膨胀剂掺量对混凝土抗压性能影响的试验研究

2013-12-21韩晓典李树山华北水利水电大学

河南水利与南水北调 2013年24期

□解伟 □韩晓典 □李树山（华北水利水电大学）

□解伟 □韩晓典 □李树山（华北水利水电大学）

通过高强混凝土抗压性能试验，分析了膨胀剂掺量对混凝土抗压强度、轴压强度的影响，探讨了膨胀剂对混凝土的影响机理。本次试验主要研究高强混凝土在不同膨胀剂掺量下的抗压力学性能，膨胀剂掺量分别为0%，5%，10%，15%，20%。试验结果表明，随着膨胀剂掺量的增加，在一定范围内，高强混凝土力学性能有所提高；若膨胀剂掺量偏大，则混凝土的力学性能就会降低。

膨胀剂;高强混凝土;力学性能;抗压强度;轴压强度

高强混凝土是随着现代混凝土技术的进步而发展起来的一种经济性混凝土，现已广泛应用于各种结构工程中，取得了十分显著的经济与社会效益。其中添加的膨胀剂主要为U E A膨胀剂，它是以硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾等为主要多种膨胀源。普通混凝土由于收缩开裂，往往会发生渗漏，因而降低它的使用功能和耐久性，在普通混凝土中加入一定量的膨胀剂，膨胀性结晶水化物产生的压应力挤压水泥水化物钙矾石等形成微膨胀混凝土，使凝固时产生的膨胀力密实膨胀混凝土，改善混凝土变形性能，生成的膨胀性产物填充了混凝土孔隙，提高了混凝土密实度，在一定范围内对混凝土的力学性能有所提高。膨胀剂也显著改善了混凝土抗裂和防渗性能，在混凝土工程中得到了广泛应用。但对于添加U E A膨胀剂混凝土的力学性能研究还相对较少，缺少膨胀剂掺量对混凝土力学性能影响的系统研究。通过开展U E A膨胀剂混凝土力学性能试验研究，为高强混凝土设计和分析提供了试验依据,以促进高强混凝土生产技术的发展及在工程中的推广和应用。

在水利工程施工中，微膨胀混凝土起着十分重要的作用。它可以充分保证水利工程结构的整体性与耐久性。所以，它的施工务必要重视。从原材料的选择与混凝土配合比设计，就可相应地简化温度控制措施，大大降低混凝土开裂率，加大浇筑的长度与厚度，从而缩短施工周期。同样微膨胀混凝土还可在施工环境中的狭窄和钢筋密布处起到省时与保证工程质量的目的。从一些工程应用的实践和试验结果表明，在普通混凝土中掺入适量膨胀剂可有效地解决抗渗和不留缝的技术问题。在混凝土拌合物中掺加适量的膨胀剂来补偿其收缩，已成为防止或减小混凝土产生裂缝的有效方法之一。

1 试验概况

1.1 试验用原材料

试验所用焦作中晶水泥有限公司P.O 52.5级普通硅酸盐水泥，其主要性能指标参数均符合国家标准规定的性能指标。粗集料由连续级配的石灰岩质碎石混合，粒径为5～10m m的碎石占10%，粒径为5～20m m的碎石占65%，粒径为20～25m m的碎石占25%。外加剂采用的是U E A膨胀剂。选用焦作地区所产天然砂，细度模数为2.7；试验用水为饮用自来水；试验选用外加剂为聚羧酸减水剂，适宜掺量为0.6%～2.5%，实际掺入量是水泥用量的2.3%。

1.2 试验方案

根据S L 352－2006《水工混凝土试验规程》规定，抗压强度试验采用边长为100m m的立方体标准试件，每一组3个试件；轴压试验所选用的试块为150m m×150m m×300m m，每一组3个试件。上述试件都在标准养护室内进行养护。

基本力学性能试验采用聚羧酸高效减水剂，减水率为20%掺量为水泥含量的2.3%，U E A膨胀剂掺量为0%，5%，10%，15%，20%。具体混凝土配合比设计如表1所示。

2 试验结果及分析

试验数据以3个试件测值的算术平均值为测定值。如任一个测值与中值的差超过15%时，则取中值为测定值；如有两个测值的差值均超过上述规定，则该组试验结果无效。由试验得测定值见表2。

表1 每立方米混凝土配合比设计参数表

表2 试验测定值表

2.1 抗压试验分析

试验中所取得的抗压试验数据如表2，由于混凝土结构承受压力荷载的构件或物体比较多，研究结构或构件的受压性能随外界因素的变化就显得非常重要了。测定混凝土抗压强度是检验混凝土的强度是否满足设计要求，保证结构安全使用的重要方法。

混凝土抗压强度fcu（以M P a表示）按下公式(1)计算

式中：P—破坏荷载（N）；A—受压面积（m m2）。

由表2得到高强混凝土平均抗压强度的变化曲线，如图1。

图1高强混凝土抗压强度变化曲线图

根据图1得出，高强混凝土的抗压性能随着膨胀剂掺量的增加呈先增大后减小的趋势。7d抗压强度中，膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土的抗压强度分别是基准混凝土的102.0%、106.3%、88.5%、77.7%；28d抗压强度中，膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土抗压强度分别是基准混凝土的106.3%、107.5%、95.9%、90.3%。由此可见，膨胀剂在抗压强度性能中的最佳掺量为10%。且高强混凝土的抗压强度减小的趋势，在膨胀剂掺量为15%左右达到最大。

2.2 轴心抗压试验分析

轴心抗压试验是指单位面积上能够承受的压力，亦指抵抗压力破坏的能力。测定混凝土轴心抗压强度也是检验混凝土的强度是否满足设计要求，保证结构安全使用的方法之一。也为混凝土弹性模量检测提供检测依据。

混凝土轴压强度fc(以M P a表示）按公式(2)计算

式中：P—破坏荷载（N）；A—受压面积（m m2）。

由表2得到高强混凝土平均轴压强度的变化曲线，如图2。

图2高强混凝土轴压强度变化曲线图

根据图2得出，高强混凝土的轴压性能随着膨胀剂掺量的增加呈先增大后减小的趋势。7d轴压强度中，膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土轴压强度分别是基准混凝土的102.2%、105.7%、89.6%、78.2%；28d轴压强度中，膨胀剂掺量为5%、10%、15%、20%的混凝土轴压强度分别是基准混凝土的104.2%、108.0%、88.2%、86.6%。由此可见，膨胀剂在轴压强度性能中的最佳掺量为10%。且高强混凝土轴压强度减小的趋势，在膨胀剂掺量为15%左右达到最大。

2.3 试验结果分析

根据以上两个试验结果及图表显示得出，掺入膨胀剂的混凝土其抗压强度先增加后减小。混凝土在结构中总是处于受约束的状态，在限制条件下掺入一定量的膨胀剂，可对混凝土的收缩进行等量补偿，并具有填充、堵塞毛细孔缝的作用，膨胀会使混凝土紧密而提高强度。同样膨胀剂等量替换水泥，也可减少水泥用量，在一定程度上节约水泥，降低成本。但当膨胀剂掺量过大时，会导致膨胀率明显增加，产生的膨胀应力会远远大于混凝土内部的抗拉应力，极大降低混凝土结构的密实度，产生微裂缝，使混凝土强度降低。