補償收縮混凝土變形性能研究進展

李　鵬，苗　苗，苗　芳，姜洪偉，馬曉杰

(1.重慶大學材料科學與工程學院,重慶　400045，2.國網營口供電公司,營口　115000)

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補償收縮混凝土變形性能研究進展

李鵬1，苗苗1，苗芳2，姜洪偉2，馬曉杰1

(1.重慶大學材料科學與工程學院,重慶400045，2.國網營口供電公司,營口115000)

向混凝土中摻加膨脹劑制成補償收縮混凝土是解決混凝土收縮開裂的一種重要措施。本文針對近年來補償收縮混凝土變形性能的研究進展進行了綜述。膨脹劑種類繁多，不同膨脹劑膨脹機理各不一樣，致使出現同種摻量同種補償對象但膨脹劑不同則補償收縮效果不同，甚至截然相反現象。另一方面，影響補償收縮混凝土變形性能因素眾多，主要有水膠比、礦物摻合料種類及摻量、膨脹劑摻量、外加劑、養護條件等，但更多時候是若干個影響因素同時出現，整體變形結果更加不確定，也會導致工程上膨脹劑應用失效現象出現。

補償收縮； 膨脹劑； 自收縮； 水化

1　引　言

收縮是混凝土的固有屬性，對混凝土結構有重大影響，可能引起混凝土開裂，影響混凝土結構的外觀和耐久性，甚至影響結構安全。按收縮機理不同，混凝土收縮可劃分為化學收縮、塑性收縮，自收縮，干燥收縮(簡稱干縮)，溫度收縮和碳化收縮[1]。

針對混凝土的不同收縮種類采取的相應削弱方法各不相同，當前研究多集中在對混凝土自收縮和干燥收縮的規律的研究和對應的削弱方法上。針對混凝土的自收縮開裂，已有很多相應的削弱辦法，對普通混凝土，通常是通過外部濕養護減弱其自收縮量[2]。但對結構密實，滲透率低的高強高性能混凝土，或大體積混凝土而言，傳統的通過外部濕養護降低混凝土的自收縮就無效了[3]。近年來，向混凝土中摻加含飽和水的多孔輕骨料或超吸水聚合物以對混凝土補充多余水分—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常見的措施和研究的熱點[4-6]。但使用輕骨料代替天然骨料會導致混凝土強度的下降[7]，而超吸水聚合物成本較高。降低混凝土的干縮采用的方法常有加入減縮劑[8,9]，有時候則是減縮劑和膨脹劑混合使用[10,11]。

與以上削弱混凝土收縮的辦法相比，在混凝土中摻加膨脹劑補償混凝土的收縮是一種常用的手段。在超長混凝土結構，鋼管混凝土和自防水混凝土工程中得到了大規模的使用和普及。目前，利用膨脹組分在水化過程中所產生體積膨脹來補償水泥基材料的收縮，被認為是抑制水泥基材料收縮開裂的既經濟又有效的措施之一。本文針對近年來關于膨脹劑補償混凝土收縮變形的研究進展進行綜述。

2　補償收縮混凝土的補償機理

混凝土膨脹劑是指用于加入混凝土中，經水化反應生成與反應物相比體積增大的產物，進而使混凝土產生體積膨脹的外加劑。用膨脹劑解決混凝土收縮問題，必須有適當的限制條件，因為自由膨脹不能產生自應力，只有限制膨脹才能產生自應力，改變結構的應力狀態，用限制膨脹來部分或全部抵消混凝土的收縮，達到補償收縮和防裂的效果。

按化學組分差異，膨脹劑可分為硫鋁酸鈣類膨脹劑、氧化鈣類膨脹劑、硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑和氧化鎂類膨脹劑。

2.1硫鋁酸鈣類膨脹劑

硫鋁酸鈣類膨脹劑是指與水、水泥拌合后經水化反應生成鈣礬石，主要利用鈣礬石膨脹效果的混凝土膨脹劑，具有膨脹緩和，可控制性好，使用安全，存放期長等特點，是我國目前用量最大，使用范圍最廣的膨脹劑[12]，包括UEA、ZY和CSA等系列。

關于膨脹源為鈣礬石的膨脹劑的膨脹驅動力，有3種主要觀點[13]：(1)局部化學反應或溶液形成晶體的生長壓力；(2)帶負電荷具有膠體尺寸的鈣礬石或水泥凝膠吸水引起的膨脹；(3)由滲透壓引起的膨脹。游寶坤等[14]認為是凝膠狀鈣礬石吸水腫脹和結晶狀鈣礬石對孔縫產生的膨脹壓的共同作用，使水泥石產生體積膨脹，而凝膠狀鈣礬石的膨脹驅動力比結晶狀鈣礬石大得多。但目前尚未形成統一認識。

2.2硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑

硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑是指與水泥、水拌和后經水化反應生成鈣礬石和氫氧化鈣的混凝土膨脹劑，典型的如HCSA膨脹劑。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，水化反應中既可與無水硫鋁酸鈣反應生成鈣礬石，又能使漿體溶液長期保持高堿度，還可避免加入礦物摻合料后降低溶液堿度；高堿度環境也能促進鈣礬石晶體的離子群以近程擴散方式沉淀析晶，析出高比表面積的細小鈣礬石晶體，產生的膨脹量增大[15]。

馮竟竟[13]研究發現：HCSA膨脹劑的主要礦物成分是無水石膏、生石灰和無水硫鋁酸鈣，膨脹源是Ca(OH)2和鈣礬石；無需借助水泥水化產物Ca(OH)2，僅靠自身的礦物組成即可生成鈣礬石。這是雙膨脹源類膨脹劑早期膨脹速度快，膨脹量大的本質原因。

2.3氧化鈣類膨脹劑

氧化鈣類膨脹劑是指與水、水泥拌合后經水化反應生成氫氧化鈣的混凝土膨脹劑。同時，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，因其具有膨脹效能高、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[16,17]。

2.4氧化鎂類膨脹劑

氧化鎂類膨脹劑作為補償混凝土收縮的外加劑應用于水工結構在中國已有數十年的歷史[18]。針對摻MgO膨脹劑的混凝土試樣或大壩的研究表明，一旦MgO水化完畢，則MgO混凝土膨脹曲線保持穩定，這是由于Mg(OH)2穩定的化學性質及比Ca(OH)2低達200倍的低溶解度所決定的[19]。水泥中MgO產生膨脹的根本原因是MgO的水化，MgO水化為Mg(OH)2固體摩爾體積會膨脹117%，CaO水化為Ca(OH)2固體摩爾體積會膨脹90%。Mo[3]認為被水泥水化產物包圍的MgO顆粒水化成Mg(OH)2進而引起自膨脹，由于膨脹受到水泥基體的限制，而產生膨脹應力進而引起水泥凈漿的宏觀膨脹效果。MgO水化時水化產物固相體積增大118%，但在水泥漿體中并未引起同等的體積膨脹，原因尚未得到合理解釋[20]，故導致目前關于MgO膨脹機理并未得到普遍統一。莫立武等[20]針對當前關于MgO膨脹劑的膨脹機理進行了綜述解釋。

文獻[21]認為MgO類膨脹劑具有延遲微膨脹特性，水化需水量較低特點，可通過調節混凝土自生體積變形控制混凝土的裂縫，研究發現外摻MgO膨脹劑的混凝土膨脹量隨齡期的增長而增大，主要的膨脹量發生在齡期7～90d；膨脹速率早期大，后期小，7～90d最大，每年膨脹量僅增(0.5～3)×10-6，并漸趨穩定，和大體積混凝土溫度變化歷程相近。

3　補償收縮混凝土補償收縮變形的影響因素及規律

理論上，所有與混凝土性能相關的因素均可對補償收縮混凝土的變形造成影響，但根據目前研究結論，影響補償收縮混凝土補償收縮效率的因素主要有：水膠比、膨脹劑種類及摻量、礦物摻合料、外加劑和養護條件等。同時，研究多集中在硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類、氧化鎂類膨脹劑三種膨脹劑中，氧化鈣類膨脹劑研究相對很少。

3.1水膠比

水膠比對補償收縮混凝土的收縮變形的補償有重要影響：①通過改變混凝土的強度發展速率和最終值，影響混凝土強度發展與膨脹變形的協調性；②補償收縮混凝土的微觀結構和水化產物，尤其是孔隙率和鈣礬石的形貌、位置也與水膠比有重大關聯；③混凝土收縮類型隨水膠比變化而轉變，進而改變補償收縮類型。

水膠比越小，混凝土強度增長速率越快，混凝土強度越大，在混凝土內部迅速形成很強的約束，抑制膨脹劑的效能發揮。關于強度與膨脹劑膨脹協調性確定，研究中一般有兩種方法：比較混凝土各齡期強度及限制膨脹率增長速率，即與最終值的百分比隨齡期變化曲線的擬合程度進行判斷，兩者曲線越接近，則協調性越好[13,22,23]；或限制膨脹率與強度相對于膨脹劑摻量變化曲線[24]。馮竟竟[13]發現：水膠比越大，材料內部孔隙越粗大，鈣礬石晶體尺寸就越大，大量針棒狀鈣礬石晶體雜亂填充在孔隙中，對硬化漿體的膨脹貢獻不大；水膠比越低，材料內部越致密，鈣礬石結晶尺寸就越小，多為凝膠顆粒狀，它們的吸水腫脹是產生膨脹的主要驅動力。因此，水膠比的改變影響補償收縮混凝土的內部結構和膨脹成分水化產物形貌位置的改變。

水膠比不同，混凝土收縮主要類型不同，有研究發現水灰比為0.4和0.3時，自收縮分別占總收縮的40%和50%，并隨水膠比降低自收縮所占比重增大[25]。中高水膠比補償收縮混凝土的主要補償對象為干縮和冷縮；而低水膠比的主要補償對象是自收縮，文獻[26]針對膨脹劑對干縮和自收縮的補償機制進行了分析。研究發現膨脹劑的膨脹效能在混凝土自收縮快速發展向緩慢發展的拐點處開始顯現，膨脹劑的補償作用主要體現在自收縮穩定發展階段；膨脹劑對混凝土收縮變形的補償受水膠比影響很大，水膠比越大，膨脹劑補償收縮變形量越高，陳志誠[27]和苗苗[26]分別采用UEA膨脹劑和HCSA膨脹劑研究低水膠比混凝土3d內自收縮，均發現類似結論。朱建強等[28]研究硫鋁酸鈣類膨脹劑對水泥凈漿自收縮的影響時發現，在1～7d內，膨脹劑補償了大約20%的自收縮，但1d齡期內膨脹劑對于水泥漿體早期自收縮基本沒有補償作用。劉加平等[29]研究發現：由MgO和CaO組成的氧化鎂復合膨脹劑，無論飽水養護還是密封的條件下，均可有效消除混凝土早期自收縮，產生自膨脹，且這種新型的氧化鎂復合膨脹劑對干縮也表現出非常明顯的抑制效果，降低幅度隨干燥齡期的延長更加顯著，28d和120d測試齡期時干縮的減縮率仍分別達20.3%、21.3%及36.1%、50.2%。Mo等[3]通過密封試樣阻止混凝土和外部水分交換，模擬水膠比為0.28且無外部濕養條件下，MgO類膨脹劑及硫鋁酸鈣類膨脹劑的水化及對于低水膠比水泥材料收縮的補償，結果如圖1所示。因此，利用MgO混凝土的延遲微膨脹特性，能補償大體積混凝土在降溫階段產生的體積收縮，提高混凝土自身的抗裂能力。

圖1　摻5%和8%MgO類膨脹劑和硫鋁酸鹽類膨脹劑的水泥凈漿在非濕養條件下自變形[3]Fig.1　Autogenous deformations of Portland cement pastes containing various contents of MEA under non-wet curing condition[3]

圖2　摻5%和8%MgO類膨脹劑和硫鋁酸鹽類膨脹劑的水泥凈漿在非濕養條件下自變形[3]Fig.2　Autogenous deformations of fly ash cement pastes containing various contents of MEA under non-wet curing condition[3]

3.2礦物摻合料

礦物摻合料對膨脹劑膨脹效能的影響途徑可分為三類：①摻加礦物摻合料相當于降低水泥摻量并提高混凝土早期實際水膠比，進而降低收縮，同時使得膨脹劑有更多水分可供水化，形成向水膠比大的方向發展的態勢，即混凝土自收縮減小[27]；②礦物摻合料的水化消耗了漿體中Ca(OH)2含量，降低孔溶液堿度，影響鈣礬石的形貌和膨脹量[30]；③礦物摻合料能降低硬化水泥石中孔隙的尺寸和數量，影響鈣礬石的形貌和混凝土自收縮值。就目前使用最廣泛的粉煤灰、礦渣、硅灰三種礦物摻合料而言有：

粉煤灰對膨脹劑限制膨脹率有降低效果，且摻量越大，降低效果越明顯，胡建勤等[30]，朱建強等[28]，陳志誠[27]使用硫鋁酸鈣類膨脹劑均發現類似結論。苗苗[23]使用HCSA膨脹劑也發現了同樣的結論，此外還得出結論：為有效發揮膨脹劑膨脹效能，膨脹劑摻量不得超過10%，水膠比為0.32，0.36，0.40時，粉煤灰摻量應分別為35%～50%，20%～50%和20%～35%以更好使得膨脹和強度的發展相協調。但也有研究[26,31]認為粉煤灰能增加限制膨脹率。還有研究認為粉煤灰對限制膨脹率的影響與粉煤灰的摻量有關[32]，文獻[33]研究發現：粉煤灰摻量為22.5%，45%時，14d限制膨脹率相對0%摻量時分別是后者的6.85倍和2.85倍；適量摻加粉煤灰可顯著促進混凝土限制膨脹率增長，降低混凝土轉干空后早期干縮落差，且隨摻量增大試件轉干空后干縮落差進一步降低，但摻量過大會導致早期約束不足，對限制膨脹率促進作用較小。王棟民等[24]發現粉煤灰對補償收縮混凝土補償收縮效率的影響與粉煤灰種類有關。關于礦物摻合料對MgO膨脹劑的補償收縮效果的影響研究較少，且結論并不統一。Mo等[3]研究了MgO膨脹劑對低水膠比水泥-30%粉煤灰凈漿的收縮的補償，結果如圖2所示，MgO類膨脹劑能夠補償水泥-30%粉煤灰凈漿的自收縮和長期溫度收縮，與粉煤灰是否加入無關。但文獻[34]發現MgO膨脹劑摻量相同時，粉煤灰摻量越高，膨脹越小。

目前普遍研究表明，磨細礦渣粉能降低膨脹劑的補償收縮效果，且摻量越大，則限制膨脹率越小。陳志誠[27]發現從補償效率來看，采用8%摻量的UEA-H混凝土膨脹劑對純水泥混凝土的自收縮補償效果最好，其次是含粉煤灰的混凝土，對含礦渣的混凝土自收縮不但起不到補償作用，反而使自收縮有所增加。

針對單摻硅灰對補償收縮混凝土變形性能影響研究少見諸報導，更多是與粉煤灰或礦渣復摻研究。馮竟竟[13]針對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200d內限制膨脹率發展進行研究：相對于200d總限制膨脹率，1d可達39%～80%，7d可達80%～95%，之后變緩，60d后達穩定狀態，之后基本不再增長；與文獻[22]所得，水膠比越小，限制膨脹率越大，磨細礦渣摻量越大，限制膨脹率越小的結論相吻合；膨脹劑摻量是影響膨脹效能發揮的主要因素，但非決定性因素，膨脹劑摻量一定時，調整磨細礦渣摻量和水膠比也可達到很好的膨脹效果。

3.3外加劑

外加劑對混凝土凝結時間、密實度、強度有重要影響，進而影響混凝土的變形，但其對膨脹劑膨脹效能的影響迄今少有研究涉及。何廷樹，張圣菊等[35,36]研究了葡萄糖酸鈉等緩凝劑對硫鋁酸鈣類膨脹劑效能的影響，認為緩凝組分降低了膨脹能利用率，不利于混凝土膨脹和補償收縮。

徐文[16]系統研究了葡萄糖酸鈉和檸檬酸鈉2種緩凝劑對摻有CaO膨脹劑水泥凈漿不同齡期自由自生體積變形和限制自生體積變形的影響。結果表明：緩凝劑的使用延緩了CaO膨脹劑水化進程，0.08%摻量下純水中11h和水泥凈漿中7d水化程度分別降低了15%和25%以上；減小了約束狀態下的限制自生體積變形，0.08%摻量下最大膨脹率降低了超過90%以上，從而抑制了CaO膨脹劑的膨脹指數和膨脹效能。關于硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑、氧化鎂類膨脹劑的研究較少報導。

3.4養護條件

膨脹劑與水泥是水化性能相差很大的兩種材料，溫度增高，會同時促進水泥和膨脹劑的水化，既增大膨脹能，也顯著促進水泥水化和礦物摻合料的二次火山灰反應，生成更多C-S-H凝膠，提高強度，則強度與限制膨脹率的協調發展發生變化；也會導致膨脹劑與水泥對有限水分的劇烈競爭[33,37]。不同溫度時，膨脹劑水化產物的生成速率、生成位置、形貌等都會發生很大變化，對混凝土的膨脹和強度發展產生很大影響[38,39]。

閻培渝等[40]針對不同養護溫度下使用UEA膨脹劑的膠凝材料的限制膨脹率，發現：不論膠凝材料組成如何，30 ℃和40 ℃養護時混凝土的限制膨脹率最大，50 ℃養護時限制膨脹率開始降低，60 ℃養護時限制膨脹率低于20 ℃養護時的數值。馮竟竟[37]針對溫度對HCSA膨脹劑的影響研究發現：20 ℃時，大多數鈣礬石在孔隙中生長，對膨脹的貢獻低于生長在C-S-H凝膠中的鈣礬石，1d時膠砂試件的膨脹量即可接近100d膨脹量的50%，7d時膨脹效能平均發揮80%左右；40 ℃養護時，膠砂試件各齡期的限制膨脹率均低于20 ℃養護時，且3d后膨脹量基本不再增長；60 ℃養護時，膠砂試件的1d膨脹量即達最大值，約是20 ℃時1d膨脹量的4倍，之后不再增長，28d時略有降低。MgO膨脹劑摻量相同時，養護溫度越高，則膨脹速率越大，達到穩定膨脹值所需時間越短[41]。這是由于高溫下MgO水化速度加快引起的[19]。莫立武[42]認為：養護溫度既能影響MgO的水化速度，又能影響其膨脹效能的發揮，一般養護溫度越高，MgO水化速率越快，其膨脹速率與膨脹量也越大。文獻[43]研究發現：水泥熟料中的方鎂石在20 ℃水中養護90d時，其水化程度約為20%，300d的水化程度只有40%左右；而在50 ℃養護條件下，28d的水化程度為40%，90d的水化程度高達70%，300d時基本水化完全。Mehta等[44]的研究也證明了這一點。

目前的研究中，關于養護條件對補償收縮混凝土變形的影響多集中在養護溫度上，而關于養護濕度的研究則較少。因水分對于MgO混凝土中膨脹相MgO產生膨脹是必需的，故相對濕度是另一個影響MgO混凝土膨脹的因素，干燥條件下MgO的膨脹會由于水分供給的缺乏而受到限制[45]，但由于MgO水化需水量低，故絕濕條件下的混凝土的自收縮仍可由MgO有效補償[3,46]，因此在工程中對MgO混凝土進行充足的水分養護是必要的。

4　結　論

(1)不同的膨脹劑膨脹機理不同，因此同等摻量用于相同補償對象的不同膨脹劑的補償收縮效果可能完全不同；

(2)補償收縮混凝土補償收縮效率影響因素眾多，有水膠比、礦物摻合料、外加劑、養護條件等，但更多時候是若干個因素的疊加，使得對補償收縮效果的分析更加復雜。

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ResearchProgressofDeformationPerformanceoftheShrinkage-CompensatedConcrete

LI Peng1,MIAO Miao1,MIAO Fang2,JIANG Hong-wei2,MA Xiao-jie1

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China;2.StateGridYingkouElectricPowerSupplyCompany,Yingkou115000,China)

Addingtheexpansiveagentintotheconcreteisoneofthemostimportantapproachtoresolvetheproblemoftheshrinkageorcrackoftheconcrete.Forthisreason,thearticlesummarizedtheprogressinresearchofdeformationperformanceoftheshrinkage-compensatedconcrete.Thereareavarietyofexpansiveagents.Differentkindsofexpansiveagentsleadtodifferentexpansivemechanism.Evenforthesamedosageandthesamecompensatedobject,differentexpansiveagentresultindifferentresultsorevencompletelyopposite.Andthedeformationperformanceoftheshrinkage-compensatedconcretewillbeeffectonmanyimpactfactors,suchastheratioofwatertobinder,mineraladmixtures,dosageoftheexpansiveagent,admixtures,curingconditionsandsoon.Nevertheless,inmostcases,itismanyimpactfactorsappearingatthesametimethatresultsintheresultofthedeformationunsure.Andtheusageoftheexpansiveagentsgoeswrongfrequently.

shrinkage-compensation;expansiveagents;autogeousshrinkage;hydration

中央高校基本科研業務費(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.主要從事高強高性能混凝土方面的研究.

苗苗，博士,講師.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0192-06