国标Ⅱ型膨胀剂工程应用现存问题与建议

2018-07-03朱修昆王海龙纪宪坤

江西建材 2018年8期

关键词：氧化钙膨胀剂膨胀率

刘勇,朱修昆,王海龙,纪宪坤

(武汉三源特种建材有限责任公司,湖北武汉 430080)

1 膨胀剂国家标准与性能指标

现行国家标准《混凝土膨胀剂》(GB23439-2009)中对膨胀剂的主要性能指标要求如下表1所示。

表1 混凝土膨胀剂性能指标

2017年对GB23439-2009进行了修订,新标准《混凝土膨胀剂》(GB23439-2017,2018年11月1日开始执行)对膨胀剂的性能指标如下表2所示。与原标准相比,改动范围不大,除抗压强度变化外,主要对膨胀剂的核心技术指标限制膨胀率进行了修订,对I型产品提出了更高的膨胀性能要求；产品试验检测环境为20℃水中和空气中养护。

表2 混凝土膨胀剂性能指标

2 满足国家标准的膨胀剂产品现状

依据GB/T 23439《混凝土膨胀剂》的标准规定,我国的膨胀剂主要有三类：分别为氧化钙类、硫铝酸钙类、硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂。

按照现行膨胀剂国家标准GB/T 23439-2009《混凝土膨胀剂》中的要求,膨胀剂掺量为10%,在20℃水中养护7d后转入空气中养护21d。目前能够工业化生产、稳定供应的I型膨胀剂产品是以硫铝酸钙或氧化钙为主要膨胀源；能够满足II型膨胀剂标准要求是以氧化钙类为主要膨胀源。

硫铝酸钙类膨胀剂,是以明矾石、硫铝酸钙熟料、铝酸钙熟料和石膏为主要成分。由于明矾石资源有限,且碱含量较大,目前这类膨胀剂在市面上已被淘汰,用量极少；而硫铝酸钙熟料、铝酸钙熟料其具有早期强度高、凝结时间较短、对温度敏感性较差、对混凝土施工性能影响大等缺点,无法满足混凝土的大规模施工要求,目前市面上已经很少存在这类膨胀剂。目前市面上在售的符合国家标准的膨胀剂都是以氧化钙熟料为主要膨胀源的氧化钙类膨胀剂。此外,在氧化钙膨胀剂熟料的煅烧生产过程中往往会带入部分硫铝酸钙类组分,因此氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂也是以氧化钙熟料为主要膨胀源。

新修订即将实施的最新膨胀剂国家标准GB/T 23439-2017《混凝土膨胀剂》中进一步提高了膨胀剂产品的限制膨胀率指标,根据目前的行业现状和技术情况,能够工业化生产、稳定供应的产品只能以氧化钙熟料为主要膨胀源,市场上基本全部是氧化钙类膨胀剂。

3 国标II型膨胀剂在不同温度养护条件下的膨胀性能研究

现行膨胀剂产品标准GB/T 23439-2009《混凝土膨胀剂》和膨胀剂的应用技术规范JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》都是基于恒温20℃水中养护的数据,而实际混凝土工程构件施工时内部温度往往远远高于标准测试温度(夏季施工的大体积混凝土结构温峰值会超过70℃),导致规范中的指标数据与应用技术脱节,不能有效的指导膨胀剂的工程应用。

本节结合不同混凝土工程的实际内部温升曲线,利用温湿度交替设备模拟混凝土的实际温升历程,着重选择较2种典型的温度曲线,并研究了国标Ⅱ型膨胀剂产品在恒温和温度曲线水养护条件下的膨胀性能,对比说明国标Ⅱ型膨胀剂的膨胀发展规律。

3.1 原材料

基准水泥：基准水泥为中国建筑材料科学研究总院生产的42.5硅酸盐水泥；3d强度26.1MPa,28d强度46.1MPa；

标准砂：ISO标准砂；

膨胀剂：国标Ⅱ型膨胀剂(代号Ⅱ型),7d水中限制膨胀率为0.072%,转空气中养护21d限制膨胀率为0.021%。

3.2 原材料化学分析

表3 原材料化学分析/wt.%

3.3 主要试验方法

试验中限制膨胀率的试验方法主要参考GB/T23439《混凝土膨胀剂》所规定的试验方法。试件的成型、拆模均按照标准规定进行。

采用等量取代水泥,国标Ⅱ型膨胀剂掺量为10%,制作内掺膨胀剂的砂浆试件测试限制膨胀率。养护制度分别为20℃恒温水中养护、40℃恒温水中养护、40℃变温水中养护、60℃变温水中养护,研究养护制度对胶砂试件的膨胀率影响。恒温水中养护试件是成型后标准养护16h拆模测试其初始长度,变温水中养护试件成型后随着温度曲线养护10h后拆模测试其初始长度。

3.4 试验结果分析

图1为国标Ⅱ型膨胀剂在20℃恒温、40℃恒温水养护条件下胶砂试件限制膨胀发展规律,由图1中可以看出,国标Ⅱ型膨胀剂随着养护温度的升高,其膨胀水化反应进程加快,温度越高,出现膨胀率拐点(即膨胀收敛期时间)越早,其中20℃膨胀收敛期约为7天,40℃膨胀收敛期约为3天；膨胀终值相当。

图1 国标Ⅱ型膨胀剂在20℃、40℃恒温水养护条件下的膨胀发展规律

图2为国标Ⅱ型膨胀剂在40℃温升匹配曲线(采集实际工程中C30混凝土的温度曲线,在恒温恒湿交变试验箱中进行设定复制,将胶砂试件进行模拟温度养护)水养护条件下胶砂试件限制膨胀率发展规律,设计初始温度为20℃(模拟砼春秋季入模温度),1d后达到温度峰值40℃,4d后温度降为初始温度20℃。由图中可以看出,说明在40℃温升匹配曲线水养护条件下,国标Ⅱ型膨胀剂1d左右反应83.6%。

图2 国标Ⅱ型膨胀剂在40℃温度匹配水养护条件下的膨胀发展规律

图3为国标Ⅱ型膨胀剂在60℃温升匹配曲线(采集实的际工程中C40混凝土的温度曲线,在恒温恒湿交变试验箱中进行设定复制,将胶砂试件进行模拟温度养护)采水养护条件下胶砂试件限制膨胀率发展规律(注：左标为限制膨胀率,右标为温度),设计初始温升为30℃(模拟砼夏季入模温度),1d后达到温度峰值60℃,7d后温度降为初始温度30℃。由图1.3中可以看出,说明在60℃温升匹配曲线水养护条件下,国标Ⅱ型膨胀剂1d左右反应90.4%。

图3 国标Ⅱ型膨胀剂在60℃温度匹配水养护条件下的膨胀曲线规律

图4为国标Ⅱ型膨胀剂各类养护条件下1d膨胀反应百分比(取1d限制膨胀率与28d限制膨胀率值对比),可以说明：

(1)国标Ⅱ型膨胀剂在水养护条件下,温度的增加对其限制膨胀率的最终值影响较小；

(2)温度越高其膨胀速率越大,国标Ⅱ型膨胀剂在温度相对较高(温度不低于40℃或者温峰值不低于40℃)的反应条件下,其早期膨胀速率较快,1d膨胀反应率超过了限制膨胀率终值的80%。

图4 国标Ⅱ型膨胀剂在不同温度水养护条件下的1d膨胀反应百分比

4 基于温度应力试验机的国标II型膨胀剂开裂敏感性试验

4.1 原材料与混凝土配合比

(1)水泥：P·O 42.5华新水泥；3d强度30.4MPa,28d强度49.3MPa；

(2)粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰；

(3)矿渣粉：S95级矿渣粉；

(4)石子：5-31.5mm连续级配的碎石；

(5)砂子：河砂,细度模数2.6；

(6)减水剂：聚羟酸系高性能减水剂；

(7)膨胀剂：国标Ⅱ型膨胀剂(Ⅱ型),7d水中限制膨胀率为0.072%。

表4 原材料化学分析/wt.%

表5 实验配合比/kg·m-3

4.2 试验方法

温度应力试验机模式为绝热温升模式,达到温峰后保温时间分别为48h,降温速率为1℃/h。空白混凝土和掺GB膨胀剂混凝土的入模温度分别为20.5℃和20.3℃。

4.3 实验结果与分析

图5和表6为基准混凝土和内掺10%GB国标Ⅱ型膨胀剂混凝土温度应力试验结果,基准混凝土的内部最高温度为45.5℃,混凝土水化温升为25.0℃；内掺10%掺Ⅱ型膨胀剂混凝土最高温度为53.8℃,混凝土的水化温升为33.5℃,最高温峰增大了8.3℃。对照组自由试件的最大收缩变形为132.0με,在约束度为100%时,约束试件的最大变形为28.2με,约束试件的最大压力为0.70MPa,约束试件的开裂温度为5.54℃,最大拉应力为2.31MPa；内掺10%GB膨胀剂混凝土自由试件的最大收缩变形为709.8με,约束试件的最大变形为和最大压力分别为66.6με和1.77MPa,约束试件的开裂温度为6.94℃,最大拉应力为2.63MPa。

与基准组相比,虽然内掺10%GB国标Ⅱ型膨胀剂混凝土开裂应力有一定增大,应力储备达到了53.6%,但是其开裂温度并没有明显变化,并且掺有国标Ⅱ型膨胀剂的混凝土的温峰明显提高(提高8.3℃,增大18.2%),无论是其自由变形还是限制变形均在38h左右停止增长,约束试件变形和应力甚至开始逐渐降低,说明国标Ⅱ型膨胀剂在38h左右已经基本反应结束,无法补偿混凝土后期收缩。

对比试验结果表明,由于膨胀剂中游离氧化钙的水化热较高,内掺10%国标Ⅱ型膨胀剂混凝土的温峰值明显提高；但是掺10%国标Ⅱ型膨胀剂混凝土开裂温度与基准混凝土相当,没有降低混凝土的抗开裂敏感性。