膨胀剂对水泥砂浆收缩性能影响的研究

2017-05-15

东北水利水电 2017年5期

（黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司,黑龙江牡丹江157005）

膨胀剂对水泥砂浆收缩性能影响的研究

刘锦程，苑海龙，崔志刚，赵兵

（黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司,黑龙江牡丹江157005）

文中研究了两种膨胀剂对机制砂砂浆收缩的影响，并结合孔结构和显微结构分析了膨胀剂对收缩性能的影响规律。研究结果表明：自生收缩阶段，B型膨胀剂的膨胀效果优于A型膨胀剂，但干燥收缩阶段结果正好相反；孔结构分析中，发现孔径在2.5～50nm范围的含量多少直接影响干燥收缩，呈现正相关；显微结构分析中，发现膨胀剂的掺入均增加了水化产物中钙矾石的含量，但B型膨胀剂生成量较多。

膨胀剂；收缩；孔结构；显微结构

1 研究现状

自水泥混凝土问世以来，裂缝问题一直困扰着人们，其中，高性能和高强混凝土的开裂尤其严重。解决裂缝问题，特别是对早期裂缝产生和开裂的防止，成为改善混凝土耐久性的主要措施之一。但从国内外研究情况来看，膨胀混凝土是解决裂缝问题最有效的办法之一。膨胀混凝土是一种特种混凝土，一般是采用膨胀水泥来配制或通过添加适量的膨胀剂。在我国，目前主要采用添加膨胀剂来实现对混凝土的补偿收缩和产生预压应力，因此对膨胀剂阻裂的作用效果及机理的研究是很有必要的。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

水泥：抚顺水泥股份有限公司生产的“浑河牌”P·MH42.5级水泥。

粉煤灰：牡丹江热电厂生产的II级粉煤灰。

硅灰：大连瑞安建筑材料有限公司生产的微硅粉。

砂：机制砂，其细度模数为2.78。

膨胀剂：钙矾石类高效（A）膨胀剂及（B）膨胀剂。

减水剂：哈尔滨强石有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。

水：饮用水。

2.2 试验方法

自收缩的测试仪器为非接触式混凝土收缩变形测定仪，其量程为2 mm，精度为1.0 μm。试件为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体，测试龄期为试件浇筑至成型3 d内。

干燥收缩测量装置为接触式位移传感器和数字显示仪表，量程为±2 mm，数字显示仪可实时显示当前位移数据，精度为1×10-4mm。试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，试件成型1 d后脱模并移至标准养护室养护至3 d，而后在干缩室开展试验，要求试验室温度20±5℃，湿度在60%左右，测量天数为30 d左右。

孔隙率和孔径分布测试采用MIP压汞法，所用仪器为Auto Pore 9500；水化产物形貌和能谱分析采用Quanta200F型号的环境扫描电子显微镜。孔结构和显微结构的观察均取样于干燥收缩测试后的试件。

2.3 试验方案及配合比

试验中分析了高效（A）膨胀剂及（B）膨胀剂的掺入对无约束状态下砂浆试件的自收缩率和干燥收缩率的影响，并基于孔结构和水化产物形貌分析了阻裂机理。砂浆具体配合比设计见表1。

表1 砂浆配合比kg/m3

3 结果与分析

3.1 膨胀剂对自生收缩的影响

图1 膨胀剂对自生收缩的影响

由图1可知，在浇筑成型至3d的密封养护龄期内，基准试件一直收缩，收缩应变约为150×10-6；而含B型和A型膨胀剂的试件一直表现为膨胀，前者膨胀应变约为390×10-6，后者约为310×10-6。

在自生收缩阶段，钙矾石的形成和发育使整个体系中的固相体积增加，体积膨胀为其宏观表现，膨胀剂的膨胀动力与钙矾石晶体的多边性密切相关。

总的来说，对砂浆试件的早期自生收缩阶段，掺B型膨胀剂抑制收缩效果优于掺A型膨胀剂，即B型膨胀剂水化产生的钙矾石膨胀能大于A型膨胀剂，但相差幅度较小。

3.2 膨胀剂对干燥收缩的影响

由图2可知，含B型膨胀剂的试件稳定后的干燥收缩应变最大，约为650×10-6；其次为基准试件，约为600×10-6；最小的为含A型膨胀剂的试件，约为540×10-6。另外，在干燥收缩的20 d内，基准试件的收缩应变最小，其次为含A型膨胀剂试件，最大为含B型膨胀剂。这可能是因为水泥水化过程中，钙矾石的生成和水泥颗粒本身的水化均需要水分，两者之间出现“争水”现象，且钙矾石的生成速率相对较快和结合自由水分较多，致使在相同干燥环境下掺加膨胀剂的试件的收缩值更大。但是，在20 d以后，B型膨胀剂的干燥收缩应变最大，A型膨胀剂最小，基准介于两者之间，这可能和各试件内部的孔结构分布有关。

图2 膨胀剂对干燥收缩的影响

总的来说，对砂浆试件的早期干燥收缩阶段，掺A型膨胀剂抑制收缩效果明显优于掺B型膨胀剂。

3.3 膨胀剂对孔结构的影响

在某一孔径处的累积进汞体积，可以大致反映浆体中大于该孔径的孔隙总体积，即该孔径对应的孔隙累积体积。累积进汞量在一定程度上和孔隙率正相关，即累积进汞量越大，孔隙率越大。

由图3可知，A型膨胀剂的总孔隙率最大，B型膨胀剂和基准试件总孔隙率相差不大，但膨胀剂的掺入对试样临界孔径的影响很小。

对累积进汞体积曲线求导，可以得到微分曲线图，见图4。微分曲线图可以大致反映硬化浆体的孔径分布，而不同孔径的分布含量大小，对水泥基材料的收缩有着直接的影响。

图3 孔径和累积进汞量的关系曲线

图4 微分孔径分布曲线图

有研究显示，混凝土的干燥收缩主要由毛细管作用引起，而毛细管作用与内部孔结构密切相关。孔半径越小，毛细管作用引起的干燥收缩越大，特别是半径在1.25～25 nm的毛细孔对干燥收缩起决定性作用。另有研究指出：引起收缩的孔径范围为5～100 nm，因处在该孔径范围内的毛细孔、凝胶孔或凝胶间孔失去毛细孔水或吸附水时，可导致系统收缩。有研究指出水泥基材料中起收缩作用的孔径范围为2.5～50 nm。基于以上研究、分析，将孔径划分为五个阶段，具体见表2。

由图4可知，和基准试件相比，两种膨胀剂的加入并未改变最可几孔径，均在40～50 nm之间，但对大于100 nm的孔径容积，A型膨胀剂试件最大。图3和图4中显示结果基本和表2中数据吻合：即掺A型膨胀剂的试样，其孔隙率最大，为16.54%；孔径大于100 nm的体积含量最大，为54.82%。

表2 孔隙率及孔径分布

基于表2中数据和图2，分析孔径分布和干燥收缩之间的关系。基于影响干燥收缩的孔径范围（1.25～25 nm或2.5～50 nm或5～100 nm），可知，在三个孔径区间段中，其体积含量均呈现一致的规律：B＞JZ＞A。从而说明，干燥收缩阶段，掺A型膨胀剂的砂浆试件的收缩率最小，掺B型膨胀剂的收缩率最大，基准试件介于两者之间，与图2结果高度吻合。

3.4 显微结构分析

分析砂浆试样的显微形貌图（图略）可知，对基准试样a），水化产物中存在少量零散分布的杆状钙矾石；而在含有膨胀剂的试样b）和c）中，水化产物中存在大量的钙矾石，甚至呈现“簇状”，其中，含B型膨胀剂的试样中钙矾石含量明显大于含A型膨胀剂试件，说明在相同龄期内，B型膨胀剂的膨胀效果优于A型膨胀剂，一定程度上佐证了自收缩阶段结果。另外，由图b）和c）中，可以看出，B膨胀剂形成了短柱状的钙矾石，而A膨胀剂则形成了针状的钙矾石，构成了空间网状结构，水化硅酸钙填充其间，这种空间网状结构的钙矾石，约束了早期自生收缩变形和抑制了干燥收缩变形，并可以作为砂浆基体的自生成增强纤维，更利于补偿早期自生收缩变形和干燥收缩变形。