大尺寸補償收縮混凝土樓板的膨脹率試驗研究

黃 騰 梁 睿

（煙臺驊達農產品冷鏈物流有限公司，山東 煙臺 265500)

補償收縮混凝土在我國已有30 多年的應用，在混凝土自防水、大體積混凝土、超長樓板和混凝土抗裂抗滲方面應用已經相當成熟，對于不同區域不同氣候環境下，不同膨脹劑、膠凝材料、粗細骨料對混凝土的影響千差萬別，現場的實測試驗和室內試驗對連續式澆筑補償收縮混凝土仍有較大的研究意義。

普通混凝土超長構件在終凝后出現干縮、溫縮、徐變、塑性收縮和化學收縮，造成混凝土在收縮過程中的拉應力超過自身的抗拉強度，產生混凝土裂隙和裂縫，嚴重影響了構件力學特性和使用功能。在超長樓板中利用后澆帶施工對裂縫現象有一定的緩解作用，但是在后澆帶澆筑施工時因規范規定的不同，澆筑的時間也有所不同，一般會在同一樓層澆筑后14d或封頂28d后澆筑后澆帶，嚴重影響施工工期和施工質量。補償收縮混凝土可以有效避免裂縫的產生，并能大大增加膨脹加強帶之間的距離；加強帶也可以與膨脹加強帶兩側混凝土連續施工，在澆筑連續式膨脹加強帶時將混凝土強度提高一個等級，并適當增加膨脹劑的摻加量。

內養護可以提高膨脹劑的膨脹效能，進一步減小補償收縮混凝土的塑性收縮和干縮落差，提高補償收縮混凝土的抗裂性能[1-2]；楊輝等人對兩種不同膨脹劑做試驗研究，得出不同膨脹劑對混凝土早期和中期的作用時間有所不同[3]；骨料的含水率、水灰比、砂率、砂石含水量與膨脹劑摻量對補償收縮混凝土抗折強度有著較為重要的影響[4-5]；不同種類的膨脹劑或者按照不同比例進行復配的復合膨脹劑，根據設計施工的需要可作用于不同部位構件、不同環境條件下的混凝土澆筑[6-9]。

1 工程概況

依托工程位于煙臺市萊山區某大型商業項目，總占地面積約4萬m2，總建筑面積約22.3萬m2，標準層長度約330m、寬度約110m、總高度40m，地下車庫三層，地上商業五層，基礎形式為筏板基礎，框架剪力墻結構。現場試驗區域位于地下三層B6 試驗區，如圖1所示。

圖1 B6現場試驗區

由于本工程屬于超長混凝土建筑，樓板和地下室外墻設計有膨脹加強帶及補償收縮混凝土，地下室每層膨脹加強帶總長約180m，加強帶寬2m。膨脹劑設計用量及設計限制膨脹率見表1。

表1 膨脹劑設計用量及設計限制膨脹率

2 UEA-D膨脹劑性能及原理

UEA-D 膨脹劑的pH 值、比表面積、初凝和終凝時間以及在養護過程中的膨脹率和抗壓強度見表2。

表2 膨脹劑（UEA-D）化學成分及物理性能

2.1 UEA-D膨脹劑的物理化學性質

2.1.1 UEA-D化學成分組成

主要成分：Ca4Al6SO16（硫鋁酸鈣）、CaSO4；其他成分：A12O3、A12O3·2SiO2、K2SO4·A12(SO4)3·4A1(OH)3。

水泥的主要水化反應：2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

硅酸鹽水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，為膨脹劑后期的反應提供了充足的反應物。

2.1.2 UEA-D化學反應

主要反應：Ca4Al6SO16+6Ca(OH)2+8CaSO4+90H20=3(3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O)

其他反應：

2.2 UEA-D膨脹劑原理

膨脹劑中的主要物質硫鋁酸鈣（Ca4Al6SO16）和硫酸鈣（CaSO4），與水泥在水化過程中生成的氫氧化鈣結合，水化生成高硫型硫鋁酸鈣晶體(3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O)，又稱鈣礬石，鈣礬石是主要的膨脹源。鈣礬石的生成需要水泥漿中充足的水分，同時需要一部分水分生成鈣礬石的結合水，進而形成鈣礬石的結晶填充在水泥石孔隙中，在混凝土凝固過程中即在塑性階段，不會產生有效的混凝土膨脹，鈣礬石在混凝土擁有一定強度時才會產生有效的膨脹。

3 室內試驗

3.1 室內試驗配合比設計及原材料

在室內試驗中，每C30 和C35 混凝土中分別加30 kg、40kg、50kg膨脹劑，保證C30和C35混凝土中膠凝材料的總量434kg/m3和水膠比0.43 相同（C35 相比于C30混凝土增加了水泥的用量，減少了粉煤灰的用量，兩種混凝土中膠凝材料總量和用水量不變）兩種混凝土中膨脹劑的摻加量分別為6.9%、8.4%、10.3%。C30、C35膨脹混凝土的配合比見表3，其中砂率40%，設計塌落度150mm，砂含水率2%，石子含水率0%。

表3 C30、C35膨脹混凝土每立方摻和量/kg/m3

在水泥水化的同時膨脹劑也迅速水化生成鈣礬石，與水泥有“掙水”現象，這主要是因為膨脹劑早期生成了鈣礬石，加快了水化速度因而混凝土凝結時間也略有縮短。在膨脹混凝土中摻加聚羧酸減水劑，隨著聚灰比的增加使混凝土中pH值上升趨勢減緩，減水劑在水泥微粒的表面形成吸附作用，減緩水化反應的發生。減水劑性能指標見表4。

表4 減水劑性能指標

未加減水劑的水化反應：

加入減水劑的水化反應：

由以上化學式可以看出，在加入減水劑后的水化反應，結合水減少，水泥水化反應需水量減少，減緩了水泥與膨脹劑“掙水”的現象，但在施工中仍然要注重前期的養護，使其充分水化[10]。

3.2 室內試驗步驟

試件采用標椎試件100mm×100mm×515mm（自由膨脹率試件）和150mm×150mm×150mm（抗壓試件），試件制作及試驗過程參照GB 50119-2013《混凝土外加劑應用技術規范》、GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T 23439-2017《混凝土膨脹劑》。膨脹混凝土強度達到5MPa后拆模，脫模后1h內測量試件的初始長度(L0)，并將試件放入（20±1）℃水中養護14d，14d后將試塊放入室溫（20±2）℃、濕度95%的恒溫恒濕室內養護。室內試驗測量如圖2所示。

圖2 室內混凝土膨脹率測量

3.3 室內試驗數據及分析

3.3.1 自由膨脹率

自由膨脹在脫模后前7d 膨脹率呈增長趨勢，并在第7d時達到峰值，自第7d～14d，其膨脹效果不明顯；到第14d脫水養護后，轉入恒溫恒濕條件下膨脹率略有下降；自第28d后停止養護，轉入自然環境中，膨脹率下降比較明顯。

在轉入常溫環境后，所有試件平均收縮率基本相同，都在250個微應變左右。C35-P30試件在后期基本收縮到了初始的長度，在50d 齡期時，試件并沒有出現裂紋；混凝土膨脹時產生的是“背向變形”，混凝土收縮時產生的是“相向變形”，試件在自由狀態下不會受到外力的約束影響，不會改變其內外約束的受力，因此不會產生裂縫，能夠充分反應膨脹混凝土的材料屬性。實際施工過程中由于受到整體澆筑和模板支撐的約束，混凝土在收縮時必然產生結構內力和模板表面的摩擦阻力，當這些內力及阻力足夠大時將會產生混凝土結構的裂縫[11]。

膨脹混凝土與普通混凝土的收縮原理是基本相同的，只是摻加膨脹劑的混凝土在膨脹過程中的膨脹率要高于普通混凝土，而在混凝土干燥收縮時膨脹混凝土的干縮落差更大。收縮落差與膨脹劑的摻加量無關，與水泥及粉煤灰的含量有關[12]。自由膨脹率見表5。

表5 C30、C35混凝土自由膨脹率

3.3.2 膠凝材料的影響

在混凝土水化過程中，水膠比對膨脹率的影響是比較復雜的，水膠比不僅影響混凝土的后期強度，而且還影響著前期水化過程；在水膠比較低或者較高的區間中，膨脹率是隨水膠比的增加而增長的，而在特定的中間區間內是與水膠比成負相關[13]。為排除水膠比的干擾，在制備混凝土試件時，保證膠凝材料在每立方混凝土中的質量恒定不變。

在同種混凝土強度等級下，膨脹劑的增加會明顯提高混凝土的自由膨脹率，如圖3、圖4 所示。在兩種混凝土強度等級下，摻加相同質量的膨脹劑，C35 混凝土膨脹率明顯低于C30混凝土膨脹率，如圖5、圖6、圖7所示，主要原因是混凝土中水泥質量的增加和粉煤灰質量的減少。在膨脹劑摻加量不變的情況下，單方面增加水泥的摻入量，膨脹率的變化并不明顯，因為在水化過程中即使水泥用量增多對膨脹劑會產生一定的“掙水”現象，但在凝固后的水養護過程中會得到一定的彌補，因此在混凝土強度等級提高的同時膨脹率減小的現象，主要是因為粉煤灰摻量的變化所引起的。粉煤灰有延緩混凝土初凝的作用，粉煤灰在膠凝材料中比例的增加使混凝土膨脹率有增大趨勢；但超過一定摻加量后（粉煤灰摻量占膠凝材料總量的40%時，膨脹率數值最大），混凝土膨脹率反而出現下降趨勢；隨著粉煤灰摻量的增多，混凝土的強度也有所下降。因此，C35混凝土相較于C30混凝土水泥質量的增加并沒有明顯影響膨脹率，而是粉煤灰含量的減少使得膨脹率隨之減小。

圖3 C30混凝土自由膨脹率

圖4 C35混凝土自由膨脹率

圖5 每m3混凝土中摻加30kg膨脹劑時C30與C35混凝土的膨脹率對比

圖6 每m3混凝土中摻加40 kg膨脹劑時C30與C35混凝土的膨脹率對比

圖7 每m3混凝土中摻加50 kg膨脹劑時C30與C35混凝土的膨脹率對比

4 現場實測試驗

4.1 混凝土在限制狀態下的膨脹與收縮原理

補償收縮混凝土均勻微膨脹，膨脹穩定后的混凝土毛細孔的孔隙率與普通混凝土基本是相同的，因此在后期干縮落差也是基本一致的，只是補償收縮混凝土在凝結水化時的膨脹峰值要高于普通混凝土。

補償收縮混凝土在凝固過程中，伴隨著混凝土的水化和凝結不斷與鋼筋握裹在一起，隨著膨脹劑的化學能轉換成機械能，產生膨脹作用使混凝土彼此之間受到壓應力，并不斷地抻拉鋼筋使得鋼筋自身產生拉應力；在鋼筋被抻拉的同時，又反作用于混凝土使得混凝土產生壓應力，這就形成了補償收縮混凝土的自應力；混凝土硬化后，毛細孔中的水分隨著與外界環境的溫度和濕度的差異不斷流失，毛細孔中水體形成凹液面，產生了空隙壁外側向內側的壓力，進而產生了混凝土的收縮現象，當混凝土內部的拉伸變形超過混凝土拉伸極限變形時就會產生斷裂或縫隙。在收縮過程中，鋼筋內的拉應力會加速這一收縮現象的發展，由于膨脹劑的作用混凝土在初始得到了充足的膨脹發展，即使在收縮落差與普通混凝土相同的條件下，依然能夠抵消混凝土干縮所產生的拉應變，防止裂縫的產生；在膨脹劑摻量較小時，干縮后混凝土會收縮到接近初始長度或者低于初始長度的狀態，此時鋼筋處于受壓狀態并阻礙其收縮，在一定程度上也減緩了干縮的發展；在膨脹劑摻加量比較大的情況下，隨著齡期的延長收縮現象處于穩定，鋼筋依然處于受拉狀態，混凝土中將殘留壓應力，這就形成了自應力混凝土。

4.2 現場實測試驗做法及數據采集

首先在實驗室內將試驗應變計組裝完整調試良好，接出數據線，測試通路，新型應變測試儀如圖8 所示；然后在現場施工進行到鋼筋綁扎階段時，在澆筑混凝土前3h 內進入現場布置試驗應變計，避免過早布置被其他流水作業破壞或擾動；梁中布置時，將試驗應變計水平固定放置在梁的中線位置；在板中布置時，將試驗應變計水平布置在板厚中間位置；數據線引出混凝土地面后固定牢固，數據線末端的數據接口保護良好，測量實驗應變計的初始數據，并記錄測量時的環境溫度。

圖8 膨脹混凝土應變測試儀

混凝土終凝后12h 內測量第1d 數據作為初始長度，前7d每日固定時間測量一次，第8～15d隔一天測量一次，15d 后每5d 測量一次；每次測量時，記錄下當時的環境溫度；測量時使用萬用表讀取電阻值，并將電阻值轉換成應變值后儲存列表。

4.3 梁板部試驗數據分析

B6 區域為當前層首先澆筑的區塊，四周均未澆筑并留設施工縫，此區域無其他水平作用力（四周為未澆筑區域），試驗點分別布置在區域的中間和邊緣處。

B6試驗區域：3號與4號試驗應變計設置在梁中，2號和5 號設置在板中，4 號和2 號在邊緣位置，3 號和5號在中間位置。測量數據顯示，在梁內的測量數據中，4號膨脹率略高于3號，即邊緣位置的膨脹率高于中間位置，這種現象在板中也同樣出現（3號膨脹率也高于5號）。分析原因是因為在邊緣處混凝土的膨脹主要受鋼筋的約束和底部模板對膨脹過程的約束，受膨脹過程中混凝土相互擠壓較小；而越是靠近中間位置的混凝土，受到四周混凝土膨脹引起的壓應力越強，在一定程度上阻礙了膨脹混凝土在水平方向上向四周的發展。

在梁部試件與板部試件對比的過程中（4號與2號相比、3號與5號相比，即梁部邊緣與板部邊緣、梁部中間與板部中間對比），梁部膨脹率高于板部，試驗應變計均水平放置在構件的中部，構件中部混凝土受鋼筋的約束較小，梁的混凝土體量大于板，大體量的混凝土膨脹應要高于小體量混凝土，因而導致了高配筋率梁的膨脹率高于低配筋率板的膨脹率。試驗結果說明，布置在構件中的位置（鋼筋稀疏部位或遠離鋼筋密集部位）及構件體量的大小對膨脹率的影響是主要的，而配筋率的影響是次要的，是由于混凝土凝固過程中對鋼筋的握裹作用隨著距離鋼筋的增加而減小，梁中部位置的混凝土沒有起到握裹鋼筋的作用，所以鋼筋對混凝土漲縮的約束也會大大減小；至于配筋對混凝土的影響要根據構件類型加以區分，在相同建筑構件中配筋率的提高對混凝土的膨脹起到約束作用，配筋率高的部位在膨脹過程中膨脹率要低于配筋率低的部位；而在不同構件中，只考慮配筋率的高低來判定膨脹率的大小是片面的。關于構件截面尺寸、體量、配筋率及鋼筋布置對膨脹率的影響仍需深入研究，需要大量的室內及現場實測試驗作為支持。B6區域的現場膨脹率試驗曲線如圖9所示。

圖9 B6試驗區域梁板內中間及邊緣位置膨脹率變化示意圖

5 結語

（1）補償收縮混凝土中水泥用量對膨脹率的影響并不明顯，粉煤灰的增加對膨脹現象有正相關作用；在現場測試中，同種補償收縮混凝土因構件類型的不同膨脹率也不同，測試過程中發現梁的膨脹率高于板的，構件邊緣膨脹率高于中間位置的。

（2）在收縮過程中，補償收縮混凝土的收縮差值要低于自由狀態下的收縮落差，說明鋼筋在膨脹和收縮過程中都有較強的約束力；而在自由狀態下同等水膠比的不同強度等級混凝土，得到的膨脹率不同，但收縮落差相同。

（3）在現場測試的試驗中，無法做到恒溫恒濕的試驗環境，不確定因素較多；在不同的施工地域與季節環境影響較大，施工養護的條件也有所差異，包括不同地區的骨料和膠凝材料的不同，都影響著測量的偏差，應當對不同區域不同的施工環境進行分類研究，完善地區性差異及材料對膨脹劑的施工影響。