膨胀剂掺量对自密实膨胀混凝土的影响研究

陈振侃 罗永强 时 权 张静媛 沙稚钧 肖 杰

（1 广州交通投资集团有限公司营运分公司；2 广东工业大学土木与交通工程学院）

0 引言

自密实混凝土（Self Compacting Concrete，简称SCC）最早是上世纪八十年代中期由日本研究人员Okamura 进行试验研究得出，他在进行试验之后得出了SCC的配合比，并成功将其制备出来[1]。SCC 具有免于振捣，降低噪音，同时避免混凝土分布不均等问题。Frank Dehn[2]对SCC 进行配合比调整试验之后，了解到添加粉煤灰能够促进SCC 早期强度发展。

自1957 年以来，我国先后有五种以上的膨胀混凝土得到推广使用[3]，且到目前为止已成为膨胀混凝土使用量最多的国家[4]。李方贤[5]等使用自制氧化镁膨胀剂制备了C50 微膨胀混凝土，并对其性能进行了相关研究，结果表明，外掺约6%的氧化镁对混凝土的抗压强度不会造成不利影响，且能够使混凝土的结构更加密实，体积膨胀稳定，也使混凝土与钢管之间的变形具有载好的协调性。任亚楠等[6]研究表明对于约束条件相同的混凝土试件，适当的膨胀剂可使其抗压强度得到一定程度的提高。近年来，钢管膨胀混凝土已成为国内研究的热点。祁璐帆等[7]就膨胀剂掺量对钢管混凝土轴压徐变和内力重分布的影响进行了研究，表明钢管混凝土徐变随膨胀剂掺量的增加而减小的特点。李悦等[8]研究了钢管高强膨胀混凝土的力学性能和膨胀性能，表明掺加10%～20%的膨胀剂使钢管混凝土的承载能力提高了7%左右。王湛[9]对钢管膨胀混凝土组合结构进行研究后得出膨胀混凝土产生的膨胀使核心混凝土在受荷之前处于三向约束状态，从而可以避免钢管与核心混凝土在加荷初期的逐渐分离倾向，使钢管的紧箍效应得以充分发挥,从而提高组合结构的承载力。陈兵等[10]认为在一定膨胀剂掺量条件下，方钢管膨胀混凝土的极限承载力比方钢管普通混凝土提高了15%，并且方钢管膨胀混凝土的抵抗变形的能力优于方钢管普通混凝土。

1 试验研究

1.1 实验步骤

采用内掺法进行自密实补偿收缩混凝土，目标C40、C60、C80。在实际适配过程中，膨胀剂按照4%、8%、12%、16%比例替代同质量水泥。制备自密实补偿收缩混凝土主要需要满足流动性以及膨胀率两方面的要求。自密实混凝土的流动性强但是收缩较大，因此需要掺入膨胀剂补偿收缩，但膨胀剂掺量过高会导致混凝土开裂以及强度降低。为了得到最合适的自密实补偿收缩混凝土配合比，需要对混凝土进行膨胀率测试、扩展度测试以及标准立方体的7 天、28 天强度测试，在浇筑试件时采用效果最好的配合比。

1.2 实验材料

细骨料：选取级配为0.25～0.35 的细砂，在实验之前会晾晒以保证其干燥。

粗骨料：选取级配为5～15mm 的石子，并在试配之前通过相应尺寸的筛网进行二次筛选，清洗石子表面的尘土并晒干，确保粗骨料的级配符合需要。

水：选取广州市番禺区自来水。

减水剂：西卡公司的聚羧酸减水剂。

水泥：P·O42.5 水泥，P·II52.5R 水泥。

膨胀剂：中建牌AUA 高效混凝土膨胀剂，此膨胀剂达到了《混凝土膨胀剂》GB/T 23439－2017 的要求，同时具有不影响流动性、不降低混凝土强度抗裂能力强等优点。

粉煤灰：一级粉煤灰。

表1 膨胀剂的技术参数

1.3 实验仪器

选用DYE-3000 型数字式压力试验机进行标准立方体抗压强度测试。详见图1。

图1 DYE- 3000 型数字压力试验机

进行混凝土的限制膨胀率测试时，需要使用纵向限制器以及标准比长仪，在测试中选用的是ISOBY-354 标准比长仪。详见图2、图3。

图2 纵向限制器

图3 ISOBY- 354 标准比长仪

1.4 试件制备

要测试各种配合比条件下的流动性、强度、膨胀率以及劈裂抗拉强度和弹性模量，因此需要制备三种试件，分别为150mm×150mm×150mm 的标准立方试块、100mm×100mm×300mm 的限制膨胀率测试试件以及直径150mm×300mm 标准圆柱体试件。标准立方体试块进行湿水养护测试其7d、28d 强度，每组配合比6 个试件总计90 个。限制膨胀率测试试件在初凝之后立即拆模并放置在水中养护7d、并在空气中继续养护21d。测试其3d、7d、14d 以及28d 的限制膨胀率，总计15 个试件。在制备自密实补偿收缩混凝土时，分成两个步骤，首先制备出符合条件的自密实混凝土，再用膨胀剂代替同质量水泥进行适配。自密实补偿收缩混凝土（Self Compacting Expansive Concrete,简称为SCEC）配合比详见表2、表3 和表4。

2 材料性能测试

2.1 扩展度

根据《混凝土物理力学性能实验方法标准》（GBT50081－2019）和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080－2016）对试拌混凝土进行了扩展度试验、抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。测试自密实混凝土限制膨胀率的方法是：将擦拭干净的试块放入已经安放好千分表的标准比长仪内进行检测。

表2 C40 自密实补偿收缩混凝土配合比

表3 C60 自密实补偿收缩混凝土配合比

表4 C80 自密实补偿收缩混凝土配合比

从实验结果来看，对三种自密实混凝土采用不同掺量的膨胀剂来替代水泥对混凝土的扩展度有明显的影响。从表5 和表6 可以看出，在膨胀剂的掺量为12%时，扩展度达到峰值，当掺量开始到达16%的时候，混凝土的扩展度开始下降。从表7 可以看出，对于C80 强度的自密实膨胀混凝土来说，它的扩展度是随着膨胀剂的掺量而上升的，但上升的幅度随着掺量的增加而减缓。可以认为，C60 强度的自密实混凝土对应最大扩展度的掺量在16%附近。从三种混凝土配合比掺加不同掺量膨胀剂的试验结果可以看出，在掺量不大的情况下，添加膨胀剂对提高混凝土的扩展度是有帮助的，但掺量过大的时候，扩展度反而会降低。

表5 C40 自密实补偿收缩混凝土扩展度

表6 C60 自密实补偿收缩混凝土扩展度

2.2 抗压强度

从表8、表9 和表10 可以看出，随着膨胀剂掺量的增大，混凝土的抗压强度减小。总体来讲，三种强度的混凝土在膨胀剂掺量为0%、4%和8%的情况下，7 天抗压强度差别不大，但当掺量达到12%和16%的时候，7 天抗压强度有明显的回落。其中强度设计越小的混凝土，7 天强度下降的比例越大。对于28 天的强度而言，膨胀剂掺量在0%、4%和8%以内的，强度会稍有下降，但当掺量达到12%和16%时，强度下降明显，幅度较大。三种强度的混凝土当膨胀剂掺量达到12%和16%时，28 天强度均无法达到设定的强度值。故，对于抗压强度这个参数而言，膨胀剂的掺量以少为宜，且从三个表格的数据可以看出，掺量为8%的膨胀剂最为容易接受。

表7 C80 自密实补偿收缩混凝土扩展度

表8 C40 自密实补偿收缩混凝土抗压强度

表9 C60 自密实补偿收缩混凝土抗压强度

表10 C80 自密实补偿收缩混凝土抗压强度

2.3 限制膨胀率

三种自密实膨胀混凝土分别在膨胀剂等质量代替4%、8%、12%、16%的水泥的情况下，混凝土在各期龄（3天、7 天、14 天、28 天）限制膨胀率如表11、表12 和表13 所示，当限制膨胀率的数值为正值时，说明混凝土膨胀大于收缩，混凝土处于膨胀状态；当限制膨胀率的数值为负值时，说明混凝土收缩大于膨胀，混凝土处于收缩状态；当限制膨胀率的数值为零值时，说明混凝土的膨胀抵消收缩。从表11、表12 和表13 可知C40 在膨胀剂掺量为0%和4%的情况下各龄期均处于收缩状态，由于膨胀剂掺量不足，导致膨胀剂的膨胀效果不能很好的抵偿混凝土的收缩。C60 和C80 在膨胀剂掺量为4%以上时，混凝土都处于膨胀状态，膨胀剂的膨胀效果较好的抵御了自密实混凝土的收缩特性。但是，过度添加膨胀剂也会产生负面效果，在膨胀剂掺量达到12%和16%的时候，混凝土出现了开裂甚至松散的状况。

3 结语

本文设计了C40、C60 以及C80 自密实补偿收缩混凝土的配合比。

表11 C40 自密实补偿收缩混凝土限制膨胀率

表12 C60 自密实补偿收缩混凝土限制膨胀率

表13 C80 自密实补偿收缩混凝土限制膨胀率

⑴流动性方面：采用8%、12%和16%代替等质量水泥的流动性比不采用膨胀剂和采用4%膨胀剂的流动性要明显要好。但采用8%、12%和16%的膨胀剂来代替同质量水泥的配合比的流动性相差不大，甚至有采用8%的拌合物流动性比16%拌合物好的情况。

⑵强度方面的影响：随着掺杂膨胀剂的比例增大，三种设计强度的混凝土都在减小。但是膨胀剂和强度之间的关系不是线性相关的，在膨胀剂2 掺量大于8%后，强度下降幅度就会大幅增大。而掺量在8%的膨胀剂与不掺膨胀剂或掺4%膨胀剂的混凝土强度相差不大。

⑶膨胀率方面的影响：三种配合比，当掺膨胀剂的比例在4%及以下的时候，膨胀率过低，甚至有出现小于0（收缩）的情况，达不到膨胀的效果。而当膨胀剂的掺杂比例大于8%时，会出现膨胀率过高，可能存在开裂的风险。

在综合考虑了强度、流动性以及膨胀率三方面的因素之后，最终选择40-M8、60-M8 以及80-M8 为最优配合比。