新型膨胀剂对高性能混凝土变形特性的影响

王小东

(南通紫琅混凝土有限公司,江苏 南通 226003)

1 概 述

高性能混凝土(High Performance Concrete,简称HPC)在1990年由美国国家标准与技术研究院(NIST)和美国混凝土协会(ACI)正式提出。高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能,引起了世界各国材料科学与工程界的密切关注和高度重视,并称之为跨世纪的新材料[1]。高性能混凝土已在国际上形成研究热点,其中高耐久与长寿命的研究已成为全世界所密切关注和全力攻关的重大科学技术问题,专家预测,在今后的100～200年内国际上的高性能水泥基建筑材料将占有绝对的主导地位。近几年来国内在土木、建筑、道桥、水利、国防各个领域逐渐认识到发展高性能混凝土的意义,不少大型国家重点工程开始重视混凝土材料的耐久性和使用寿命,并积极开展高性能混凝土在实际工程结构中的推广应用。然而,在工程结构中大规模推广使用高性能混凝土时发现,裂缝尤其是早期收缩裂缝问题已经成为当代高性能混凝土结构工程的普遍问题。实验室精心制作的小试件由于没有开裂而显示出较传统混凝土无法比拟的抗渗透性。但是,当从实验室走向大规模的工程应用时,高性能混凝土的体积稳定性问题逐渐暴露出来,严重阻碍了高性能混凝土的进一步推广应用。

混凝土的收缩变形开裂已经为工程界普遍关注,利用膨胀组分在水化过程中所产生体积膨胀来补偿混凝土的收缩在理论上也为人们所达成共识,被认为是抑制水泥混凝土收缩开裂的既经济又有效的措施之一[2]。我国目前市场上流通较广泛的膨胀剂当属基于钙矾石膨胀源的硫铝酸盐系膨胀剂[3-4],然而近年来钙矾石类膨胀剂在高性能混凝土的推广应用中出现大量的问题。已有的研究表明,这种膨胀剂的膨胀性能主要取决于外界自由水的含量以及内部孔溶液中Ca(OH)2含量的多少[5]。以低水胶比和大掺量矿物掺合料为特征的现代高性能混凝土,由于低的渗透性降低了自由水的扩散能力,以及矿物掺合料的二次火山灰反应大量消耗了体系中Ca(OH)2,以致在某些难以进行湿养护的地方,钙矾石型膨胀剂的掺入反而有增大混凝土收缩开裂的风险[6]。以往的研究还表明,钙矾石是一种物理化学性质很不稳定的结晶体,其结晶水的吸附和脱离是可逆过程,一般认为在80 ℃左右就可以分解,造成延迟性钙矾石(DEF)的形成。

与硫铝酸盐类膨胀剂相比,氧化钙类膨胀剂由于水化反应需水量小,对混凝土成型后湿养护要求不高,这将使其在高性能混凝土中的应用具有一定的优势和广阔的发展前景。氧化钙类膨胀剂最早由日本小野田公司研制成功,以石灰石、黏土和石膏作为原材料,其主要化学成分是氧化钙(部分结晶),水化时由氧化钙结晶转化为氢氧化钙结晶。但日本生产的这种膨胀熟料是采用石灰石经1 400 ℃～1 600 ℃高温煅烧而得,容易产生晶体结构致密无孔的过烧氧化钙。这种过烧氧化钙的反应活性低,水化反应持续时间长,且这种“延长膨胀”性能将有可能破坏水泥混凝土的结构,影响混凝土的耐久性。为了抑制高性能混凝土的收缩开裂行为,江苏博特新材料有限公司针对高性能混凝土的组成结构特点和收缩开裂特征,通过引入复合矿化组分,在1 100 ℃～1 300 ℃低温条件下煅烧制备了新型膨胀剂,在煅烧温度相对低的条件下制备得到的新型膨胀剂不存在过烧的氧化钙,故其膨胀速率快,稳定时间早,不存在后期延迟膨胀性,因此可作为一种补偿低水胶比高性能混凝土干燥收缩和自收缩的新型膨胀剂。

本文系统研究了新型膨胀剂对高性能混凝土变形特性的影响,以期为新型膨胀剂在高性能混凝土中的推广应用提供一定的指导。

1 试验

1.1 原材料

水泥：选用江南小野田产P.Ⅱ 52.5级水泥,标准稠度用水量28.6%,细度2.1%,化学组成见表1。

粉煤灰：南京产Ⅰ级粉煤灰,需水量比91.2%,含水量0.22%,比表面积320 m2/kg,化学组成见表1。

矿粉：江南粉磨公司产S95级矿粉,流动度比为110%,含水量1.80%,比表面积为400m2/kg,化学组成见表1。

膨胀剂：江苏博特新材料有限公司研制开发的新型膨胀剂,按照国家标准检测,结果见表2。

细集料：赣江中粗河沙,细度模数为2.6。

粗集料：镇江茅迪玄武岩碎石,粒径5～20 mm连续级配。

外加剂：江苏博特新材料有限公司生产的JM-B萘系高效减水剂。

表1 水泥、粉煤灰和矿粉的化学组成(wt .%)

表2 新型膨胀剂的物理性能(GB 23439—2009)

1.2 配合比

试验用混凝土配合比见表3。

1.3 试验方法

试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)》成型棱柱体试件,其中一端预埋测头,试模为100 mm×100 mm×515 mm钢试模,标准养护(24±2)h后脱模,然后将试件分成3组,并分别养护于不同的环境条件下,以测试新型膨胀剂对高性能混凝土变形特性的影响。其中,第一组试件放置在温度为(20±1)℃的水中养护至规定龄期并测定其膨胀率；第二组试件先用石蜡涂覆试件表面,然后再用自粘性铝箔包裹密封后,放置在温度为(20±1)℃,相对湿度为(60±5)%的环境条件下养护至规定龄期测试其自生体积变形率；第三组试件脱模后立即移入温度为(20±1)℃、相对湿度为(60±5)%的恒温恒湿的干燥条件下养护至规定龄期测试其干燥收缩率。

表3 试验用混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 新型膨胀剂对高性能混凝土水养膨胀特性的影响

图1是内掺0%和10%的新型膨胀剂的混凝土试件在温度为20 ℃水中养护时的膨胀变形随水化龄期变化的曲线。从图1中可以看出,不掺膨胀剂的混凝土试件在饱水养护条件下也表现出膨胀变形。对于基准混凝土试件在饱水养护条件下产生膨胀变形的机理,笔者认为可以从以下两个方面进行解释：一方面是水泥基材料水化产物与从外界环境中扩散渗入的自由水反应,产生吸水肿胀效应,导致混凝土在宏观上表现出明显的体积膨胀变形；另一方面是结晶型水化产物钙矾石和氢氧化钙在生长发育的过程中产生结晶压,引起混凝土宏观体积的膨胀。随着水泥基材料水化的进行,混凝土强度逐渐增加,结构趋于致密,外界环境中扩散渗入的自由水量减少,混凝土膨胀变形趋于稳定。相对于不掺膨胀剂的基准混凝土而言,掺新型膨胀剂混凝土的膨胀特性在饱水养护1 d后即发挥出来,1～7 d龄期内膨胀量以较快的增长速率随养护龄期的延长而增大,7～28 d龄期内膨胀变形曲线基本趋于平稳。掺10%新型膨胀剂的混凝土试件1 d、3 d、5 d、7 d和28 d膨胀率分别达到0.013%、0.046%、0.070%、0.072%和0.076%,在7～28 d测试龄期内膨胀率仅仅增大了0.004%。由此表明,新型膨胀剂的膨胀效能主要发挥在水化早期(7 d前),7 d后膨胀变形趋于稳定,不存在延迟膨胀效应。

图1 20℃水养条件下,掺与不掺新型膨胀剂的混凝土试件的膨胀变形率

2.2 新型膨胀剂对高性能混凝土自生体积变形的影响

图2是内掺0%和10%的新型膨胀剂的混凝土试件在温度为20 ℃密封绝湿养护条件下的自生体积变形随水化龄期变化的曲线。由图2可以看出,未掺膨胀剂的混凝土试件在20 ℃密封养护时表现出明显的自收缩变形,实验测试龄期内的自收缩持续发展,28 d时自收缩值为-0.016%。掺入新型膨胀剂后,在密封条件下养护的混凝土试件中同时存在两种相反的体积变形：一种是由水泥基材料水化的化学减缩所引起的自收缩；另一种是由新型膨胀剂水化产生的体积膨胀,所以试件总的自身体积变形是以上这两种变形相互抗争的结果。由于新型膨胀剂水化时需水量小,在缺少外界自由水渗入的密封绝湿条件下,仍然能产生较大的膨胀效能,可以完全消除高性能混凝土的早期自收缩,产生自膨胀。新型膨胀剂的自膨胀特性在1 d时就表现出来,其后以很快的发展速率增长,到6 d时自膨胀特性达到最大,6 d后自膨胀变形开始缓慢减小,28 d测试龄期内,掺新型膨胀剂的混凝土自生体积变形仍为正值,表现出良好的体积稳定性。掺10%新型膨胀剂的混凝土试件1 d、6 d和28 d自生体积变形率分别为0.009%、0.031%和0.016%。由此可见,新型膨胀剂对高性能混凝土的自收缩进行有效补偿,有利于解决高性能混凝土由于水胶比低、难以湿养护造成的自收缩加剧的难题。

图2 20 ℃密封条件下,掺与不掺新型膨胀剂的混凝土试件的自收缩变形率

2.3 新型膨胀剂对高性能混凝土干燥收缩的影响

图3是内掺0%和10%的新型膨胀剂的混凝土试件在温度为20 ℃,相对湿度为60%干燥养护条件下的干燥收缩随水化龄期变化的曲线。从图3中可以看出,不掺膨胀剂的混凝土试件在20 ℃干空中养护时,随着水泥基材料的水化和低湿条件下自身水分的散失,试件呈持续收缩变形特征,直到20 d龄期后收缩变形曲线才趋于平缓,20 d龄期时的干燥收缩值为-0.033%,此后干燥收缩变形基本稳定,至28 d时干燥收缩值为-0.034%。当新型膨胀剂等质量取代胶凝材料总量的10%掺入混凝土后,掺新型膨胀剂的混凝土试件在干空养护条件下存在三种体积变形：一种是由水泥基材料自身水化引起的化学减缩；一种是试件在干空低湿条件下C-S-H凝胶的内部毛细孔和凝胶孔水分蒸发所引起的干燥收缩；还有一种就是由新型膨胀剂水化反应产生的体积膨胀,混凝土试件的宏观体积变形取决于以上三种变形的综合作用。由于新型膨胀剂水化时需水量小,在缺水养护的干空条件下,也能进行水化反应,早期水化反应产生的膨胀大于水泥基材料水化造成的化学收缩与水分蒸发引起的干燥收缩之和,故试件在早期表现出膨胀变形,干空养护1d的膨胀值为0.005%,4 d时膨胀值达到最大,为0.016%。此后随着干空养护龄期的延长,新型膨胀剂水化反应产生的体积膨胀不能完全补偿水泥基材料水化造成的化学收缩与水分蒸发引起的干燥收缩之和,混凝土试件膨胀变形开始回落,7 d时试件宏观体积变形开始从膨胀状态转变成收缩状态,但收缩值比未掺HME的基准混凝土试件相应值要小很多。与基准样相比,10%HME的掺入可以使混凝土试件在直接干空养护条件下6 d内不收缩,28 d时的收缩值仅为-0.013%,比未掺新型膨胀剂的基准样相应值(-0.034%)降低了61.7%。

图3 20 ℃干燥条件下,掺与不掺新型膨胀剂的混凝土试件的干燥收缩变形率

3 结 语

新型膨胀剂是以低温煅烧的氧化钙为主要矿物成分,膨胀速率快、膨胀效能高,不存在延长膨胀效应。10%新型膨胀剂的掺入可在高性能混凝土内部产生有效的膨胀,能显著改善高性能混凝土的收缩特征,不仅在饱水养护的条件下产生了有效的膨胀,而且在密封的条件下,也能有效消除高性能混凝土早期自收缩,产生自膨胀,且膨胀稳定,至28 d测试龄期时自生体积变形仍为正值。更加重要的是,这种新型膨胀剂的掺入对于高性能混凝土的干燥收缩也表现出非常明显的抑制效果,至28 d测试龄期时干燥收缩的减缩率仍然高达61.7%。

[1] Mehta P K. Greening of the concrete industry for sustainable development[J]. Concrete International, 2002(7): 2238．

[2] H Y Fu, P Xie,et al. Characteristics of Shrinkage-Compensating Expansive Cement Containing a Pre-Hydrated High Alumina Cement-Based Expansive Additive [J]. Cement and Concrete Research,1994,24:267276．

[3] 王栋民.高性能膨胀混凝土[M].北京：中国水利水电出版社,2006．

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[5] Mehta P K. Mechanism of expansion associated with ettringite formation[J]. Cement and Concrete Research,1973(3):16．

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