探索兩種膨脹劑對高強(qiáng)混凝土性能的影響

郭浩東

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

0 前 言

自從進(jìn)入21世紀(jì)，高強(qiáng)混凝土無論是在公路領(lǐng)域，還是房建、水利、地下工程等諸多承受壓力的建筑結(jié)構(gòu)中都得到廣泛青睞[1-4]。隨著技術(shù)進(jìn)步和社會發(fā)展，大型基建設(shè)施如超高層建筑或大跨度橋梁等面臨的結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，承受重力越來越大，有國外專家預(yù)測本世紀(jì)中葉混凝土全球需求量預(yù)計達(dá)到160億噸/年，于是高強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生[2]。《建筑材料術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T191—2009)規(guī)定：高強(qiáng)混凝土(high strength concrete)強(qiáng)度等級高于C60的混凝土[2-5]。雖然高強(qiáng)混凝土具有混凝土耐久度高、強(qiáng)度大、材料自重小、抗壓強(qiáng)度大以及孔隙率較低等優(yōu)點(diǎn)[6，7]，但是此類混凝土開裂情形卻屢見不鮮。由于高強(qiáng)混凝土通過增加優(yōu)質(zhì)水泥用量和降低水膠比，導(dǎo)致因與普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異異而產(chǎn)生的非荷載應(yīng)力超過某一齡期引起的收縮變形(塑性收縮和自收縮)，最終引起工程實(shí)踐中常見的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫[2][4][5]。國內(nèi)有學(xué)者初步研究表明[8-10]，膨脹劑對高強(qiáng)混凝土抑制自收縮進(jìn)程和延緩混凝土開裂具有良好效果，同時氧化鎂型和硫鋁酸鈣-氧化鈣型膨脹劑都具有良好的環(huán)境效益[11，12]，這兩種膨脹劑應(yīng)用于大體積高強(qiáng)度混凝土可以有效削減其收縮，高強(qiáng)混凝土在橋梁領(lǐng)域上部結(jié)構(gòu)較為常見，本次試驗(yàn)研究兩種膨脹劑對提高混凝土性能的不同影響[12]。鑒于此，研究膨脹劑對于補(bǔ)償高強(qiáng)混凝土自收縮和延緩混凝土開裂的機(jī)理有較大的學(xué)術(shù)價值和工程意義[13，14]。

1 試驗(yàn)方法和材料

1.1 試驗(yàn)主要設(shè)備

試驗(yàn)主要使用的試驗(yàn)儀器有HJW—60混凝土攪拌機(jī)、MATEST試驗(yàn)機(jī)(軸壓試驗(yàn))、混凝土收縮膨脹率所使用的相關(guān)儀器(測定儀、鋼筋縱向限制器等)。

1.2 原材料準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)主要原材相關(guān)物理性能指標(biāo)如表1～表5所示。

表1 42.5硅酸鹽水泥物理性能指標(biāo)

表2 粉煤灰和礦渣技術(shù)指標(biāo)

表3 兩種新型膨脹劑主要材料化學(xué)組成

表4 聚羧酸高性能減水劑(標(biāo)準(zhǔn)型)主要材料化學(xué)組成

表5 粗、細(xì)骨料粒徑及主要化學(xué)組成

試驗(yàn)室所需用水使用自來水。

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)主要研究兩種膨脹劑(氧化鎂型和硫鋁酸鈣-氧化鈣型膨脹劑)不同外加劑摻量對公路施工中C60高強(qiáng)混凝土性能的影響分析，從試驗(yàn)室混凝土三種常見物理性能和力學(xué)性能即混凝土和易性、抗壓強(qiáng)度和膨脹率三個方面進(jìn)行試驗(yàn)分析。

和易性通過《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T50080)中要求的試驗(yàn)方法坍落度和擴(kuò)展度進(jìn)行分析；抗壓強(qiáng)度通過《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)中要求的電液伺服壓力機(jī)試驗(yàn)方法進(jìn)行測定，抗壓試件采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)尺寸，以7 d、28 d、60 d為齡期進(jìn)行強(qiáng)度測量；膨脹率采用《混凝土膨脹劑》(GB23439—2009)規(guī)定的方法使用CABR—NES非接觸式混凝土收縮變形測定儀分別測定不同齡期的混凝土的自由膨脹率[11]。

1.4 高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計

按照試驗(yàn)室配合比進(jìn)行三組試件的制作，使用攪拌機(jī)拌合均勻后分為三組分別為SJ-1為不摻任何膨脹劑的基準(zhǔn)組，膨脹劑采用內(nèi)摻法取代水泥，膠凝材料總量保持不變，制作SJ-2-1、SJ-2-2、SJ-2-3為摻量分別3%、6%和9%的氧化鎂膨脹劑試件1組，SJ-3-1、SJ-3-2、SJ-3-3為摻量分別3%、6%和9%的硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑的試件2組，最終通過適配和試驗(yàn)室理論計算調(diào)整得到表6中配合比，然后將三組試件置于標(biāo)養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)制樣。

表6 C60混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析

2.1 兩種膨脹劑不同摻量對C60混凝土和易性的影響

混凝土的坍落度和擴(kuò)展度可以反映混凝土的和易性，和易性用來描述混凝土工程工作性能，試驗(yàn)結(jié)果如7表所示。

在適當(dāng)適量微調(diào)減水劑比例的基礎(chǔ)上，氧化鎂膨脹劑的摻入對于C60混凝土的工作性能有較為可觀的提升。當(dāng)摻入3%的氧化鎂膨脹劑時，較于其他不同比例的摻量坍落度和擴(kuò)展度都下降明顯，坍落度和擴(kuò)展度隨著摻量的增大而逐漸減小，且降幅越來越低，但是變化幅度并不明顯。實(shí)驗(yàn)過程中隨著膨脹劑摻量的增大減水劑用量也增大明顯，綜合考慮當(dāng)氧化鎂摻量為6%，工作性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)到達(dá)理想情況。

摻量硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑對于混凝土和易性影響趨勢與氧化鎂膨脹劑趨勢基本一致。不一致的是，由圖1結(jié)合圖2及表7可以認(rèn)識到，硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑和氧化鎂膨脹劑較于基準(zhǔn)組，前者在坍落度和擴(kuò)展度上較于后者對比基準(zhǔn)組降幅均較大。

表7 C60混凝土在不同膨脹劑條件下和易性表征

圖1 摻不同比例氧化鎂膨脹劑對混凝土和易性影響

圖2 摻不同比例硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑對混凝土和易性影響

2.2 兩種膨脹劑對C60混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土抗壓強(qiáng)度是來表征混凝土單位面積所能承受的最大壓力，基于《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150-2017)進(jìn)行本次試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，得出在標(biāo)養(yǎng)脫模條件下?lián)饺雰煞N摻量為6的膨脹劑的混凝土試件，試件編號按照1.2中試件編號進(jìn)行試驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)如表8和圖3所示。

圖3 摻兩種膨脹劑在標(biāo)養(yǎng)條件下對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表8 C60混凝土在不同膨脹劑條件下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖表可知：在脫模標(biāo)養(yǎng)條件下，隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，三組試件的混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增加而增大，整體趨勢為14 d前強(qiáng)度增長速度較快，后期增長速度較為緩慢。分析對比三組試件的強(qiáng)度增長情況，摻入兩種膨脹劑后對于基準(zhǔn)組均有微小的強(qiáng)度降低現(xiàn)象，摻入6%劑量的氧化鎂膨脹劑在14 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度較于未摻入膨脹劑的試件下降了約15%，摻入6%劑量的硫鋁酸鈣-氧化鈣較于基準(zhǔn)組下降了約32%，降幅較為明顯，從養(yǎng)護(hù)開始到養(yǎng)護(hù)結(jié)束，摻入氧化鎂膨脹劑試件比摻入硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑試件的降幅要小。眾多國內(nèi)優(yōu)秀學(xué)者對于膨脹劑降低抗壓強(qiáng)度提出了看法，主要是膨脹劑的摻入替代部分水泥之后外加劑無法作用水泥的膠凝性，但是副作用對于整體混凝土強(qiáng)度影響有限，所以在摻入6%膨脹劑的情況下，綜合考慮選取氧化鎂膨脹劑作為高強(qiáng)混凝土外加劑較為合理。

2.3 兩種膨脹劑對C60混凝土限制膨脹率的影響

表征混凝土膨脹率的指標(biāo)有限制膨脹率和自由膨脹率。依據(jù)《混凝土膨脹劑》(GB23439-2009)測定不同齡期的高強(qiáng)混凝土的限制膨脹率，本次試驗(yàn)限制膨脹率基于以下公式進(jìn)行計算[15]：

式中:ε為所測齡期的限制膨脹率，%；L1為所測齡期的試件長度測量值，mm；L為試件的初長測量值，mm；L0為試件的基準(zhǔn)長度，mm。

通過試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，如表9和圖4所示。

表9 C60混凝土在不同膨脹劑條件下膨脹率

圖4 C60混凝土在不同膨脹劑條件下膨脹率

由圖4可知，在標(biāo)養(yǎng)條件下，摻入6%硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑試件明顯大于基準(zhǔn)組和6%氧化鎂膨脹劑的試件。SJ-2-2在養(yǎng)護(hù)初期就表現(xiàn)出微膨脹效果，后期膨脹效果明顯增強(qiáng)，并且隨之養(yǎng)護(hù)時間增加，膨脹率基本呈正比增加，這有助于提高混凝土的開裂能力。相較于SJ-2-2，SJ-1-2和基準(zhǔn)組試件表現(xiàn)較為一致的膨脹效果，且膨脹率微小，可看做沒有膨脹。

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)室測定相關(guān)數(shù)據(jù)和分析得出如下結(jié)論，摻入膨脹劑之后的混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度有輕微下浮，摻入大約占膠凝材料6%的氧化鎂膨脹劑在經(jīng)濟(jì)效益和混凝土性能上屬于性價比較高摻量。加入不同類型的膨脹劑在不同程度上都有膨脹效果的提升，摻入硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑對于抑制混凝土自收縮和后期開裂有一定程度的控制效果。在實(shí)際施工中，高標(biāo)號膨脹混凝土施工質(zhì)量完全可控。