膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土水化和收縮性能的影響

蘇忠純，韓立剛，曹忠露，，趙衛民

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中通道西人工島暗埋段大體積混凝土設計強度56 d C50，頂板厚度1.6 m，側墻厚度1.2 m，配筋率0.24 t/m3，要求澆筑后的混凝土結構密實無裂縫。從配合比設計的角度，考慮采用大摻量的礦物摻合料和高性能的緩凝型減水劑，以延緩混凝土水化最高溫度出現的時間，降低混凝土水化放熱。從混凝土生產的角度，采取噴淋、遮陽、加冰的措施降低混凝土的出機溫度。從施工的角度，布設冷區水管，減小混凝土的內外溫差，并加強澆筑后的混凝土養護。除采取以上措施外，采用補償收縮混凝土亦是一種解決辦法，雖然膨脹劑的使用存在很多爭議[1-3]，國內外學者對各種膨脹劑的原理及應用做了大量的研究[4-7]，但對大摻量礦物摻合料混凝土中摻加膨脹劑研究較少。本文用膨脹劑替代基準混凝土中部分粉煤灰，研究膨脹劑對大摻量礦物摻合料混凝土強度、水化和收縮性能的影響，同時摻入不同種類和摻量的膨脹劑對混凝土自生體積變形進行研究。

1 混凝土配合比設計

1.1 原材料

水泥：英德海螺水泥有限責任公司P.II42.5硅酸鹽水泥和P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

礦物摻合料：鎮江華源集團有限公司F類I級粉煤灰，唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司S95級礦粉。

細骨料：西江中砂，細度模數2.6。

粗骨料：德慶縣九市鎮德鑫石礦有限公司5～25 mm碎石（由5～10 mm占30%、10～25 mm占70%混合而成）。

減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司高性能混凝型減水劑。

膨脹劑：深圳市路基建材技術有限公司Ⅰ型UEA膨脹劑和江蘇蘇博特新材料股份有限公司HME-Ⅱ型高性能氧化鎂復合型膨脹劑。

拌合水：現場自來水。

1.2 混凝土配合比

基準混凝土配合比的膠凝材料總量為418 kg/m3，粉煤灰摻量30%，礦粉摻量25%，砂率43%，水膠比0.34，減水劑摻量1%。

以編號為C1—C4的配合比分析不同種類水泥和UEA膨脹劑對混凝土抗壓強度、水化放熱和收縮性能的影響；在基準配合比C1的基礎上，C4—C9的配合比膨脹劑以4%、8%和10%的摻量等量替代粉煤灰，分析膨脹劑種類（UEA類、氧化鎂復合類）和摻量對混凝土自生體積收縮性能的影響。

混凝土的配合比見表1。

表1 試驗用混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion for test

1.3 試驗方法

混凝土拌合物的工作性能按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》檢測，抗壓強度試驗依據GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，混凝土干燥收縮試驗依據GB/T 50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，混凝土限制膨脹率試驗依據GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》進行，混凝土的自生體積變形試驗依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行，混凝土膠凝材料的水化熱試驗依據GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》進行。

混凝土干燥收縮試驗和限制膨脹率試驗各分兩組，分別在室內標準養護條件下（恒溫恒濕：溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%）和現場同條件灑水養護條件下（覆蓋土工布灑水養護14 d后期暴露在空氣中）進行測試。

2 結果與討論

2.1 膨脹劑和水泥種類對混凝土抗壓強度的影響

膨脹劑和水泥種類對混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。

由圖1可見，P.Ⅱ42.5水泥混凝土的各齡期抗壓強度比P.O42.5水泥的強度高，強度增長幅度隨齡期呈增大的趨勢。這是由于雖然同為42.5級水泥，Ⅱ型硅酸鹽水泥中粒化高爐礦渣或石灰石摻量最多為5%，而普通硅酸鹽水泥中粒化高爐礦渣、火山灰質混合材和粉煤灰摻量為5%～20%，水泥生產企業為追求經濟效益的最大化，往往取摻量上限，導致水泥熟料用量減少；在工藝上普通硅酸鹽水泥比硅酸鹽水泥磨的更細，加快早期熟料的反應速度，導致后期強度增長乏力，表現為混凝土早期強度相差不多，后期強度相差較大。用8%UEA膨脹劑替代8%粉煤灰后，混凝土的3 d強度降低1.5～1.8 MPa、7 d強度降低2.7～3.2 MPa、28 d強度降低4.0～4.8 MPa、56 d強度降低2.3～4.6 MPa，這是由于摻入膨脹劑后，還是按普通混凝土力學性能試驗方法進行試驗，成型1 d后拆模，摻加膨脹劑的混凝土沒有任何外加約束，試件處于自由膨脹狀態，體積變大，結構的密實性降低，導致混凝土各齡期強度均有不同程度的下降。游寶坤等[8]人的研究也認為：摻入膨脹劑的混凝土，試模的限制強度高于自由強度，在同配合比條件下，自由強度隨膨脹劑內摻量的提高而降低。

圖1 膨脹劑和水泥種類對混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Influence of expansive agent and cement type on compressive strength of concrete

2.2 膨脹劑對混凝土干燥收縮的影響

不同養護條件下，UEA膨脹劑對混凝土干燥收縮的影響見圖2。在室內標準養護和現場同條件灑水養護的情況下，無論是否摻加膨脹劑，混凝土的干燥收縮均在0～14 d齡期內急劇增大，隨后14～60 d齡期內增速放緩，60 d齡期后干燥收縮趨于平緩。不摻膨脹劑的硅酸鹽水泥混凝土干燥收縮最小，摻UEA膨脹劑對混凝土收縮的影響并不明顯，這是由于膨脹劑的摻入增加了水化反應消耗的水分，使收縮增大，其膨脹效應并未完全彌補其水化造成的收縮[8]。同條件灑水養護試件的干燥收縮比室內標準養護試件的干燥收縮約低200με，混凝土拆模后灑水養護14 d能顯著降低混凝土的干燥收縮。

圖2 膨脹劑對混凝土干燥收縮的影響Fig.2 Influence of expansive agent on drying shrinkage of concrete

2.3 膨脹劑對混凝土限制膨脹率的影響

不同養護條件下，UEA膨脹劑對混凝土限制膨脹率的影響如圖3所示。

由圖3可見，無論是否摻加UEA膨脹劑，混凝土的限制膨脹率均在0～7 d齡期內急劇降低。室內標準養護條件下，混凝土的限制膨脹率均在7～60 d齡期內進一步降低并在60 d齡期后基本趨于穩定，摻加UEA膨脹劑后，P.II硅酸鹽水泥混凝土的限制膨脹率反而降低，UEA膨脹劑的摻加與否對普通硅酸鹽水泥混凝土的限制膨脹率影響較小。同條件灑水養護條件下，P.II硅酸鹽水泥混凝土的限制膨脹率和普通硅酸鹽水泥混凝土的限制膨脹率均比其標準養護條件下的限制膨脹率小。

圖3 膨脹劑對混凝土限制膨脹率的影響Fig.3 Influence of expansive agent on limiting expansion rate of concrete

2.4 膨脹劑對膠凝材料水化熱的影響

對混凝土配合比C1—C4的膠材體系進行水化熱試驗，結果如表2所示。用8%UEA膨脹劑替代8%粉煤灰后，P.II硅酸鹽水泥膠材體系的水化溫升提高約2℃，最高溫耗時提前約1 h 30 min，7 d水化放熱增大55 J/g；普通硅酸鹽水泥膠材體系水化溫升提高約3℃，最高溫耗時提前約30 min，7 d水化放熱增大71 J/g。摻加UEA膨脹劑使膠凝材料的水化速率增大，水化溫升提高，最高溫耗時降低和水化放熱量增大。許多研究學者用等量的膨脹劑替代水泥，得出了摻入膨脹劑后使水化熱降低的結論[9]，這是因為膨脹劑中的有效成分鈣礬石的含量只占很少一部分，其余大部分為粉煤灰等礦物摻合料，因而使水化熱降低。本試驗是用膨脹劑等量替代粉煤灰，水化熱和水化溫升的增大是由于鈣礬石比粉煤灰更早發生化學反應，水化放熱更大，這與本文得出的結論并不矛盾。

表2 膨脹劑對膠凝材料水化熱的影響Table 2 Influence of expansion agent on hydration heat of cementitious materials

2.5 不同類型膨脹劑對混凝土自生體積變形的影響

自生體積變形是混凝土在密封條件下（與外界沒有濕度交換），因自身水化反應在宏觀上表現出來的體積變形，是自干燥收縮和化學減縮的外在表現。與干燥收縮和限制膨脹率測試相比，自生體積變形沒有濕度的交換，更符合大體積混凝土體積變化的規律，測試結果更接近現場的實際情況。UEA膨脹劑、氧化鎂復合膨脹劑對混凝土自生體積變形的影響見圖4。

由圖4可知，與基準混凝土相比，混凝土自生體積變形隨著膨脹劑摻量的增加而減小；摻4%UEA膨脹劑混凝土的自生體積變形與基準混凝土基本一致，摻10%UEA膨脹劑混凝土的自生體積變形在3 d齡期達到最大值38με后降低。摻8%和10%氧化鎂復合類膨脹劑混凝土的自生體積變形在7 d齡期到達最大而后呈降低趨勢。對于摻膨脹劑的混凝土若要到達體積穩定，必須通過試驗確定膨脹劑的合理摻量，從混凝土的自生體積變形效果來看，同摻量的氧化鎂復合膨脹劑好于UEA膨脹劑，這是由于氧化鎂復合膨脹劑中的膨脹源氧化鎂水化反應速度較慢，持續生成氫氧化鎂體積增加，對后期的收縮進行補償。

圖4 膨脹劑對混凝土自生體積變形的影響Fig.4 Influence of expansive agent on autogenous volume deformation of concrete

3 結語

1）混凝土中摻入UEA膨脹劑，可使其抗壓強度有一定程度的降低。

2）混凝土的干燥收縮和限制膨脹率在早齡期時發展迅速，摻加UEA膨脹劑并不能有效改善混凝土的干燥收縮和限制膨脹率，加強早期的灑水養護能顯著降低混凝土的收縮。

3）摻加UEA膨脹劑使膠凝材料的水化速率增大，水化溫升提高、最高溫耗時降低和水化放熱量增大，在實際應用中應予以考慮。

4）膨脹劑種類和摻量對混凝土自生體積變形的影響較大，同摻量的氧化鎂復合膨脹劑好于UEA膨脹劑。