，故對抗碳化能力貢獻有待研究。趙順增等[41]認為HCSA和ZY均能有效減緩混凝土碳化速率，HCSA抗碳化性能更好，兩類膨脹劑均有各自最佳摻量。屠柳青[24]認為從孔結構改善方面來說，HCSA對混凝土抗碳化性能影響不如增加堿性物質儲備量方面明顯。游寶坤等[31]發現補償收縮混凝土抗碳化性能優于不摻膨脹劑的混凝土：摻UEA、PNC、JM-Ⅱ三種膨脹劑的C30～C40混凝土28d碳化深度為0.8～5.1mm，小于對比試驗同配比普通混凝土，且一年和兩年碳化深度未發生大的變化，其碳化速度系數小于普通混凝土。屠柳青[24]發現：向粉煤灰混凝土中加入HCSA，雖在早期可增加混凝土內氫氧化鈣含量，但因膨脹勢能作用和氫氧化鈣晶體取向生長分布特征，自由變形條件下膨脹劑的使用劣化了混凝土孔隙結構，提高了CO2滲透能力，最終加速混凝土碳化速率；單向約束條件下，膨脹劑水化產物可填充混凝土部分孔隙，密實其微觀結構，相比無約束條件顯著降低了混凝土碳化速度。李承木[29]發現5%摻量MgO的混凝土在28d碳化后，碳化深度降低2.24%。

3.3.2補償收縮混凝土抗滲性影響研究進展

混凝土抗滲性是指抵抗外界液體或氣體滲透通過的性質，抗滲性主要與混凝土自身密實程度和連通孔多少有關。向混凝土中摻入膨脹劑，臨界摻量范圍內或外部約束使得膨脹產物的膨脹應力促進了水泥石的密實；同時，細小的膨脹產物對孔隙的填充作用也降低了孔徑尺寸，進而提高混凝土抗滲性[42,43]。王棟民[44,45]發現CSA膨脹劑與礦物摻合料復摻時，可提高混凝土抗滲性，這是由于復摻膨脹劑和細摻料的混凝土內部結構得到優化，微觀結構致密，微缺陷減少。李承木[29]發現MgO微膨脹混凝土具有相當好的抗滲能力，與不摻相比，外摻5%MgO混凝土的抗滲透能力可提高60%以上，非約束混凝土滲透系數比約束的大了7倍。張立俊[46]發現CSA膨脹劑能大幅度降低混凝土電通量和氯離子擴散系數，在氯離子腐蝕的環境條件下，能延緩氯離子進入鋼筋混凝土內部到達鋼筋表面的速度，進而提高混凝土的耐久性。

3.3.3補償收縮混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響研究進展

3.3.4補償收縮混凝土抗凍性能影響研究進展

嚴寒地區混凝土結構建筑不可避免處于正負溫度交替，混凝土結構可能由于凍融循環破壞作用而性能下降。補償收縮混凝土因膨脹劑水化產物可填充部分大空隙，使混凝土內部水結冰產生的凍脹力較小，試件表面產生裂縫也比普通混凝土少，能緩解凍融破壞程度。李承木[29]發現摻MgO能提高粉煤灰混凝土抗凍性能，MgO混凝土的各項凍融技術指標都優于普通混凝土。黃偉[48]發現凍融100次后，普通混凝土抗壓、抗折強度分別下降35.2%和44.1%，而補償收縮混凝土抗壓、抗折強度分別下降30.3%和35.3%，說明適當摻入膨脹劑能提高混凝土抗凍性。

4　結　論

(1)膨脹劑對混凝土工作性有重要影響，因自身水化反應在早期快速進行，且對水化反應的促進及水化產物大量產生降低了新拌混凝土流動性、縮短凝結時間并增大坍落度經時損失;

(2)膨脹劑對混凝土力學性能的影響與外部約束存在與否及膨脹劑摻量有關。無外部約束時，一定摻量范圍內，膨脹劑對混凝土強度無明顯影響，但超過一定摻量后，由于膨脹量過大破壞了內部結構，進而降低混凝土強度；存在外部約束時，一定摻量范圍內，對膨脹變形約束使得膨脹能對結構有改善作用，進而增大混凝土強度值;

(3)膨脹劑對混凝土密實度和水化產物有重要影響，進而影響混凝土耐久性。無外部約束時，適當摻量范圍內，膨脹劑能降低混凝土孔隙率，進而增加密實度，帶CaO成分的膨脹劑還能增加混凝土孔溶液堿度，從而增強混凝土耐久性；但超過這一摻量范圍后則破壞混凝土結構，降低耐久性能。膨脹劑摻量相同時，外部約束有利于提高混凝土密實程度;

(4)當前關于膨脹劑對補償收縮混凝土性能影響研究多集中在中低強度等級混凝土，而對膨脹劑對收縮機理和組織成分結構均發生變化的高強高性能混凝土的性能影響研究較少。

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EffectofExpansiveAgentonthePerformanceofShrinkage-CompensatedConcrete

LI Peng,MIAO Miao,MA Xiao-jie

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

Compensatingconcreteshrinkagebyaddingexpansiveagentisoneofthemosteffectiveapproachestoresolvetheproblemofshrinkageandcracking.Expansiveagenthasnegativeeffectontheworkabilityofconcrete.Andwiththeincreasingofthedosage,thedegreeofadverseeffectsincreases,too.Expansiveagenthasnoeffectonthemechanismofshrinkage-compensatedconcretewithinacertainrange,butthedurabilitywillbeimproved.However,thefurtherincreasingdosagewilldestructthemicrostructureofconcrete,resultinginthedecreaseofmechanismanddurabilityofconcrete.Whenthedosageofexpansiveagentisconstant,theexternalrestrainthasapositiveeffectonthedensityandmechanismofshrinkage-compensatedconcrete.Nonetheless,researchingonthepropertiesofshrinkage-compensatedconcretewhichhaslowrationofwatertobinderisinsufficient.

expansiveagent;shrinkage-compensation;durability;strength;porosity

中央高?；究蒲袠I務費(CDJZR13130029);高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題 (20130191120019)

李鵬(1989-)，男，碩士研究生.主要從事高性能混凝土方面的研究.

苗苗，博士，講師.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0167-07