輕砂內養護劑的協同膨脹效應對微膨脹混凝土變形性能的影響

劉家彬，張明亮，秦鴻根

（1.東南大學土木工程學院，江蘇南京，211189；2.東南大學江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇南京，211189）

混凝土裂縫嚴重影響結構工程的質量和耐久性，裂縫的產生主要是由于混凝土凝結硬化過程中收縮變形.隨著膨脹劑的引入，通過補償收縮混凝土可有效減少或避免裂縫產生，利用摻膨脹劑混凝土的早期膨脹補償中后期的收縮，而混凝土收縮應力主要發生在后期，此時的膨脹劑難以消除收縮開裂問題［1-2］.膨脹劑的水化反應需要大量水分，早期水分不足會導致膨脹反應無法持續進行.內養護技術可有效解決這一問題并取得了較好的效果.秦鴻根等［3］通過試驗研究發現，當高吸水樹脂（Super Absorbent Polymer，SAP）摻入量為膠凝材料的0.2%～0.3%時，可明顯改善混凝土的抗塑性裂縫性能，從而有效提高混凝土的耐久性.何銳等［4］的研究表明，當SAP摻量為膠凝材料的0.2%時，混凝土各項力學性能達到峰值，此時的復合材料最為致密，強度最高.朱長華等［5］基于西北大風干旱環境研究發現SAP 內養護可減小混凝土的塑性收縮和干縮落差，提高混凝土的抗裂性.

SAP 作為混凝土內養護劑已進行了大量的研究和工程應用，但SAP作為內養護劑仍存在不足.主要表現為吸水后的SAP 密度不到混凝土的50%，混凝土成型時易上浮，導致分布不均；SAP 釋水速度快，水分易揮發，釋水后在混凝土內部形成細孔，對混凝土強度有負面影響.為此，筆者課題組研制出一種高吸水輕砂內養護劑，具有強度高、密度大、吸水率大等特點；輕砂具有一定的直徑，可填充混凝土水化過程中的孔隙，提高混凝土致密性［6］.雖然現有一定的試驗研究，但工程應用較少.本文結合無錫地鐵車站疊合式墻板現澆微膨脹抗裂混凝土設計與施工，通過摻SAP 與輕砂內養護劑的補償收縮混凝土的對比試驗，包括限制膨脹、自收縮、干燥收縮、平板開裂等試驗研究，探究了輕砂內養護劑對補償收縮混凝土的協同膨脹作用.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用江蘇鶴林水泥有限公司產P·O42.5 級水泥，密度為3 050 kg∕m3，比表面積為385m2∕kg，28 d抗壓強度為55.9 MPa；粉煤灰為華能國際電力股份有限公司（南京）生產的F 類Ⅱ級粉煤灰，密度為2 250 kg∕m3，45 μm篩余率為17.8%，需水量比95%，燒失量7.2%；礦粉為南京梅寶新型建材有限公司生產的S95級礦粉，密度為2 940 kg∕m3，比表面積為408m2∕kg，28 d 活性指數102%，燒失量0.3%.膠凝材料的化學成分見表1.

表1 膠凝材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of Cementitious material %

細骨料采用江西贛江Ⅱ區中砂，細度模數為2.60，級配合格，表觀密度2 630 kg∕m3，堆積密度1 510 kg∕m3，空隙率44%，含泥量0.5%，泥塊含量0.2%；粗骨料采用石灰巖碎石，大小石子按6∶4 配成5～31.5 mm 連續級配碎石，表觀密度2 740 kg∕m3，堆積密度1 500 kg∕m3，空隙率45%，含泥量1.0%，泥塊含量0.2%.

外加劑由江蘇博特公司生產，其中減水劑為PCA-10 型聚羧酸高效減水劑，含固量20%，摻量為1%，減水率為25%；膨脹劑為HME-V 型混凝土高效膨脹劑，密度為2 650 kg∕m3，細度1.18 mm，篩余率為0.15%，摻量為8%.

輕砂內養護劑采用江蘇智晟生產的固體輕砂，粒徑1～4 mm，表觀密度為1 650 kg∕m3，筒壓強度8.5 MPa，1 h 吸水率為35%；SAP 內養護劑采用市售的超強吸水樹脂，粒徑為30～300 μm，1 h 吸水率為28 g∕g（每1 g 樹脂吸收28 g 水），吸鹽水率15 g∕g（每1 g 樹脂吸收15 g鹽溶液）.

1.2 試驗方案

為配制抗裂性能好的地鐵疊合式墻板用C40 補償收縮混凝土，采用水膠比、砂率優化技術、高性能減水劑、優質摻合料復摻技術、膨脹劑與內養護劑協同膨脹減縮技術，并依據相關標準設計了4組C40混凝土試驗配合比，列于表2中.

表2 地鐵C40補償收縮混凝土的試驗配合比Tab.2 Test mix ratio of subway C40 shrinkage-compensating concrete（kg·m-3）

良好的限制條件和養護條件是制備補償收縮混凝土的兩個關鍵因素，有利于混凝土變形性能的改善和抗裂性能的提高.本文設計（DQ-1）為基準混凝土，其水膠比為0.38、砂率為41%；（DQ-2）是在（DQ-1）的基礎上內摻8%HME-IV 混凝土高效膨脹劑（分別取代4%的摻和料）的膨脹混凝土；（DQ-3）和（DQ-4）是在膨脹混凝土（DQ-2）的基礎上再摻兩種不同的內養護劑制備成的膨脹內養護混凝土，其中SAP 內養護劑摻量為膠凝材料的0.15%，輕砂內養護劑50 kg∕m3（等體積取代細骨料）.以上4 組混凝土皆為C40混凝土.

1.3 試驗方法

限制膨脹率試驗參照《混凝土膨脹劑》（GB∕T 23439—2017）和《混凝土外加劑應用技術規范》（GB 50119—2013）進行，將制備出的混合料篩除大于5 mm 的碎石，采用其砂漿制備限制膨脹率試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm.混凝土自收縮試驗、干燥收縮試驗和大平板開裂試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB∕T 50082—2009）進行.

2 試驗結果與分析

2.1 內養護劑對補償收縮混凝土限制膨脹率的影響

限制膨脹率直接反映了補償收縮混凝土膨脹量的大小，是衡量膨脹劑補償收縮作用、抗裂防滲作用大小的關鍵指標［7］.混凝土限制膨脹率的影響因素主要包括膨脹劑摻量、水膠比、養護溫度、濕度、強度等級、膠凝材料、限制條件等，其中膠凝材料的研究主要集中在外摻粉煤灰、礦渣粉的量以及比例等因素［8-9］.本文主要研究內養護劑的協同膨脹效應對混凝土限制膨脹率的影響.按表1 的配合比制備混凝土限制膨脹試件，拆模后前14 d 放置水中養護，14 d后取出試件放于（20±2）℃、RH（60±5）%的恒溫恒濕室養護.測試不同齡期混凝土的變形性能，試驗結果列于圖1中.

圖1 補償收縮混凝土限制膨脹率隨時間變化曲線Fig.1 Curve of limited expansion rate of shrinkage-compensating concrete with time

圖1的試驗結果表明：

1）未摻膨脹劑的混凝土（DQ-1）早期變形不明顯，7～14 d 開始持續緩慢收縮變形，表現為混凝土的自收縮，14～28 d 位于空氣中的試件收縮變形顯著增大并持續發展，28 d限制收縮率達435×10-6.

2）摻膨脹劑的DQ-2、DQ-3、DQ-4 這3 組在1～14 d 表現為持續增長的膨脹變形；14 d 限制膨脹率達到200×10-6以上，限制了后期的收縮；其中摻內養護劑的膨脹混凝土第21 d 仍處于膨脹狀態，明顯減小了混凝土28 d的收縮變形.

3）摻內養護劑的補償收縮混凝土變形性能明顯優于單摻膨脹劑的混凝土，其中摻SAP 內養護劑的DQ-3 組變形值明顯高于單摻膨脹劑的DQ-2 組，21 d 后DQ-3 仍具有微膨脹變形，28 d 其限制收縮率為152×10-6，是單摻膨脹劑的混凝土收縮變形的52%；摻輕砂內養護劑的DQ-4組早期膨脹作用更明顯，其最大膨脹率可達426×10-6，高出單摻膨脹劑混凝土膨脹變形的72%，28 d 收縮變形顯著減小，僅為單摻膨脹劑混凝土收縮率的22%.

4）從限制膨脹率看，摻內養護劑為膨脹劑的水化提供了一定量的水分，促使膨脹劑的水化反應充分進行.由于輕砂內養護劑密度大，在混凝土拌合物中分布均勻，凝結硬化過程中與反應物充分接觸并緩慢釋放水分，促使膨脹劑能更好發揮膨脹效能.因此，摻高強大吸水的輕砂內養護劑的混凝土補償收縮效果優于摻SAP內養護劑組.

2.2 內養護劑對補償收縮混凝土自收縮的影響

Davis［10］對自收縮的明確定義為：沒有外界因素影響的情況下，因混凝土內部本身的物理化學變化引起的自身體積變形.日本混凝土協會（JCI）指出混凝土初凝后水泥水化引起膠凝材料宏觀體積的減小.自收縮是混凝土與外界無濕度交換，且非溫度及外部應力引起的體積變形［11］.

本試驗采用φ100×400 塑料模具、內附薄膜隔離層，每組3 塊，按表2 的配合比制備混凝土試件并置于（20±2）℃的恒溫室中，測試混凝土自收縮變形隨時間變化規律，試驗結果列于圖2中.

圖2 補償收縮混凝土自收縮率隨時間變化曲線Fig.2 Curve of autogenous shrinkage of shrinkage-compensating concrete with time

試驗結果表明：

1）由圖2 中的曲線可以看出，不摻膨脹劑的基準混凝土（DQ-1）自收縮率最大，且產生收縮的時間也最早；摻膨脹劑混凝土（DQ-2）的自收縮變形性能明顯改善，試件的早期膨脹變形明顯，其3 d 出現最大膨脹變形為95×10-6，60 d 自收縮率比不摻膨脹劑的對比組降低了76.5%.

2）由圖2 中DQ-2、DQ-3、DQ-4 曲線可知，試件的早期膨脹變形明顯，并在3 d 達到最大值，分別為95×10-6、159×10-6、203×10-6；隨后DQ-2 膨脹變形迅速回落，14 d 即呈現收縮變形狀態；而摻內養護劑的混凝土DQ-3、DQ-4 兩組60 d 依舊維持在較大膨脹變形狀態且回落幅度緩慢.以3 d 的變形為基準，DQ-2 組60 d 自收縮率為142%，DQ-3、DQ-4 兩組60 d 自收縮率后分別為34%、25%.這是由于內養護劑的緩慢釋水有效促進了膨脹劑和膠凝材料的水化和混凝土的膨脹，充分發揮了內養護劑的協同膨脹效應.

3）在自收縮條件下，摻SAP 內養護劑微膨脹劑混凝土（DQ-3）的最大膨脹率是不摻內養護劑的1.67 倍，摻SAP 的混凝土60 d 自收縮變形為+105×10-6（膨脹）；摻輕砂內養護劑的膨脹混凝土（DQ-4）最大膨脹率是不摻內養護劑的2.14 倍，其60 d 自收縮變形為+153×10-6（膨脹），比摻SAP 混凝土的自收縮減小45.7%.不難發現，摻輕砂內養護劑比SAP內養護劑更有利于膨脹效應的發揮，進一步減小了混凝土的自收縮變形.

2.3 內養護劑對補償收縮混凝土干燥收縮的影響

研究表明，干燥收縮是引起高性能混凝土開裂的重要原因之一.混凝土干燥收縮與水泥漿體內孔隙有關，在干燥條件下，水的蒸發速度可能超過混凝土向外泌水遷移的速度，此時，表層毛細孔中的水面降低，隨著蒸發的繼續，水分的失去從表層逐漸向混凝土內部不斷發展，毛細孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去.這些微細孔內水分的失去將在孔中產生毛細管負壓，并促使氣液彎月面的形成，從而對孔壁產生拉應力，造成水泥漿體收縮［12］.

按表2 的配合比制備混凝土試件，標養3 d 后置于（20±2）℃，RH（60±5）%的恒溫恒濕環境中進行干燥收縮試驗，試驗結果列于圖3中.

在水膠比對干燥收縮影響的研究中，劉家彬等［13］通過試驗分析隨著水膠比的降低，干燥收縮率減小，自收縮率增大.Baroghel-Bouny 等［14］指出當水膠比由0.45降低至0.30時，自收縮可增加1倍左右.

由圖3可以看出：

圖3 補償收縮混凝土干燥收縮率隨時間變化曲線Fig.3 Time-dependent drying shrinkage curve of shrinkage-compensating concrete

1）在干燥條件下，各組自由變形的混凝土試件7 d 前由于混凝土內部相對濕度較大，干燥收縮率相差不大；7 d后在干燥環境條件下，隨著水分蒸發，不摻膨脹劑的混凝土（DQ-1）組出現了較大的收縮，56 d 干燥收縮率達到了233×10-6，摻膨脹劑混凝土（DQ-2）的干燥收縮率有所減小.

2）摻入輕砂內養護劑的微膨脹混凝土（DQ-4）的干燥收縮率明顯減少，一方面由于大吸水輕砂內養護劑緩慢釋水，保持混凝土內部濕度，促進膨脹劑和膠凝材料的水化；另一方面由于輕砂密度大，可均勻地分布在混凝土中，且高強度輕砂還可起到限制收縮作用.

3）在干燥和自由變形條件下，摻SAP 內養護劑微膨脹混凝土（DQ-3）7 d 后的干燥收縮率明顯持續增大，其原因是SAP 飽和狀態下呈球形水珠，質輕易上浮，分布不均，水分蒸發速度較快，釋水后形成微孔隙，導致后期干燥收縮率增大.

2.4 內養護劑對補償收縮混凝土抗裂性能的影響

本研究采用大平板開裂試驗，制作內邊尺寸為400 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板型試件，裂縫誘導器頂端混凝土厚度為22 mm，模具四邊與底板通過螺栓固定.混凝土試件澆筑后置于RH 為（60±5）%、溫度為（30±2）℃、風速為6 m∕s 的環境中加速開裂試驗，24 h 出現明顯開裂，繼續在室溫環境下放置6 d，發現裂縫數量和寬度仍持續增長.采用混凝土裂縫檢測儀進行測量，依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB∕T 50082—2009）進行計算，結果列于表3中.

表3 C40補償收縮混凝土塑性開裂試驗結果Tab.3 Results of plastic cracking test of C40 Shrinkage compensating concrete

試驗結果表明，在標準規定的條件下，試驗的各組混凝土均出現開裂現象.未摻膨脹劑的基準混凝土（DQ-1）開裂最為嚴重，最大裂縫寬度和總開裂面積均最大；與DQ-1 相比，單摻膨脹劑的微膨脹混凝土（DQ-2）盡管裂縫總長度有所增加，但最大裂縫寬明顯減小，總開裂面積減少20%.

復摻內養護劑的補償收縮混凝土抗裂性明顯改善，其中摻輕砂內養護劑的微膨脹混凝土（DQ-4）抗裂效果最好，裂縫總長度和最大裂縫寬均明顯減小，總開裂面積減少了70%.而摻SAP 的微膨脹混凝土（DQ-3），總開裂面積減少了38%，雖然比DQ-4 組差，但明顯好于不摻內養護劑的DQ-2 組.由此可見，摻輕砂內養護劑可有效提高微膨脹混凝土的抗裂性能.

2.5 補償收縮混凝土工作性能與力學性能

按表2 的配合比拌制補償收縮混凝土，測試其拌合物工作性能和硬化混凝土的力學性能，試驗結果列于表4中.

表4 C40補償收縮混凝土的工作性能與力學性能Tab.4 Workability and mechanical properties of C40 Shrinkage compensating concrete

1）工作性能.設計并經調整后，表4 中的4 組混凝土拌合物均滿足設計和施工要求.摻入膨脹劑的混凝土（DQ-2）保水性和粘聚性進一步改善.同時摻入SAP 內養護劑和輕砂內養護劑的補償收縮混凝土工作性能有所改善，在不降低粘聚性、保水性的同時，坍落度和擴展度有明顯增大，可較好滿足施工要求.

2）力學性能.由表4 可以看出，摻入SAP 和輕砂內養護劑的補償收縮混凝土力學性能均明顯高于未摻膨脹劑的基準混凝土（DQ-1）.與單摻膨脹劑的補償收縮混凝土（DQ-2）相比，摻SAP 內養護劑的膨脹混凝土（DQ-3）7 d抗壓強度提高9.8%，28 d抗壓強度相差不大；而摻輕砂內養護劑的微膨脹混凝土（DQ-4）7 d強度提高了7.8%，28 d抗壓強度提高了3.2%.

摻膨脹劑混凝土（DQ-2）的劈裂抗拉強度最高，復摻內養護劑的膨脹混凝土次之，但比基準組（DQ-1）有明顯增大，由此可見，摻適量的膨脹劑和內養護劑有利于密實混凝土結構，提高混凝土劈裂抗拉強度.

3 內養護的協同膨脹效應分析

膨脹劑與水反應使混凝土早期產生體積膨脹.膨脹與強度是矛盾的統一，一定的膨脹可以密實混凝土結構，提高其強度和抗滲性，而且在限制條件下，早期膨脹可補償混凝土的后期收縮，但過大的膨脹會降低混凝土強度，而過高的早期強度會抑制混凝土的膨脹.研究表明，膨脹劑摻量一定時，對混凝土工作性能和力學性能影響不大或略有提高［15］.在約束變形條件下，在混凝土內部可產生0.2～0.7 MPa的預壓應力，該應力與混凝土抗拉強度之和是否大于收縮拉應力決定了膨脹混凝土的抗裂性［16］.本文采用氧化鈣類膨脹劑，在水化過程中氧化鈣水化變成氫氧化鈣晶體使得混凝土產生體積膨脹.水化硬化過程中，氫氧化鈣晶體穿透周圍物質向外生長而具有一定的結晶壓力和吸水腫脹變形，在約束條件下轉變為水泥石的自壓應力而使水泥石結構具有較好的抗拉變形能力.水化后期，硬化后的漿體中包裹著豎條狀的晶體，晶體和水泥凝膠體材料之間的填充、包裹作用使得整個體系的膠凝具有良好的密實性［17］.試驗結果表明，摻入適量膨脹劑不僅有利于混凝土密實性和力學性能的提高，還能改善混凝土的變形性能和抗裂性.

微膨脹混凝土補償收縮性能的發揮取決于養護和限制條件.中高強混凝土水膠比低、結構致密，混凝土內部的水分不能滿足膨脹劑的完全水化，且自收縮率隨水膠比的減小而增大，即使充分地外養護，水分也難以進入混凝土內部，所以對低水膠比的中高強膨脹混凝土，采用內養護技術是十分必要的.內養護是在混凝土拌合過程中摻入高吸水輕砂或超強吸水樹脂作為內養護劑，具有穩定混凝土內部水分平衡的作用.高美蓉等［18］指出內養護可以提高混凝土內部的含濕量，從而有效地減少混凝土自收縮，提高混凝土的抗裂性.內養護技術可減小以鈣礬石為膨脹源混凝土的水化不充分導致反應延遲的風險.

試驗結果表明，內養護膨脹混凝土明顯提高混凝土的膨脹率，減小混凝土的自收縮率，有效改善了混凝土的抗裂性能.因此，摻內養護劑對膨脹混凝土具有良好的協同膨脹效應.高吸水輕砂內養護劑濕表觀密度在2 000 kg∕m3左右，吸水率大于30%，與混凝土中砂漿密度相近，可均勻地分布于混凝土中，能充分發揮其內養護作用，克服SAP 內養護劑存在的質輕、分布不均、釋水后產生內部孔隙等問題，保證了混凝土的致密性，試驗結果表明強度較基準組有所提高.輕砂內養護劑在養護過程中緩慢釋水，減小了水分過度外泌蒸發，延長了膨脹劑在膨脹反應過程中吸水反應的時間，促進了膨脹劑和膠凝材料的水化，增大了限制膨脹率，減小了自收縮，可有效補償混凝土后期的收縮變形，從而提高混凝土抗裂性能.

4 結論

采用水膠比和砂率優化技術、高性能減水劑和優質摻合料復摻技術、膨脹劑與內養護劑協同膨脹減縮技術，配制了地鐵疊合式墻板用C40 補償收縮混凝土，經研究具有良好的工作性、力學性能和變形性能.得出如下結論：

1）內養護劑對膨脹混凝土具有良好的協同膨脹作用.摻輕砂內養護劑的C40 補償收縮混凝土水中14 d限制膨脹率比基準組大451×10-6，比僅摻膨脹劑組大179×10-6.先水養14 d 取出再放于恒溫室14 d，其限制干縮率是基準組的14.6%，是僅摻膨脹劑組的21.6%，明顯優于摻SAP內養護劑組.

2）內養護劑對膨脹混凝土具有明顯的減小自收縮作用.摻輕砂養護劑的微膨脹混凝土的膨脹率最大，60 d 仍處于膨脹狀態且膨脹率為153×10-6，明顯優于不摻內養護劑或摻SAP的微膨脹混凝土.

3）不同配比的混凝土早期干燥收縮率變化差異不大，但7 d 后出現明顯的不同.摻輕砂內養護劑的微膨脹混凝土后期干燥收縮率明顯減小，優于不摻膨脹劑、單摻膨脹劑或復摻SAP 與膨脹劑的混凝土，其抗塑性開裂性能也有明顯改善.