抗裂型外加劑對粉煤灰混凝土抗壓強度的影響

蔣建華，林明益，裘佳琪

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210024)

隨著混凝土材料不斷向高強度、高性能化發展，現代混凝土結構的早期開裂已經成為一個越來越突出的問題。混凝土若產生危害性裂縫，將會對混凝土力學性能、耐久性能等產生嚴重影響，裂縫控制是保證結構安全與耐久性的關鍵問題[1-2]。在混凝土中使用抗裂型外加劑是改善混凝土早期抗裂性能、滿足工程耐久性要求的主要技術途徑[3-6]。為了更好地指導抗裂型外加劑在混凝土中的應用，研究抗裂型外加劑對混凝土力學性能的影響十分必要。

目前已有學者在抗裂型外加劑對混凝土的性能影響方面作了相關研究。李華[7]等作了含膨脹劑混凝土構件損傷的力學和聲學分析；Wang[8]等研究了CaO、MgO膨脹劑對鋼管混凝土變形及力學性能的影響；崔朋勃[9]對不同膨脹劑摻量下的噴射補償收縮鋼纖維混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度進行了試驗研究。高培偉[10]對摻粉煤灰與新型鎂質類膨脹劑的大體積混凝土進行了力學性能研究。周小菲[11]等研究了摻加膨脹劑的混凝土抗裂效果。目前的研究主要集中在特定外加劑對混凝土各方面性能的改進上，而對于不同類型外加劑及其摻量對混凝土力學性能的影響對比研究有待加強，因此有必要對其開展試驗研究。

本文針對抗裂型外加劑對混凝土力學性能的影響，選取兩種抗裂型外加劑，并考慮外加劑摻量的影響，分別研究了粉煤灰混凝土在養護條件與硫酸鹽腐蝕條件下的抗壓強度演變規律。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料采用F級粉煤灰；粗骨料為粒徑為5～15 mm的碎石，級配良好；細骨料為河砂(中砂)，細度模數2.5；無水硫酸鈉，純度大于99.5%。

本試驗采用兩種外摻型抗裂劑，分別為UEA型膨脹劑、HME-V(溫控·防滲)高效抗裂防滲劑。UEA型膨脹劑以硫鋁酸鹽為主，通過適度膨脹補償收縮。HME-V(溫控-防滲)高效抗裂防滲劑是一種具有調控水泥水化放熱速度、補償水泥基材料收縮雙重作用，由混凝土水化溫升抑制劑，與氧化鈣類或硫鋁酸鈣-氧化鈣類或氧化鎂復合膨脹劑按照一定比例復合的水泥基膨脹材料。

1.2 試件設計與制備

試件設計為100 mm×100 mm×100 mm立方體，水膠比為0.40。養護試件粉煤灰摻量為10%、20%、30%；腐蝕試件粉煤灰摻量為20%。參照各類型外加劑的摻量范圍，UEA型膨脹劑考慮2%、5%和8%三種摻量，HME-V的摻量為5%、8%和10%，粉煤灰和外加劑均采用等量取代水泥的方式。表1為摻兩種抗裂劑的粉煤灰混凝土試件配合比。

1.3 養護與硫酸鹽腐蝕

試件脫模后分為養護試件與腐蝕試件，養護試件放入裝有溫度(20±2)℃的清水養護箱中養護至相應測試齡期(7、28、60、90、120 d)。將用于硫酸鹽腐蝕試驗的試件養護至28 d齡期后，放入溫度(20±2)℃，濃度15%的Na2SO4溶液中以全浸泡的方式模擬腐蝕環境，腐蝕齡期設計為60、150、210 d。每月定期更換一次溶液，以保證pH的穩定。

表1 混凝土試件配合比 (單位：kg/m3)

1.4 力學性能試驗

采用200噸微機控制電液伺服萬能試驗機(圖1)，根據《GBT 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗。測得的抗壓強度用于對比和研究不同工況下試件力學性能的變化規律，因此結果中所用的抗壓強度值直接采用立方體試件的破壞強度。

2 試驗結果與分析

抗壓強度作為評價混凝土力學性能的常用指標，通過比較各侵蝕齡期抗壓強度的變化，以反映混凝土受硫酸鹽侵蝕各階段的性能劣化過程，對比分析不同外加劑、外加劑不同摻量對混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響規律。

2.1 UEA膨脹劑的影響

2.1.1 不同粉煤灰摻量下28 d抗壓強度變化

為了比較不同粉煤灰摻量下UEA膨脹劑的摻量影響，得到不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強度的變化，如圖2所示。

圖1 萬能壓力試驗機

圖2 不同粉煤灰摻量對UEA試件28 d抗壓強度的影響

由圖2知，當粉煤灰摻量為10%時，5%UEA膨脹劑摻量下的試件抗壓強度較2%摻量下的試件強度增長3.4%，8%摻量下的試件強度較5%下降13.3%；粉煤灰摻量為20%時，隨著外加劑摻量的增加，強度略有提高，5%摻量下的試件強度較2%增加3.3%，8%較5%增長2.1%；粉煤灰摻量為30%時，5%摻量下的試件強度較2%增加16%，8%較5%下降18.6%。總體而言，不同粉煤灰摻量下，5%的UEA摻量是較優摻量。

2.1.2 抗壓強度隨養護齡期的變化

圖3 UEA膨脹劑混凝土抗壓強度隨齡期的影響

在特定的齡期對摻加UEA膨脹劑的混凝土試件進行強度試驗，選取30%粉煤灰摻量的試件強度數據，得到不同膨脹劑摻量下的混凝土抗壓強度隨齡期的變化規律(圖3)。由圖3可知，隨著養護齡期的增加，混凝土抗壓強度逐漸增長，在28 d至60 d齡期之間，強度顯著性提高。90 d的試件強度達到穩定。2%、5%、8%外加劑摻量下，60 d較28 d齡期下的抗壓強度分別增長44.8%、26.2%和35.8%。隨著水泥熟料礦物成份的充分水化，強度總體呈現增長趨勢。由于粉煤灰前期主要作為惰性填充材料，其火山灰效應主要表現在后期，水泥水化時產生的游離Ca(OH)2和粉煤灰中的活性成分SiO2與Al2O3之間的二次反應產生了附加水化產物，且由熟料水化反應所產生的高堿性水化物與粉煤灰中的活性氧化硅反應后轉化為低堿性水化物使膠凝性能提高，從而提高了混凝土強度[1]。總體而言，抗壓強度在60 d至90 d后已趨于穩定。在標準養護試驗齡期內，總體而言，膨脹劑摻量為5%的抗壓強度整體最高，其后分別為2%和8%。

2.1.3 抗壓強度隨腐蝕齡期的變化

對于硫酸鹽腐蝕后的試件，經強度試驗后得到不同UEA膨脹劑摻量下混凝土抗壓強度隨硫酸鹽侵蝕齡期的變化規律，如圖4所示。

圖4 摻UEA膨脹劑混凝土抗壓強度隨腐蝕齡期的變化

圖4表明，UEA混凝土150 d抗壓強度大于60 d抗壓強度，210 d混凝土抗壓強度小于150 d抗壓強度。2%摻量下的抗壓強度增長顯著，8%摻量下的強度增長緩慢，這一階段的強度為粉煤灰的火山灰作用及硫酸鹽侵蝕共同作用的結果。隨著養護齡期的延長，粉煤灰參與二次水化的速率加快，生成較高粘接強度的水化硅酸鈣凝膠，內部結構更加密實，提高了混凝土力學性能。由于二次水化需要Ca(OH)2，其為水泥水化后的產物，隨著膨脹劑取代率的增加而減小，因此強度增長率表現為2%依次大于5%和8%。此時由于腐蝕齡期較短，腐蝕破壞造成的強度損失小于二次反應的增強作用，強度仍表現為上升階段。隨著腐蝕的持續進行，齡期達到210 d時，膨脹劑摻量為5%和8%時，強度下降，2%摻量下的混凝土強度基本保持不變。

2.2 HME-V抗裂劑的影響

2.2.1 不同粉煤灰摻量下28 d抗壓強度變化

為了比較不同粉煤灰摻量下HME-V的摻量影響，得到不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強度的變化情況，如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰摻量對UEA試件28 d抗壓強度的影響

由圖5可知，當粉煤灰摻量為10%時，8%HME-V抗裂劑摻量作用下的抗壓強度較5%摻量增加48.33%，10%摻量較8%降低51.63%。粉煤灰摻量較低時，即10%摻量下，抗壓強度隨著外加劑摻量的增加呈現出先增后降的變化趨勢；20%粉煤灰摻量下，HME-V抗裂劑摻量增加至10%時對抗壓強度具有較大的促進作用，較5%摻量下的強度增長39.7%；30%粉煤灰摻量下，三者的強度較為接近，8%摻量下的強度略有降低。不同粉煤灰摻量下，HME-V抗裂劑的摻量對28 d強度會有影響，10%粉煤灰摻量下以8%的試件28 d強度最高，當粉煤灰含量為20%、30%時，隨著HME-V抗裂劑含量增加，試件28 d強度先降后升。

2.2.2 抗壓強度隨養護齡期的變化

為研究不同摻量的HME-V抗裂劑對養護條件下粉煤灰混凝土強度發展的影響，選取30%粉煤灰含量的試件強度數據，得到試件強度隨齡期(7～120 d)的發展規律，如圖6所示。

圖6 HME-V抗裂防滲劑摻量對混凝土抗壓強度隨齡期的影響

從圖6可以看出，抗壓強度28 d至60 d齡期增長顯著，90～120 d內強度趨于穩定。5%、8%、10%摻量下，120 d強度較28 d分別增長61%、27%和50.8%，而28～60 d強度增長占比59.8%、60%、65.8%。由于混凝土本身存在較大的離散型，導致10%外加劑摻量下的混凝土試件在90 d齡期時的強度略有波動。

5%HME-V摻量下的抗壓強度大于10%和8%。由于粉煤灰取代水泥比例較高，早期水泥的水化產物生成量相對減少，強度降低，而隨著外加劑摻量的增加，進一步減少了水泥用量，同時其膨脹應力較大對結構產生損傷，由此5%外加劑摻量下的抗壓強度高于其余兩組試件。由于氧化鈣類型外加劑通過水化反應生成氫氧化鈣，在增加堿度的同時促進粉煤灰的二次水化作用，利于強度的增長，由此10%外加劑摻量下的強度相對于8%略有提高。

2.2.3 抗壓強度隨腐蝕齡期的變化

摻HME-V抗裂劑混凝土在硫酸鹽侵蝕60 d至210 d的抗壓強度變化規律如圖7所示。

圖7 摻HME-V抗裂劑混凝土抗壓強度隨腐蝕齡期的變化規律

圖7表明，摻HME-V抗裂劑混凝土在硫酸鹽侵蝕達210 d時強度未出現損失。5%摻量下，立方體60 d與210 d抗壓強度基本相近；8%摻量下隨侵蝕齡期的增加強度略有增長；10%摻量下，強度增加較為顯著。硫酸根離子侵入內部生成鈣礬石等侵蝕性產物，致使強度略有提升。抗壓強度試驗結果表明，摻HME-V抗裂劑能有效提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能。

2.3 不同外加劑對比分析

2.3.1 不同粉煤灰摻量下28 d抗壓強度對比

針對不同粉煤灰摻量，對摻加兩種抗裂型外加劑試件的28 d抗壓強度作對比分析，不同類型外加劑混凝土試件28 d抗壓強度在不同粉煤灰摻量下的對比圖如圖8所示。

由圖8可知，5%和8%兩種摻量下，隨著粉煤灰摻量的提高(10%～30%)，兩種抗裂外加劑的試件28 d抗壓強度均降低。不同粉煤灰摻量下UEA試件28 d強度總是大于HME-Ⅴ試件。5%和8%兩種摻量下，UEA試件和HME-Ⅴ試件的28 d強度隨粉煤灰含量的變化規律相似。

2.3.2 抗壓強度隨養護齡期的變化

進一步分析不同外加劑作用下，30%粉煤灰含量的混凝土抗壓強度隨齡期(7～120 d)的增長規律。不同外加劑摻量下，混凝土試件各齡期抗壓強度對比如圖9所示。

由圖9可知， UEA膨脹劑摻量下的混凝土抗壓強度在試驗齡期內分別大于同摻量下的HME-Ⅴ抗裂劑混凝土。UEA膨脹劑和HME-Ⅴ抗裂劑混凝土強度增長規律較為一致，標準養護60 d齡期內強度持續增長，至60 d時達到后期強度的85%至90%，且二者強度逐漸接近。28 d后強度增長主要為粉煤灰的二次水化貢獻作用，兩種外加劑作用下的混凝土均在90 d后強度達到穩定值，表明在該養護齡期下粉煤灰及水泥水化反應已趨于穩定。相同摻量下，摻加UEA膨脹劑的試件強度總在摻加HME-V的試件之上。

2.3.3 抗壓強度隨腐蝕齡期的變化

不同抗裂型外加劑對混凝土硫酸鹽腐蝕后的力學性能影響程度不同。通過抗壓強度的變化規律可以直觀反映試件力學性能退化過程，以對比抗裂型外加劑對混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響。不同外加劑摻量的混凝土試件抗壓強度隨腐蝕齡期的變化如圖10所示。

圖8 不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強度的對比

圖9 不同類型外加劑混凝土抗壓強度隨齡期的對比

圖10 不同類型外加劑混凝土抗壓強度隨腐蝕齡期的對比

摻UEA型膨脹劑混凝土腐蝕150 d抗壓強度較初始強度增長31.5%；摻HME-Ⅴ抗裂劑混凝土腐蝕60 d強度較未腐蝕混凝土強度增加一倍，強度顯著增長，至210 d腐蝕齡期，強度仍未表現出下降趨勢。兩種摻量下，摻HME-Ⅴ抗裂劑混凝土強度總在摻加UEA的混凝土之上。

HME-V抗裂劑以氧化鈣為膨脹源，水化生成氫氧化鈣補償收縮，在硫酸鹽腐蝕過程中，氫氧化鈣與硫酸鈉、水化鋁酸鈣等反應生成鈣礬石，此反應消耗的部分漿體中的氫氧化鈣由早期外加劑水化生成的氫氧化鈣不斷補充，由于鈣礬石相較于氫氧化鈣密度小，反應過程中體積大幅增加，產生適度的體積膨脹應力利于強度增長[12]。且相較于未腐蝕前，孔隙更為致密，孔隙率下降，后期SO42-離子侵蝕緩慢，210 d內微觀結構損傷不明顯，強度未出現損失。UEA型膨脹劑通過鈣礬石填充孔隙，溶液與填充產物無法進一步反應，因此在腐蝕過程中，抗壓強度的小幅增長主要由侵蝕產物鈣礬石、石膏對孔隙的進一步填充引起，此后較大的膨脹應力導致210 d強度開始下降。根據試驗結果認為，HME-V外加劑相對于UEA外加劑在硫酸鹽腐蝕環境下，早期對混凝土的抗壓強度有較大的促進作用，后期離子的腐蝕破壞作用相對緩慢，對強度的負面效應相對延遲。就抗壓強度試驗結果認為，HME-V外加劑較UEA能進一步延緩混凝土的硫酸鹽腐蝕進程。

3 結論

1)不同粉煤灰摻量下，5%的UEA摻量是較優摻量。30%粉煤灰摻量的UEA混凝土試件在養護齡期內，抗壓強度逐漸增長，在90 d達到穩定狀態；UEA摻量為5%的抗壓強度整體最高，其后分別為2%和8%。硫酸鹽腐蝕后以5%摻量的試件損失最低。

2)粉煤灰摻量不同時，HME-V作用效果也不同。30%粉煤灰摻量的HME-V混凝土試件抗壓強度在90 d達到穩定狀態，HME-V摻量為5%的抗壓強度最高，其后為10%和8%。硫酸鹽腐蝕后以5%摻量的試件損失最低。

3)對比VEA型膨脹劑和HME-V高效抗裂防滲劑兩種外加劑在5%和8%兩種摻量下，隨著粉煤灰摻量的提高(10%～30%)，兩種抗裂外加劑的試件28 d抗壓強度均降低，強度變化規律相似。養護的30%粉煤灰摻量的UEA試件強度總大于HME-V的試件，硫酸鹽腐蝕以后摻加HME-V的試件強度大于UEA試件強度。硫酸鹽腐蝕環境下，HME-V外加劑較UEA能進一步延緩混凝土的硫酸鹽腐蝕造成的力學性能損失。