内养护补偿收缩混凝土的抗裂性能

朱长华，李享涛，王保江，谢永江

（中国铁道科学研究院，北京 100081）

混凝土是一种非均质的复合脆性材料，其抗拉强度较低，在施工和服役过程中易产生裂缝.混凝土裂缝不仅影响其结构外观，还会成为腐蚀性介质侵入其内部的通道，最终影响混凝土结构的耐久性.使用膨胀剂补偿混凝土收缩是抑制混凝土开裂的技术措施之一［1］.膨胀剂在中国的应用已有30多年的历史.随着高性能混凝土的广泛应用，膨胀效能大、对养护依赖程度低且能使混凝土膨胀与强度协调发展的高性能膨胀剂逐渐成为新宠［2］.然而，在中国西北大风干旱地区，由于受严酷自然环境条件的影响，新浇筑混凝土早期失水快，后期难以有效保湿养护，在这种情况下，单纯采用膨胀剂补偿混凝土收缩是无法有效抑制混凝土在塑性及硬化阶段的开裂.

美国学者Philleo［3］于1991年最先提出混凝土内养护概念，之后，国内外很多学者在该领域进行了研究［4－8］.2010年，美国混凝土协会（ACI）将内养护定义为“在水泥基材料的凝结硬化过程中，通过预吸水轻集料作为内部‘水库’及时释放水分，用于水泥水化或补偿蒸发或自干燥所引起的水分损失”.然而内养护这一措施能否解决大风干旱地区混凝土早期失水快和后期难以有效保湿养护问题，有效抑制补偿收缩混凝土的收缩开裂尚有待研究确定.本文研究了UEA（硫铝酸钙类膨胀剂）和HCSA（硫铝酸钙－氧化钙类膨胀剂）的膨胀特征，比选出适宜于配制补偿收缩混凝土的膨胀剂，并确定了其适宜掺量；研究了内养护对补偿收缩混凝土抗压强度、早期变形、干缩落差和抗裂性的影响，并在西北大风干旱地区开展了内养护补偿收缩混凝土的现场应用试验，考察了其抗裂效果.

1 试验

1.1 原材料

水泥为北京金隅P·O 42.5水泥（C1）和中国建筑材料研究总院P·Ⅰ42.5基准水泥（C2），比表面积分别为342m2／kg和331m2／kg；粉煤灰为赤峰元宝山Ⅰ级粉煤灰（FA），细度（质量分数）为11.4%；膨胀剂为天津豹鸣HCSA 和武汉三元UEA；细骨料为河北遵化河砂（S），细度模数为2.8，含泥量（质量分数）为1.9%，表观密度为2 610kg／m3；粗骨料为天津蓟县5～10mm，10～20mm 两级配碎石（G），压碎值（质量分数）为5.4%，含泥量为0.3%，表观密度为2 780kg／m3，紧密空隙率（质量分数）为40%；减水剂为河北金舵聚羧酸高性能减水剂（PCA）；内养护材料为北京某公司生产的SAP，一种丙烯酸－丙烯酰胺交联共聚物；拌和水（Wm）为自来水.胶凝材料和膨胀剂的化学组成见表1.

表1 胶凝材料和膨胀剂的化学组成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cementitious materials and expansive agents %

1.2 试验方法

掺膨胀剂砂浆、混凝土的限制膨胀率按GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》进行测试.

混凝土抗压强度按GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试.

混凝土早期变形以GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的非接触法进行测试.为避免长方体试件与试模之间的摩擦，在两者之间铺设了一层塑料薄膜.长方体试件尺寸为100mm×100mm×515mm，每组3个试件.将试件放置在温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的养护室内，试件上表面暴露在环境中.采用涡流传感器监测固定在试件两端的反射靶（见图1）的相对位移.

将混凝土试件置于水中养护14d，然后转入干燥室中，测试混凝土干缩落差.

图1 混凝土早期变形试验装置Fig.1 Testing device to measure early deformation of concrete

硬化砂浆抗裂性按ASTM C 1581—04［9］进行测试，试验装置见图2.混凝土环形柱试件的外径为375mm，内径为305mm，高度为150mm，每组3个试件.将试件放置在温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的养护室内，试件的上表面采用石蜡密封，四周表面暴露在环境中，然后测试内钢环（感应）应变.内钢环应变发生突变时，即表明试件产生了裂缝.

图2 硬化砂浆抗裂性试验装置Fig.2 Testing device to measure crack resistance of hardened mortar

实体结构混凝土应变采用应变传感器（精度为1×10－6）测试.将应变传感器平行地安置在钢筋下方，以防止浇注混凝土时遭受破坏.由于裂缝并未发生在传感器位置处，也没有深入至钢筋内部，故所测的应变值代表了钢筋附近局部混凝土的变形.

1.3 混凝土配合比

以“低胶凝材料用量、低砂率”为原则，经试配试验，获得了C40混凝土基准配合比.选择膨胀剂，然后以不同掺量（0%，6%，8%，10%，12%，以占胶凝材料质量分数计）膨胀剂配制补偿收缩混凝土，进而确定膨胀剂的适宜掺量.掺加内养护材料，内养护材料用量及内养护引入水（自来水，We）量以不明显影响混凝土拌和物性能和降低混凝土强度为前提，并参照文献［10］中的方法修正SAP 吸液特性等因素的影响.混凝土配合比如表2所示.

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concretes kg／m3

2 结果与讨论

2.1 补偿收缩混凝土配合比的确定

2.1.1 膨胀剂的选择

掺UEA 砂浆和掺HCSA 砂浆的限制膨胀率如图3所示，其中2 种膨胀剂的掺量均为10%，水泥采用C2水泥，砂浆配比见GBJ 50119—2013《混凝土膨胀剂应用技术规范》.

图3 掺UEA 砂浆和掺HCSA 砂浆的限制膨胀率Fig.3 Restrained expansion rates of mortars with UEA or HCSA

从图3可看出：（1）掺UEA 砂浆在20℃水中的7d限制膨胀率仅略大于GBJ 50119—2013规范对Ⅰ型膨胀剂7d限制膨胀率的技术要求（≥250×10－6），这表明UEA的膨胀效能较低.（2）掺HCSA 砂浆在20℃水中的7d限制膨胀率是掺UEA砂浆的3倍以上；掺HCSA 砂浆在20℃水中的3d限制膨胀率达7d限制膨胀率的90%以上，这表明HCSA 具有膨胀效能高、膨胀速率快、对后期水分补充的依赖程度低等特点.本文选用HCSA配制补偿收缩混凝土.

2.1.2 HCSA 掺量选择

HCSA 掺量对混凝土限制膨胀率的影响见图4.由图4可以看出：随HCSA 掺量增加，混凝土的限制膨胀率逐渐增加.当HCSA 掺量为6%时，混凝土在20℃水中的14d限制膨胀率已达360×10－6，这表明该掺量下的HCSA 已具有较高的膨胀效能；掺不同掺量HCSA 混凝土在20℃水中膨胀3d后均已接近膨胀稳定期，而带模养护的同龄期混凝土试件抗压强度约20 MPa，表明掺HCSA 混凝土的限制膨胀主要发生在“有效膨胀窗口”期间.

图4 HCSA 掺量对混凝土限制膨胀率的影响Fig.4 Effect of HCSA use level（by mass）on the restrained expansion rate of concrete

HCSA 掺量为6%时即可满足混凝土补偿收缩的要求.综合考虑经济成本及膨胀效能，确定HCSA的适宜掺量为8%.

2.2 内养护对补偿收缩混凝土抗压强度的影响

内养护对补偿收缩混凝土抗压强度的影响见图5.由图5可见，采取内养护措施后，补偿收缩混凝土（A6）抗压强度的增长与未采取内养护措施的补偿收缩混凝土（A2）几乎相当，且56d抗压强度略高.

图5 内养护对补偿收缩混凝土抗压强度的影响Fig.5 Effect of internal curing on the compressive strength of shrinkage－compensating concrete

2.3 内养护对补偿收缩混凝土体积稳定性的影响

2.3.1 早期变形与干缩落差补偿收缩混凝土的早期变形和干缩落差分别见图6和图7.

图6 补偿收缩混凝土的早期变形Fig.6 Early deformation of shrinkage－compensating concrete

从图6可看出，A2和A6混凝土的早期变形基本均呈现先显著塑性收缩，再明显膨胀，最后基本稳定3个阶段.从浇筑至初凝附近（0～8h左右），A2混凝土塑性收缩较大（约－800×10－6），这是因为受新拌混凝土毛细管负压的影响，膨胀剂在此阶段的膨胀被塑性混凝土所吸收，混凝土表观体积变化几乎不受膨胀剂膨胀作用的影响.内养护措施可显著减小混凝土的塑性收缩，填补膨胀剂补偿混凝土收缩的“真空期”.在初凝期间（约8h～1d），A2混凝土开始硬化，逐渐由黏塑性体转变为刚性结构体，膨胀剂开始发挥膨胀作用.当采取内养护措施后，因内养护材料的持续补水，为膨胀剂提供了较好的内部养护环境，因此膨胀剂的膨胀效能得到提高，A6混凝土塑性收缩减小.1d以后，混凝土的变形趋于平缓.

图7 补偿收缩混凝土的干缩落差Fig.7 Drying shrinkage drop of shrinkagecompensating concrete

由图7可看出，采用内养护措施后，补偿收缩混凝土的干缩落差有一定程度的减小.

2.3.2 抗裂性

混凝土出现裂缝的时间较为漫长.为了加快裂缝出现，缩短试验周期，本文选取同配合比砂浆替代混凝土进行抗裂性试验.将A0，A2，A5和A6混凝土配合比中的粗骨料去除，制备砂浆M0，M2，M5和M6.测试硬化砂浆的抗裂性，结果见图8.

图8 硬化砂浆的抗裂性Fig.8 Crack resistance of hardened mortar

从图8可看出，空白砂浆（M0）在近5d龄期时开裂，掺SAP砂浆（M5）在8d龄期时开裂，这2种砂浆开裂时钢环的最大应变值相当；掺HCSA 砂浆（M2）至18d龄期时仍未开裂；掺HCSA＋SAP 砂浆（M6）至18d龄期时仍未开裂，且砂浆中钢环的应变值远小于M2砂浆中钢环的应变值.可见，无论是掺入膨胀剂还是采取内养护措施，主要是通过减小砂浆的塑性收缩来提高其抗裂性，而不是通过提高砂浆的极限拉伸强度来提高其抗裂性；内养护材料SAP和膨胀剂HCSA 均能提高硬化砂浆的抗裂性，其中膨胀剂HCSA 的改善效果相对明显.在掺加膨胀剂的基础上采取内养护措施后，硬化砂浆的抗裂性得到显著提高.

2.4 现场应用

采用普通混凝土（A0）和内养护补偿收缩混凝土（A6）在西北大风干旱地区a，b区段各浇筑20m长的薄壁平板实体结构试验段，然后测试实体结构混凝土应变，跟踪观测实体结构混凝土开裂情况.

实体结构混凝土应变见图9；实体结构混凝土开裂情况见表3.

图9 实体结构混凝土的应变Fig.9 Strain of engineering structural concrete

表3 实体结构混凝土开裂情况Table 3 Crack situation of engineering structural concrete

由图9可以看出，2种混凝土在浇注后14d内，由于采取了保湿养护，混凝土收缩均很小，混凝土主要因温度变化产生温差变形，此阶段变形较小；在14d至60d期间，保湿养护结束后混凝土因环境干燥作用发生较大的依时干燥收缩，从而发生较大变形；在60d以后，混凝土干燥收缩增幅较小，由收缩引起的混凝土变形处于基本稳定状态，普通混凝土应变约为－225×10－6，而内养护补偿收缩混凝土应变约为－150×10－6，为前者的67%，这表明内养护补偿收缩混凝土具有优异的减缩性能.

由表3可以看出，相比普通混凝土（A0），内养护补偿收缩混凝土（A6）开裂的时间明显推迟，且所产生裂缝的数量及宽度均相应降低，表明内养护补偿收缩混凝土具有良好的抗裂性.

3 结论

（1）内养护补偿收缩混凝土早期抗压强度略低于补偿收缩混凝土.内养护补偿收缩混凝土后期抗压强度发展能够得到保障.

（2）内养护可显著减小补偿收缩混凝土的塑性收缩，填补膨胀剂补偿混凝土收缩的“真空期”；内养护为HCSA 提供了较好的内部养护环境，提高了HCSA 的膨胀效能，减小了补偿收缩混凝土的干缩落差.

（3）内养护和HCSA 均能提高混凝土的抗裂性，两者复合则效果更佳.内养护补偿收缩混凝土用于西北大风干旱地区暴露面大的薄壁平板实体结构时具有良好的抗裂性.

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