膨胀剂复合及养护对自密实混凝土收缩的影响

【摘要】研究了膨胀剂复合方式及养护条件对自密实混凝土收缩性能的影响。采用混凝土比长仪测定自密实混凝土收缩性能。结果表明：膨胀剂与矿物掺合料的复合方式及养护条件显著影响自密实混凝土的收缩变化规律。水养护条件下膨胀剂能够有效发挥其微膨胀补偿收缩作用，矿物掺合料促进了膨胀剂对自密实混凝土的收缩补偿作用；浇水养护及自然养护条件下，自密实混凝土未表现出膨胀特性，矿物掺合料的引入对自密实混凝土的收缩有一定的抑制作用；自然养护条件下自密实混凝土的收缩更大，且矿物掺合料的掺量存在临界值，当掺量大于30%时，对收缩的抑制作用较弱甚至有增加收缩的趋势。实际应用中，应尽量保证湿养护，同时严格控制矿物掺合料的用量。   

【关键词】自密实混凝土；收缩性能；膨胀剂复合方式；养护条件  

  0 引言

自密实混凝土作为一种新型建筑材料，因其施工便利及对结构截面适应性强，在桥梁工程领域具有广泛的应用前景，但同时自密实混凝土也面临着严峻的挑战-混凝土结构开裂。自密实混凝土材料组成特点是胶凝材料用量大且细粉料颗粒多、水胶比小[1]，因此，自密实混凝土的收缩较普通混凝土要大得多。如何减小收缩，提高抗裂性，对扩大自密实混凝土应用范围，有着重要的实践意义。目前常用的解决方法为掺加膨胀剂或减缩剂改善混凝土的收缩特性，通过改变水泥石内毛细孔干缩特性来减少收缩及掺加具有微膨胀反应的物质来补偿水泥石的干缩，从而控制水泥石收缩程度，达到减小收缩、提高抗裂的目的。但是，实际应用过程，收缩开裂问题仍不断出现，试验室的技术措施在现场应用中效果差异较大。分析其原因，主要在于组成材料之间的匹配性及现场养护条件的差异所致  ^[2-4]。

因此，本研究通过设计材料匹配配合比及养护方式，测试自密实混凝土长期收缩性能，得到高抗裂性自密实混凝土配合比及合理养护方式，为其工程应用提供技术措施。  

 1 原材料和试验方法 

1.1原材料  

水泥：南方水泥P·O 42.5级水泥，28 d实测强度49.6 MPa，密度3140kg/m  ³。

碎石：粒径5mm～15 mm连续级配，堆积密度1580 kg/m  ³，表观密度2700 kg/m³。

砂：河砂，细度模数2.56，堆积密度1600 kg/m  ³，表观密度2680 kg/m³。

减水剂：HL-聚羧酸系减水剂，减水率25%。  

膨胀剂：南京特建低碱UEA膨胀剂，限制膨胀率0.02%～0.03%。  

粉煤灰：湘潭电厂II级粉煤灰，密度2320 kg/m  ³，比表面积635 m²/kg。

矿粉：S95矿粉，密度2900 kg/m  ³，比表面积426 m²/kg。

水：饮用水。  

1.2试件成型及试验方法  

混凝土收缩试验参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》  ^[5]及GB 23439-2009《混凝土膨胀剂》^[6]的有关规定，采用混凝土自由收缩比长仪测定试件成型至养护60 d龄期时的收缩率。试件尺寸100mm×100mm×515mm，试件两端埋有铜制测头，试件成型条件及测试过程按标准要求进行。

1.3养护条件  

试件成型后标准养护3d，然后从养护室取出，立即在恒温恒湿室测试其初始长度，在此设计三种养护制度，即水中养护、室内浇水养护(每天浇三次水)及室内自然养护(不浇水)，按下列时间间隔测量其变形计数：1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d、9d、11d、14d、21d、28d、60   d。混凝土收缩率按下式计算：

ε  _st-试验期为t(d)的混凝土收缩率，t从测定初始长度时算起；

L  _b-试件的测量标距；

L  ₀-试件长度的初始读数，mm ；

L  _t-试件在试验期为t(d)时测得的长度计数，mm。

1.4混凝土试验配合比  

试验配合比见表1。试验中矿物掺合料为粉煤灰和矿粉按质量比3:2复掺，掺量水平为：0、10%、20%、30%、40%。  

  2 试验结果与分析

2.1水养护条件下膨胀剂复合方式对试件收缩性能的影响  

水养护条件下的自密实混凝土的收缩试验结果由图1所示。  

由图1可知，在水养条件下，所有的试件在试验期3d时均表现为微膨胀特性，在试验期14d后膨胀性能趋于稳定。同时也可看出，单掺膨胀剂的混凝土试件其膨胀程度最小，矿物掺合料的引入使试件膨胀性能增大，并随着矿物掺合料掺量的增加，其增强作用显著增加，当掺量为40%时，60d膨胀值是未掺矿物掺合料试件的1.34倍。这说明矿物掺合料的掺入能够改善膨胀剂在混凝土中的膨胀作用。  

从图1   (b)可看出，矿物掺合料掺量的试件在试验期14d之前与单掺膨胀剂试件规律基本一致，之后膨胀速率开始大幅度增加，而矿物掺合料掺量的试件则在试验期2-3 d时就明显改善含膨胀剂混凝土试件的膨胀率，使早期膨胀变大，使混凝土的变形发展过程更符合实际工程要求。分析其原因可能与矿物掺合料使混凝土早期强度降低有关^[7]，当混凝土膨胀和强度发展能够协调进行时，混凝土内的膨胀剂的膨胀作用最大^[8]。从试验结果可以看到，掺有矿物掺合料的混凝土在龄期大约为14d时膨胀变形己达到最大并趋于稳定。

2.2浇水养护下膨胀剂复合方式对试件收缩性能的影响 

从试验结果可以看出，试件一直处于收缩状态，但混凝土的收缩相对较小，并且从图中可以看到矿物掺合料的引入对减小混凝土收缩有一定作用。矿物掺合料掺量40%的试件28   d收缩值为单掺膨胀剂试件的77%。

浇水养护条件下，混凝土水分补充不及时，使得膨胀剂及膨胀剂一矿物掺合料复合体系在水泥水化硬化过程中膨胀性产物形成条件受限，而使膨胀程度受到影响，但矿物掺合料的物理稀释作用及形态效应使膨胀剂的反应条件有所改善，从而在一定程度上发挥了微膨胀作用补偿了部分水泥石收缩，达到改善混凝土试件收缩性能的目的。  

2.3自然养护下膨胀剂复合方式对试件收缩性能的影响  

与浇水养护条件下一样，自然养护条件下自密实混凝土一直处于收缩状态。矿物掺合料的掺入对混凝土收缩有抑制作用，且这种抑制作用与矿物掺合料掺量之间存在一个最优掺量值，由图3可知矿物掺合料掺量为30%与40%时，曲线规律基本一致，也就是说，当矿物掺合料掺量达一定值时，再增加掺合料对混凝土收缩的抑制作用基本不变，甚至可能会增加收缩，这一点与浇水养护制度的收缩发展规律不同。所以对于自然养护尤其是现场条件下，矿物掺合料掺量应更为慎重，避免掺量过大导致收缩增加的现象。  

另外从试验数据上可以看到矿物掺合料对掺有膨胀剂的混凝土收缩影响较前两种养护条件要小得多，试验结果表明，不浇水情况下，在早期矿物掺合料对掺有膨胀剂的混凝土收缩影响很小，直到试验期6d后才表现出较明显的改善作用。  

根据Mehta等人  ^[9]研究认为钙矾石在形成时的形态分布与混凝土碱度大小有关，在高碱度条件下钙矾石以针状放射性分布，此时膨胀性能较高。而在碱度偏低时，钙矾石以单个柱状形式分布，膨胀性能较差。矿物掺合料因火山灰效应会降低混凝土中Ca(OH)₂的含量，从而减小混凝土的碱度，可能对混凝土膨胀造成不利影响，相关理论及机理研究有待进一步深入展开。

  3 结论

(1)  膨胀剂与矿物掺合料的复合方式显著影响掺有自密实混凝土的收缩特性，影响程度与矿物掺合料的掺量有关，适当增加矿物掺合料的掺量，有利于改善自密实混凝土的收缩特性。

(2)  养护条件显著影响膨胀剂的应用效果。水养护条件下膨胀剂能有效发挥其微膨胀作用，同时水养护条件下膨胀剂一矿物掺合料复合体系对自密实混凝土的收缩补偿作用最强，混凝土变形发展规律较适宜。

(3)  浇水养护与自然养护条件下，自密实混凝土均处于收缩状态，矿物掺合料的掺入能够有效降低混凝土收缩，改善混凝土收缩规律。相比而言，自然养护条件下，混凝土收缩最明显，且矿物掺合料掺量存在临界值，本试验条件下，矿物掺合料掺量最优掺量为30%，超出此掺量时，混凝土收缩增加，实际应用中，养护条件比较接近自然养护，因此对矿物掺合料的掺量要进行严格控制。