雙膨脹源膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土力學性能及抗裂性能的研究*

焦田田，王林，何鑫鑫，魏子程

（北京建筑大學，北京 100044）

0 引言

混凝土由于干縮、溫度收縮、自收縮等原因產生開裂的現象一直存在，大摻量礦物摻合料可以降低混凝土的早期放熱，雙膨脹源膨脹劑可以抵消混凝土的收縮，將兩者同時運用可以改善混凝土開裂[1-3]。膨脹劑按水化產物的不同分為硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑、氧化鈣類混凝土膨脹劑和硫鋁酸鈣—氧化鈣類混凝土膨脹劑，其中硫鋁酸鈣—氧化鈣類混凝土膨脹劑經水化反應生成鈣礬石和氫氧化鈣，具有氧化鈣類和硫鋁酸鈣類膨脹劑的特點，也具有膨脹性能穩定、膨脹能高、膨脹速率快等特點[4-5]。粉煤灰和礦粉在大摻量礦物摻合料混凝土中運用較為廣泛，可以降低混凝土的早期放熱，提高混凝土的強度和耐久性[6-8]。

目前國內基于大摻量礦物摻合料混凝土及雙膨脹源膨脹劑的研究分別較為成熟，但是針對雙膨脹源膨脹劑在大摻量礦物摻合料混凝土的運用研究案例較少，大摻量礦物摻合料混凝土運用已較為廣泛，但早期強度較低及開裂的問題依然存在[9-10]。本文將研究硫鋁酸鈣—氧化鈣類雙膨脹源膨脹劑在大摻量礦物摻合料（粉煤灰30%+礦粉 20%）混凝土中的運用，及不同摻量的雙膨脹源膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土強度、混凝土限制膨脹率和混凝土抗裂性能影響。

1 原材料及方法

1.1 試驗原材料

本文采用的是天津豹鳴股份有限公司生產的雙膨脹源膨脹劑（硫鋁酸鈣—氧化鈣類混凝土膨脹劑），其性能滿足 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》對Ⅱ型硫鋁酸鈣—氧化鈣混凝土膨脹劑的要求，各組分質量百分比詳見表 1。本試驗采用的是北京金隅集團有限責任公司生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；河南遠恒環保工程有限公司提供的試驗級粉煤灰；金泰成科技集團有限公司生產的 S95 級礦粉；細骨料采用細度模數為 2.4 的河砂；粗骨料選用粒徑為 5～20 mm 連續級配的碎石；減水劑的減水率為 25%。

表 1 雙膨脹源膨脹劑各組分質量百分含量 %

1.2 試驗方法

（1）試驗方法：水泥膠砂強度試驗參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》測試膠砂試件齡期為 7d、28d 的抗折強度和抗壓強度；混凝土抗壓強度試驗按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測定，測量齡期分別為 3d、7d、28d 和 56d 的自由強度和限制強度；限制膨脹率試驗參照 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》規定的方法分別測定膠砂和混凝土的限制膨脹率；混凝土抗裂性能用抗裂圓環法觀察不同摻量雙膨脹源膨脹劑試塊的開裂情況。

（2）試件制作及養護

膠砂限制膨脹試件：將膠砂澆筑在帶有縱向鋼筋限制器的模具內，以形成膠砂試件，所用縱向鋼筋限制器見圖 1。試件脫模后在 1h 內測量實體的初始長度。測量完初始長度的試件立即放入水中養護，測量水養第1d、3d、7d 的長度。然后移入恒溫恒濕室中（濕度為70% R.H.）養護，分別測量空氣中第 21d、28d 的長度變化，度數精確至 0.001mm。

混凝土限制膨脹試件：將混凝土裝入澆筑在帶有縱向鋼筋限制器的模具內，以形成混凝土限制試件，所用縱向鋼筋限制器見圖 2。測量完初始長度的試件立即放入到恒溫水槽中養護，測量 1d、3d、7d、14d 水養試體的長度變化，14d 后將試件移入恒溫恒濕室中（濕度為 70% R.H.）養護，分別測量空氣中第 14d、28d 的長度變化，度數精確至 0.001mm。養護時注意保護試體測頭，試體之間的距離為 30mm。

限制膨脹率更能反映約束狀態下混凝土的變形性能，故本試驗主要通過測試膠砂和混凝土的限制膨脹率來觀察雙膨脹源膨脹劑的膨脹性能。限制膨脹率的計算：

圖 1 測試砂漿限制膨脹率的縱向限制器

圖 2 測試混凝土限制膨脹率的縱向限制器

式中：

ε——所測齡期的限制膨脹率，%；

L1——所測齡期的試件長度測量值，mm；

L——試件的初始長度測量值，mm；

L0——試件的基準長度，mm；膠砂限制試件為140mm，混凝土限制試件為 300mm。

注：取相近的 2 個試體測定值的平均值作為試驗結果。

混凝土抗壓試件：制作 10mm×10mm×10mm 的立方體試件，測試試件帶模濕養護 7d 后拆模挪至標準養護室養護的限制強度，測試試件以保鮮膜覆蓋養護 24小時后拆模挪至標準養護室養護的自由強度，測試齡期分別為 3d、7d、28d、56d。

混凝土抗裂試件：本試驗采用圓環約束試驗，內環直徑 305mm、外環直徑 425mm、高 100mm，詳見圖3。每組配合比做兩組試驗，自由組在 24h 后拆除外圍擋板，并放置于恒溫恒濕的室內養護觀察其抗裂情況，限制組在覆蓋濕布養護 7d 后拆除外圍擋板，挪至于恒溫恒濕的室內養護觀察其抗裂情況。

1.3 試驗配合比

試驗配合比：C30 及 C50 混凝土試驗中均采用 50%的礦物摻合料的膠凝材料，其中水泥、粉煤灰、礦粉這三種材料按比例（5:3:2），雙膨脹源膨脹劑分別占膠凝材料總量的 0%、3%、6%、9%、12%，等比例替代膠凝材料中各組成材料。配合比詳見表 2 和表 3。

圖 3 混凝土圓環抗裂模具

表 2 水泥膠砂配合比 g

表 3 大摻量礦物摻合料混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 雙膨脹源膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土力學性能的分析

雙膨脹源膨脹劑摻量對膠砂力學性能的影響見表4、圖 4 和圖 5。

通過表 4、圖 4 和圖 5 膠砂試驗的抗折強度和抗壓強度可以看出，雙膨脹源膨脹劑對膠砂抗折強度和抗壓強度均是有先增強后削弱的作用，抗折強度和抗壓強度的增長趨勢大致相同，當雙膨脹源膨脹劑添加量為膠凝材料 6% 時的抗壓強度和抗折強度表現最好，雙膨脹源膨脹劑可以有效抵消膠凝材料的收縮，使得試塊更加密實，但是當摻量過度時會導致破壞性膨脹，降低強度。

表 4 膠砂力學性能試驗結果 MPa

圖 4 膨脹劑摻量對膠砂抗折強度的影響

圖 5 膨脹劑摻量對膠砂抗壓強度的影響

表 5、圖 6、圖 7 和表 6、圖 8、圖 9 分別為 C30 和C50 混凝土力學性能的試驗結果。

表 5 C30 混凝土強度試驗結果 MPa

表 6 C50 混凝土強度試驗結果 MPa

圖 6 膨脹劑摻量對 C30 混凝土限制強度的影響

圖 7 膨脹劑摻量對 C30 混凝土自由強度的影響

通過對摻加不同比例的雙膨脹源膨脹劑 C30 混凝土和 C50 混凝土的自由強度和限制強度觀察可以得出以下結論：

（1）通過圖 6～9 對 C30 及 C50 的自由強度和限制強度的觀察，限制強度較自由強度有略微的提高，限制強度由于早期 7d 的帶模養護，可以使得膨脹劑的膨脹性能和混凝土的收縮性能相互作用，增強混凝土的致密性，故而增強混凝土的早期強度。因此，雙膨脹源膨脹劑運用到實際工程中，帶模養護 7d 可以使雙膨脹源膨脹劑更好地提高混凝土的強度。

圖 8 膨脹劑摻量對 C50 混凝土限制強度的影響

圖 9 膨脹劑摻量對 C50 混凝土自由強度的影響

（2）通過圖 6～9 可以看出隨著雙膨脹源膨脹劑的增加，兩種配比混凝土的自由強度和限制強度均出現先增加后降低的趨勢，從各齡期的強度值可以看出，C30混凝土的限制強度在雙膨脹源膨脹劑添加量為 9% 時達到最高值，且與雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 組別的增長趨勢相同，強度值較為接近；而自由強度在雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 時達到最高值，與雙膨脹源膨脹劑添加量為 9% 的一組增長趨勢大致相同，但是隨著養護時間延長，9% 組較 6% 組的強度降低幅度越來越大；C50 混凝土中雙膨脹源膨脹劑添加量為 9% 的組在 28d前較 6% 組的強度略高且增長趨勢一致，但隨著齡期的增長，自由強度與限制強度均在雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 的組達到最高值。

2.2 雙膨脹源膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土膨脹性能的分析

雙膨脹源膨脹劑摻量對膠砂膨脹性能的影響見表 7和圖 10。

表 7 膨脹劑摻量對膠砂限制膨脹率的影響 %

圖 10 膠砂在膨脹劑不同摻量下的限制膨脹率

表 8、圖 11 和表 9、圖 12 分別為 C30 和 C50 混凝土膨脹性能的試驗結果。

表 8 C30 混凝土限制膨脹率試驗結果 %

圖 11 C30 混凝土在膨脹劑不同摻量下限制膨脹率

表 9 C50 混凝土限制膨脹率試驗結果 %

圖 12 C50 混凝土在膨脹劑不同摻量下限制膨脹率

通過對摻加不同比例雙膨脹源膨脹劑的膠砂、C30混凝土、C50 混凝土的限制膨脹率觀察可以得出以下結論：

（1）通過圖 10～12 可以看出雙膨脹源膨脹劑在50% 礦物摻合料（30% 粉煤灰+20% 礦粉）的膠砂和混凝土中具有較好的膨脹性能，水中的膨脹速率較快，在水中養護 7d 可以達到較高的膨脹能，隨著雙膨脹源膨脹劑摻量的增加，限制膨脹率也隨之增加。從水中養護轉為恒溫恒濕的空氣中養護，隨著各試件水分的蒸發，膠砂試件和混凝土試件的限制膨脹率均出現下降趨勢，充足的水分是雙膨脹源膨脹劑產生膨脹的重要條件。

（2）通過圖 11、圖 12 可以看出 C30 和 C50 兩種配比混凝土的限制膨脹率，在相同養護條件及膨脹劑添加比例一致的情況下，C50 混凝土的限制膨脹率要比C30 混凝土的限制膨脹率低，但是膨脹及收縮的規律基本一致，一是由于 C50 混凝土的膠凝材料用量較大，且水膠比較低，故沒有足夠的水分滿足膨脹劑的水化；二是由于 C50 混凝土強度較大，早期較高的強度限制了膨脹劑的膨脹。

（3）由水養轉為干空養護時，各組試件的限制膨脹率均出現降低的趨勢，未添加雙膨脹源膨脹劑的試塊出現收縮狀態，而添加雙膨脹源膨脹劑的混凝土試塊仍然處于膨脹狀態，由圖 11 可以看出 C30 混凝土試塊在水養 14d 后挪至空養狀態時，限制膨脹率下降趨勢較快，隨著試塊內部水分的蒸發，限制膨脹率趨于穩定狀態；圖 12 顯示 C50 混凝土試塊限制膨脹率的上升速度和下降速度比 C30 混凝土慢，由于 C50 混凝土的強度較大，水膠比較低，故限制了雙膨脹源膨脹劑早期的膨脹，同理，當膨脹才產生后隨著水分的蒸發，限制膨脹率的下降也較為緩慢。

2.3 雙膨脹源膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土抗裂性能的分析

本試驗采用抗裂圓環模具進行混凝土抗裂性能的測試，將表 3 各組 C30 混凝土裝入模具加以插搗和振搗，自由組表面覆蓋保鮮膜養護 24h 后拆掉兩側擋板，限制組帶模濕養護 7d 后拆除兩側擋板，然后放置于恒溫恒濕的室內養護，每天觀察各試塊裂縫出現的時間，28d 時裂縫的寬度，各組混凝土開裂情況見表 10。

表 10 各組混凝土開裂情況對比

圖 13 C30-SY-0% 裂縫寬度細節圖

圖 14 C30-SY-12%-自由組裂縫寬度細節圖

圖 15 C30-SY-12%-限制組裂縫寬度細節圖

通過對比，在養護 7d 時，添加雙膨脹源膨脹劑的限制組和自由組均未出現開裂情況，第 8 天時，“C30-SY-0%-自由組”和“C30-SY-12%-自由組”出現細微裂縫，但是兩者產生裂縫的原因不同，“C30-SY-0%-自由組”是因為混凝土中水分的散失引起的干縮，而“C30-SY-12%-自由組”則是因為膨脹劑添加過量導致的破壞性裂縫；在第 10 天時，“C30-SY-0%-限制組”產生細微裂縫，由于限制帶模限制養護，所以“C30-SY-0%-限制組”的失水較自由組慢，故裂縫出現大的時間較自由組慢；在第 11 天時，“C30-SY-12%-限制組”開始出現裂縫，由于外圍擋板在前 7d 限制膨脹，使產生的膨脹有效補償收縮，故“C30-SY-12%-限制組”較“C30-SY-12%-自由組”的裂縫出現時間較慢，周圍的限制消除后，其繼續產生的過度膨脹依然會導致混凝土產生破壞性裂縫。“C30-SY-6%-自由組”和“C30-SY-6%-限制組”養護至 28d，均未出現裂縫。

雙膨脹源膨脹劑可以改善大摻量礦物摻合料混凝土的抗裂性能，通過使混凝土產生膨脹補償收縮，進而達到抗裂的效果。其添加量及養護條件對抗裂性能的影響尤為重要，通過表 10 各組的對比試驗，在 C30 混凝土中適量添加雙膨脹源膨脹劑可以有效抑制混凝土的開裂，自由組和限制組的比較可以得出帶模養護 7d 會延緩混凝土的早期開裂，結合 2.1 雙膨脹源膨脹劑對混凝土強度的影響，在 50% 礦物摻合料時添加 6% 的雙膨脹源膨脹劑，能夠最大程度地提高混凝土的強度，同時可以有效抑制混凝土的開裂。

3 結論

通過對膠砂與混凝土力學性能、限制膨脹率及抗裂試驗的研究可以得出以下主要結論：

（1）適量添加雙膨脹源膨脹劑且做好前期養護可以提高混凝土的抗折強度和抗壓強度，添加過量會降低混凝土的抗折強度和抗壓強度，雙膨脹源膨脹劑添加量為 6% 且帶模養護 7d 時可以更好地增強混凝土的強度。

（2）膠砂試件及混凝土試件的限制膨脹率隨著雙膨脹源膨脹劑的增加而升高，在混凝土試件中水養 7d的膨脹性能已表現較好，在相同養護條件及膨脹劑添加比例一致的情況下，C30 混凝土的限制膨脹率要比 C50混凝土的限制膨脹率高，添加 12% 雙膨脹源膨脹劑水養 14d 時 C30 混凝土限制膨脹率最高為 0.0698%，而C50 混凝土限制膨脹率最高為 0.0127%。從水中養護挪至恒濕恒溫的空養后，限制膨脹率出現下降趨勢，但是添加雙膨脹源膨脹劑的試塊仍然處于膨脹狀態，當試塊內外濕度接近平衡時，膨脹也漸趨穩定。

（3）適量的添加雙膨脹源膨脹劑可以有效改善混凝土的開裂情況，但是添加過量會促使混凝土的開裂，結合雙膨脹源膨脹劑對混凝土強度的影響，在 50% 礦物摻合料混凝土中添加膠凝材料 6% 的雙膨脹源膨脹劑且帶模養護 7d，可以更好地提高混凝土強度的同時抑制混凝土的開裂，雙膨脹源膨脹劑在大摻量礦物摻合料混凝土中的添加量不宜超過 9%，否則會產生破壞性膨脹導致混凝土的開裂。