不同膨脹源的膨脹發(fā)展歷程及其在大體積混凝土中的應(yīng)用

秦哲煥，劉 敏,孔慶勛,紀憲坤，朱國軍

(1.武漢三源特種建材有限責任公司，武漢 430083；2.中國核電工程有限公司，北京 100000)

收縮是混凝土材料本身的特性，80%的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫都是由收縮變形造成的[1]。為了減少或者消除混凝土的收縮變形，降低混凝土的開裂風險，補償收縮混凝土應(yīng)運而生[2,3]。混凝土膨脹劑是補償收縮混凝土的關(guān)鍵材料。我國從20世紀70年代就開始了對膨脹劑的研究，經(jīng)過多年的努力，研制出了各種類別及型號的膨脹劑。根據(jù)膨脹源的不同，可分為鈣類膨脹源、鎂類膨脹源以及鈣鎂復合型膨脹源[4,5]。

各種類型的膨脹劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于混凝土施工中，也取得了較為理想的效果。結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，測試了三組不同膨脹源在不同養(yǎng)護制度下的膨脹發(fā)展規(guī)律，并澆筑足尺模型，研究不同類型膨脹源在實體結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用效果，這對工程應(yīng)用中膨脹劑的選擇具有一定的指導意義。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

膨脹劑選用武漢三源特種建材有限公司生產(chǎn)的M型(120 s)MgO膨脹劑(S-M)和氧化鈣類膨脹劑(S-C)，兩種膨脹劑的化學分析見表1，鈣鎂復合類使用氧化鈣類與氧化鎂類1∶1復配得到(S-CM)；水泥采用華新生產(chǎn)的PO42.5水泥，其主要性能指標見表2；粉煤灰為F類Ⅰ級灰，細度為3.4%；礦粉為S95級，密度為2.91 g/cm3；粗骨料為5～25 mm連續(xù)級配碎石；細骨料為2區(qū)中砂，細度模數(shù)2.6；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率21%；水為普通自來水。

表1 膨脹劑化學分析 /%

1.2 配合比

混凝土配合比采用某工程項目用配合比，具體見表3。膨脹劑摻量為膠凝材料總量的8%，替換部分水泥和粉煤灰，減水劑摻量根據(jù)各組混凝土的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)，以坍落度(180±20)mm為控制指標。膠砂配合比采用表3中的膠凝材料體系，即PO 42.5水泥(69.7%)、粉煤灰(20.2%)、礦粉(10.1%)，詳細配合比見表4。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

表4 膠砂試驗配合比 /g

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對膨脹性能的影響

分別以三種不同類型膨脹劑成型膠砂試件，并與基準組對照，研究其在不同水養(yǎng)(SY)養(yǎng)護溫度(20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃)下的限制膨脹率發(fā)展情況。限制膨脹率采用《混凝土膨脹劑》GB/T 23439中附錄A進行，拆模強度為8～12 MPa。高溫水養(yǎng)條件提前6 h放入標養(yǎng)室降溫，測量完后重新放入相應(yīng)條件下養(yǎng)護。圖1～圖4是不同溫度下膠砂限制膨脹率的發(fā)展歷程。

結(jié)合圖1～圖4可以看出，隨著養(yǎng)護溫度的升高，三種膨脹劑的早期水化速率均得到不同程度的提高。氧化鈣組在20 ℃下7 d已趨于穩(wěn)定，40 ℃下5 d趨于穩(wěn)定，60 ℃及以上溫度條件下在2 d左右趨于穩(wěn)定。氧化鈣的水化速率隨溫度提高，但膨脹總量隨著溫度的升高有下降的趨勢。根據(jù)膨脹理論[6，7]，只有試件的膨脹與強度協(xié)調(diào)發(fā)展，才能產(chǎn)生最大的膨脹率，高溫雖然能提升膠凝材料的水化速率，但溫度過高會使試件過早的獲得較高的強度，使?jié){體內(nèi)部約束大，從而導致膨脹率低。氧化鎂對溫度的敏感性更高，20 ℃時其28 d產(chǎn)生的膨脹率在三種膨脹劑中最小，但隨著溫度升高，其早期水化速率逐步接近氧化鈣類膨脹劑，在80 ℃條件下，14 d膨脹量趨于穩(wěn)定。鈣鎂復合型在各齡期產(chǎn)生的膨脹率處于鈣類與鎂類之間。

膨脹劑的膨脹機理是水化反應(yīng)致使固相體積增大，限制膨脹率趨于穩(wěn)定值說明其基本反應(yīng)完全。由此可知，氧化鈣在常溫下就具有較高的活性，其提供的膨脹能集中在早期；氧化鎂具有延遲水化的特性，低溫時反應(yīng)速率慢，且28 d水化程度低，溫度達40 ℃以上時，才能有效激發(fā)氧化鎂的活性，產(chǎn)生充足膨脹能。以不同膨脹源的膨脹發(fā)展歷程為參考，補償收縮混凝土在應(yīng)用時，可根據(jù)不同的工況進行復合型調(diào)控，使“有效膨脹窗口”與混凝土自身的收縮相匹配[8]，防止混凝土開裂。

2.2 濕度對膨脹性能的影響

選擇三種膨脹源，研究其在標準養(yǎng)護(BY)、絕濕養(yǎng)護(JS，先采用薄膜包裹兩層，再用錫箔紙粘貼覆蓋)、水養(yǎng)7 d轉(zhuǎn)干空(SG)、干燥養(yǎng)護(GZ)條件下膠砂的限制膨脹率發(fā)展規(guī)律，見圖5～圖8。從圖中可以看出，標準養(yǎng)護與20 ℃水養(yǎng)各組膨脹發(fā)展規(guī)律一樣，但在同齡期內(nèi)，相同膨脹劑的標養(yǎng)試件產(chǎn)生的膨脹量比水養(yǎng)條件下小，說明水分越富足的養(yǎng)護條件對膨脹劑的補償收縮效果越好。絕濕養(yǎng)護中，試件與外界沒有水分的交換。水化早期，膨脹劑產(chǎn)生了一定的膨脹能，相比標養(yǎng)和水養(yǎng)，產(chǎn)生的膨脹能較低，且試件隨著齡期的增長會產(chǎn)生收縮，氧化鈣組在3 d后呈收縮趨勢，氧化鎂組在14 d后開始收縮，鈣鎂復合組在7 d后收縮。試件中的水泥會水化而產(chǎn)生強度，膨脹劑也需要水而起到補償收縮作用，膠砂試件自身含有的自由水有限，兩者對水分的爭奪導致試件早期膨脹量小，后期缺水干縮。在干燥空氣中，各組均會發(fā)生不同程度的收縮，且收縮呈現(xiàn)先迅速后平緩的趨勢，外部的水分蒸發(fā)，內(nèi)部的水分向外遷移，試件內(nèi)部的缺水，會造成由表及里的收縮，增加了干縮變形產(chǎn)生的開裂風險。

2.3 足尺模型應(yīng)用

按表3中的配合比分別成型邊長為3 000 mm和1 500 mm的立方體混凝土試塊，于夏季高溫季節(jié)成型，澆筑前將振弦式應(yīng)變計提前埋入混凝土中心位置，通過MCU-32型應(yīng)變自動監(jiān)測儀采集混凝土中心位置的應(yīng)變。

1)應(yīng)變

模型的應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果見圖9和圖10。從圖9、圖10中可以看出，基準組在早期快速收縮，后期趨于穩(wěn)定，摻有膨脹劑的各組呈現(xiàn)先膨脹后收縮的規(guī)律。1 500 mm尺寸結(jié)構(gòu)中，60 d時，應(yīng)變由大到小依次為S-M>S-CM>S-C，S-C呈略微收縮狀態(tài)；3 000 mm尺寸結(jié)構(gòu)中，只有S-M和S-CM的補償收縮作用較為理想，S-C在早期就持續(xù)為收縮狀態(tài)，80 d時微應(yīng)變約為-100，S-M在早期應(yīng)變雖產(chǎn)生一定程度的降低，2 d之后的階段，應(yīng)變就趨于穩(wěn)定，80 d時微應(yīng)變?nèi)钥杀３衷?2左右。

膨脹劑在混凝土中的膨脹可以分為無效膨脹和有效膨脹，混凝土的塑性階段是強度生成的過程，這個時期膨脹劑產(chǎn)生的膨脹能并不能夠得到有效儲存[8，9]。氧化鈣類膨脹劑自身活性高、放熱量大，將其用于大體積混凝土中，混凝土在硬化前，氧化鈣類膨脹劑已基本反應(yīng)完全，大部分膨脹能都屬于無效膨脹。氧化鎂膨脹劑的活性隨溫度升高而逐漸激發(fā)，大體積混凝土具有溫升高、散熱慢的特點，在混凝土的降溫階段也可以長時間保持氧化鎂高活性所需要的溫度，其膨脹水化的過程可以更好地與混凝土的“有效膨脹窗口”所匹配，整體產(chǎn)生的有效膨脹能更高[10]。

2)裂縫統(tǒng)計

模型澆筑一個月后，對8組試塊的裂縫信息進行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。從表5中可以看出，膨脹劑的加入，可以有效減少和避免裂縫的產(chǎn)生，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越大，開裂風險越高。以基準組為例，3 000 mm模型的裂縫數(shù)量達到22條，其單位面積的總開裂面積是1 500 mm的6.5倍。在3 000 mm模型中，氧化鎂組的裂縫降低系數(shù)最高，達到98.5%，鈣鎂復合組次之，氧化鈣組最小，與混凝土的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)相符合。

表5 足尺模型裂縫信息

3 結(jié) 論

a.不同膨脹源的膨脹發(fā)展規(guī)律存在差異。氧化鈣類膨脹源的活性高，在常溫下就可以很好的進行水化，水化集中在早期，溫度的升高只是進一步提升其反應(yīng)速率，適用于施工環(huán)境溫度低、混凝土溫升低的工況；氧化鎂類膨脹源低溫時活性低，但其溫度敏感性高，水化反應(yīng)存在一定的延遲，溫度達40 ℃以上時可以激發(fā)其反應(yīng)活性，適用于夏季施工和溫升高、散熱慢的大體積混凝土。

b.養(yǎng)護制度在很大程度上影響膨脹劑的補償收縮效果。水分充足的環(huán)境中，膨脹劑可以有效補償混凝土的收縮，干燥環(huán)境下，膨脹劑的效用只體現(xiàn)在早期，對降低中后期混凝土的收縮沒有作用。因此，在建筑工程中，延長灑水養(yǎng)護的時間，有利于補償收縮混凝土的應(yīng)用。

c.足尺模型數(shù)據(jù)表明，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越高，開裂風險也相應(yīng)更高。氧化鎂類膨脹源可以更好地與大體積混凝土的“有效膨脹窗口”所匹配，在3 000 mm模型中，其補償收縮效果最好，裂縫降低系數(shù)達到98.5%。

d.針對實際項目工況，可進行膨脹源種類及復配比例的選擇，使膨脹劑的膨脹與混凝土收縮完成很好的匹配，從而達到理想的應(yīng)用效果。