双膨胀源膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土力学性能及抗裂性能的研究*

焦田田，王林，何鑫鑫，魏子程

（北京建筑大学，北京 100044）

0 引言

混凝土由于干缩、温度收缩、自收缩等原因产生开裂的现象一直存在，大掺量矿物掺合料可以降低混凝土的早期放热，双膨胀源膨胀剂可以抵消混凝土的收缩，将两者同时运用可以改善混凝土开裂[1-3]。膨胀剂按水化产物的不同分为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂、氧化钙类混凝土膨胀剂和硫铝酸钙—氧化钙类混凝土膨胀剂，其中硫铝酸钙—氧化钙类混凝土膨胀剂经水化反应生成钙矾石和氢氧化钙，具有氧化钙类和硫铝酸钙类膨胀剂的特点，也具有膨胀性能稳定、膨胀能高、膨胀速率快等特点[4-5]。粉煤灰和矿粉在大掺量矿物掺合料混凝土中运用较为广泛，可以降低混凝土的早期放热，提高混凝土的强度和耐久性[6-8]。

目前国内基于大掺量矿物掺合料混凝土及双膨胀源膨胀剂的研究分别较为成熟，但是针对双膨胀源膨胀剂在大掺量矿物掺合料混凝土的运用研究案例较少，大掺量矿物掺合料混凝土运用已较为广泛，但早期强度较低及开裂的问题依然存在[9-10]。本文将研究硫铝酸钙—氧化钙类双膨胀源膨胀剂在大掺量矿物掺合料（粉煤灰30%+矿粉 20%）混凝土中的运用，及不同掺量的双膨胀源膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土强度、混凝土限制膨胀率和混凝土抗裂性能影响。

1 原材料及方法

1.1 试验原材料

本文采用的是天津豹鸣股份有限公司生产的双膨胀源膨胀剂（硫铝酸钙—氧化钙类混凝土膨胀剂），其性能满足 GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》对Ⅱ型硫铝酸钙—氧化钙混凝土膨胀剂的要求，各组分质量百分比详见表 1。本试验采用的是北京金隅集团有限责任公司生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥；河南远恒环保工程有限公司提供的试验级粉煤灰；金泰成科技集团有限公司生产的 S95 级矿粉；细骨料采用细度模数为 2.4 的河砂；粗骨料选用粒径为 5～20 mm 连续级配的碎石；减水剂的减水率为 25%。

表 1 双膨胀源膨胀剂各组分质量百分含量 %

1.2 试验方法

（1）试验方法：水泥胶砂强度试验参照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》测试胶砂试件龄期为 7d、28d 的抗折强度和抗压强度；混凝土抗压强度试验按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测定，测量龄期分别为 3d、7d、28d 和 56d 的自由强度和限制强度；限制膨胀率试验参照 GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》规定的方法分别测定胶砂和混凝土的限制膨胀率；混凝土抗裂性能用抗裂圆环法观察不同掺量双膨胀源膨胀剂试块的开裂情况。

（2）试件制作及养护

胶砂限制膨胀试件：将胶砂浇筑在带有纵向钢筋限制器的模具内，以形成胶砂试件，所用纵向钢筋限制器见图 1。试件脱模后在 1h 内测量实体的初始长度。测量完初始长度的试件立即放入水中养护，测量水养第1d、3d、7d 的长度。然后移入恒温恒湿室中（湿度为70% R.H.）养护，分别测量空气中第 21d、28d 的长度变化，度数精确至 0.001mm。

混凝土限制膨胀试件：将混凝土装入浇筑在带有纵向钢筋限制器的模具内，以形成混凝土限制试件，所用纵向钢筋限制器见图 2。测量完初始长度的试件立即放入到恒温水槽中养护，测量 1d、3d、7d、14d 水养试体的长度变化，14d 后将试件移入恒温恒湿室中（湿度为 70% R.H.）养护，分别测量空气中第 14d、28d 的长度变化，度数精确至 0.001mm。养护时注意保护试体测头，试体之间的距离为 30mm。

限制膨胀率更能反映约束状态下混凝土的变形性能，故本试验主要通过测试胶砂和混凝土的限制膨胀率来观察双膨胀源膨胀剂的膨胀性能。限制膨胀率的计算：

图 1 测试砂浆限制膨胀率的纵向限制器

图 2 测试混凝土限制膨胀率的纵向限制器

式中：

ε——所测龄期的限制膨胀率，%；

L1——所测龄期的试件长度测量值，mm；

L——试件的初始长度测量值，mm；

L0——试件的基准长度，mm；胶砂限制试件为140mm，混凝土限制试件为 300mm。

注：取相近的 2 个试体测定值的平均值作为试验结果。

混凝土抗压试件：制作 10mm×10mm×10mm 的立方体试件，测试试件带模湿养护 7d 后拆模挪至标准养护室养护的限制强度，测试试件以保鲜膜覆盖养护 24小时后拆模挪至标准养护室养护的自由强度，测试龄期分别为 3d、7d、28d、56d。

混凝土抗裂试件：本试验采用圆环约束试验，内环直径 305mm、外环直径 425mm、高 100mm，详见图3。每组配合比做两组试验，自由组在 24h 后拆除外围挡板，并放置于恒温恒湿的室内养护观察其抗裂情况，限制组在覆盖湿布养护 7d 后拆除外围挡板，挪至于恒温恒湿的室内养护观察其抗裂情况。

1.3 试验配合比

试验配合比：C30 及 C50 混凝土试验中均采用 50%的矿物掺合料的胶凝材料，其中水泥、粉煤灰、矿粉这三种材料按比例（5:3:2），双膨胀源膨胀剂分别占胶凝材料总量的 0%、3%、6%、9%、12%，等比例替代胶凝材料中各组成材料。配合比详见表 2 和表 3。

图 3 混凝土圆环抗裂模具

表 2 水泥胶砂配合比 g

表 3 大掺量矿物掺合料混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 双膨胀源膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土力学性能的分析

双膨胀源膨胀剂掺量对胶砂力学性能的影响见表4、图 4 和图 5。

通过表 4、图 4 和图 5 胶砂试验的抗折强度和抗压强度可以看出，双膨胀源膨胀剂对胶砂抗折强度和抗压强度均是有先增强后削弱的作用，抗折强度和抗压强度的增长趋势大致相同，当双膨胀源膨胀剂添加量为胶凝材料 6% 时的抗压强度和抗折强度表现最好，双膨胀源膨胀剂可以有效抵消胶凝材料的收缩，使得试块更加密实，但是当掺量过度时会导致破坏性膨胀，降低强度。

表 4 胶砂力学性能试验结果 MPa

图 4 膨胀剂掺量对胶砂抗折强度的影响

图 5 膨胀剂掺量对胶砂抗压强度的影响

表 5、图 6、图 7 和表 6、图 8、图 9 分别为 C30 和C50 混凝土力学性能的试验结果。

表 5 C30 混凝土强度试验结果 MPa

表 6 C50 混凝土强度试验结果 MPa

图 6 膨胀剂掺量对 C30 混凝土限制强度的影响

图 7 膨胀剂掺量对 C30 混凝土自由强度的影响

通过对掺加不同比例的双膨胀源膨胀剂 C30 混凝土和 C50 混凝土的自由强度和限制强度观察可以得出以下结论：

（1）通过图 6～9 对 C30 及 C50 的自由强度和限制强度的观察，限制强度较自由强度有略微的提高，限制强度由于早期 7d 的带模养护，可以使得膨胀剂的膨胀性能和混凝土的收缩性能相互作用，增强混凝土的致密性，故而增强混凝土的早期强度。因此，双膨胀源膨胀剂运用到实际工程中，带模养护 7d 可以使双膨胀源膨胀剂更好地提高混凝土的强度。

图 8 膨胀剂掺量对 C50 混凝土限制强度的影响

图 9 膨胀剂掺量对 C50 混凝土自由强度的影响

（2）通过图 6～9 可以看出随着双膨胀源膨胀剂的增加，两种配比混凝土的自由强度和限制强度均出现先增加后降低的趋势，从各龄期的强度值可以看出，C30混凝土的限制强度在双膨胀源膨胀剂添加量为 9% 时达到最高值，且与双膨胀源膨胀剂添加量为 6% 组别的增长趋势相同，强度值较为接近；而自由强度在双膨胀源膨胀剂添加量为 6% 时达到最高值，与双膨胀源膨胀剂添加量为 9% 的一组增长趋势大致相同，但是随着养护时间延长，9% 组较 6% 组的强度降低幅度越来越大；C50 混凝土中双膨胀源膨胀剂添加量为 9% 的组在 28d前较 6% 组的强度略高且增长趋势一致，但随着龄期的增长，自由强度与限制强度均在双膨胀源膨胀剂添加量为 6% 的组达到最高值。

2.2 双膨胀源膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土膨胀性能的分析

双膨胀源膨胀剂掺量对胶砂膨胀性能的影响见表 7和图 10。

表 7 膨胀剂掺量对胶砂限制膨胀率的影响 %

图 10 胶砂在膨胀剂不同掺量下的限制膨胀率

表 8、图 11 和表 9、图 12 分别为 C30 和 C50 混凝土膨胀性能的试验结果。

表 8 C30 混凝土限制膨胀率试验结果 %

图 11 C30 混凝土在膨胀剂不同掺量下限制膨胀率

表 9 C50 混凝土限制膨胀率试验结果 %

图 12 C50 混凝土在膨胀剂不同掺量下限制膨胀率

通过对掺加不同比例双膨胀源膨胀剂的胶砂、C30混凝土、C50 混凝土的限制膨胀率观察可以得出以下结论：

（1）通过图 10～12 可以看出双膨胀源膨胀剂在50% 矿物掺合料（30% 粉煤灰+20% 矿粉）的胶砂和混凝土中具有较好的膨胀性能，水中的膨胀速率较快，在水中养护 7d 可以达到较高的膨胀能，随着双膨胀源膨胀剂掺量的增加，限制膨胀率也随之增加。从水中养护转为恒温恒湿的空气中养护，随着各试件水分的蒸发，胶砂试件和混凝土试件的限制膨胀率均出现下降趋势，充足的水分是双膨胀源膨胀剂产生膨胀的重要条件。

（2）通过图 11、图 12 可以看出 C30 和 C50 两种配比混凝土的限制膨胀率，在相同养护条件及膨胀剂添加比例一致的情况下，C50 混凝土的限制膨胀率要比C30 混凝土的限制膨胀率低，但是膨胀及收缩的规律基本一致，一是由于 C50 混凝土的胶凝材料用量较大，且水胶比较低，故没有足够的水分满足膨胀剂的水化；二是由于 C50 混凝土强度较大，早期较高的强度限制了膨胀剂的膨胀。

（3）由水养转为干空养护时，各组试件的限制膨胀率均出现降低的趋势，未添加双膨胀源膨胀剂的试块出现收缩状态，而添加双膨胀源膨胀剂的混凝土试块仍然处于膨胀状态，由图 11 可以看出 C30 混凝土试块在水养 14d 后挪至空养状态时，限制膨胀率下降趋势较快，随着试块内部水分的蒸发，限制膨胀率趋于稳定状态；图 12 显示 C50 混凝土试块限制膨胀率的上升速度和下降速度比 C30 混凝土慢，由于 C50 混凝土的强度较大，水胶比较低，故限制了双膨胀源膨胀剂早期的膨胀，同理，当膨胀才产生后随着水分的蒸发，限制膨胀率的下降也较为缓慢。

2.3 双膨胀源膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土抗裂性能的分析

本试验采用抗裂圆环模具进行混凝土抗裂性能的测试，将表 3 各组 C30 混凝土装入模具加以插捣和振捣，自由组表面覆盖保鲜膜养护 24h 后拆掉两侧挡板，限制组带模湿养护 7d 后拆除两侧挡板，然后放置于恒温恒湿的室内养护，每天观察各试块裂缝出现的时间，28d 时裂缝的宽度，各组混凝土开裂情况见表 10。

表 10 各组混凝土开裂情况对比

图 13 C30-SY-0% 裂缝宽度细节图

图 14 C30-SY-12%-自由组裂缝宽度细节图

图 15 C30-SY-12%-限制组裂缝宽度细节图

通过对比，在养护 7d 时，添加双膨胀源膨胀剂的限制组和自由组均未出现开裂情况，第 8 天时，“C30-SY-0%-自由组”和“C30-SY-12%-自由组”出现细微裂缝，但是两者产生裂缝的原因不同，“C30-SY-0%-自由组”是因为混凝土中水分的散失引起的干缩，而“C30-SY-12%-自由组”则是因为膨胀剂添加过量导致的破坏性裂缝；在第 10 天时，“C30-SY-0%-限制组”产生细微裂缝，由于限制带模限制养护，所以“C30-SY-0%-限制组”的失水较自由组慢，故裂缝出现大的时间较自由组慢；在第 11 天时，“C30-SY-12%-限制组”开始出现裂缝，由于外围挡板在前 7d 限制膨胀，使产生的膨胀有效补偿收缩，故“C30-SY-12%-限制组”较“C30-SY-12%-自由组”的裂缝出现时间较慢，周围的限制消除后，其继续产生的过度膨胀依然会导致混凝土产生破坏性裂缝。“C30-SY-6%-自由组”和“C30-SY-6%-限制组”养护至 28d，均未出现裂缝。

双膨胀源膨胀剂可以改善大掺量矿物掺合料混凝土的抗裂性能，通过使混凝土产生膨胀补偿收缩，进而达到抗裂的效果。其添加量及养护条件对抗裂性能的影响尤为重要，通过表 10 各组的对比试验，在 C30 混凝土中适量添加双膨胀源膨胀剂可以有效抑制混凝土的开裂，自由组和限制组的比较可以得出带模养护 7d 会延缓混凝土的早期开裂，结合 2.1 双膨胀源膨胀剂对混凝土强度的影响，在 50% 矿物掺合料时添加 6% 的双膨胀源膨胀剂，能够最大程度地提高混凝土的强度，同时可以有效抑制混凝土的开裂。

3 结论

通过对胶砂与混凝土力学性能、限制膨胀率及抗裂试验的研究可以得出以下主要结论：

（1）适量添加双膨胀源膨胀剂且做好前期养护可以提高混凝土的抗折强度和抗压强度，添加过量会降低混凝土的抗折强度和抗压强度，双膨胀源膨胀剂添加量为 6% 且带模养护 7d 时可以更好地增强混凝土的强度。

（2）胶砂试件及混凝土试件的限制膨胀率随着双膨胀源膨胀剂的增加而升高，在混凝土试件中水养 7d的膨胀性能已表现较好，在相同养护条件及膨胀剂添加比例一致的情况下，C30 混凝土的限制膨胀率要比 C50混凝土的限制膨胀率高，添加 12% 双膨胀源膨胀剂水养 14d 时 C30 混凝土限制膨胀率最高为 0.0698%，而C50 混凝土限制膨胀率最高为 0.0127%。从水中养护挪至恒湿恒温的空养后，限制膨胀率出现下降趋势，但是添加双膨胀源膨胀剂的试块仍然处于膨胀状态，当试块内外湿度接近平衡时，膨胀也渐趋稳定。

（3）适量的添加双膨胀源膨胀剂可以有效改善混凝土的开裂情况，但是添加过量会促使混凝土的开裂，结合双膨胀源膨胀剂对混凝土强度的影响，在 50% 矿物掺合料混凝土中添加胶凝材料 6% 的双膨胀源膨胀剂且带模养护 7d，可以更好地提高混凝土强度的同时抑制混凝土的开裂，双膨胀源膨胀剂在大掺量矿物掺合料混凝土中的添加量不宜超过 9%，否则会产生破坏性膨胀导致混凝土的开裂。