膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土水化和收缩性能的影响

2021-08-28苏忠纯韩立刚曹忠露赵卫民

中国港湾建设 2021年8期

苏忠纯，韩立刚，曹忠露，，赵卫民

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中通道西人工岛暗埋段大体积混凝土设计强度56 d C50，顶板厚度1.6 m，侧墙厚度1.2 m，配筋率0.24 t/m3，要求浇筑后的混凝土结构密实无裂缝。从配合比设计的角度，考虑采用大掺量的矿物掺合料和高性能的缓凝型减水剂，以延缓混凝土水化最高温度出现的时间，降低混凝土水化放热。从混凝土生产的角度，采取喷淋、遮阳、加冰的措施降低混凝土的出机温度。从施工的角度，布设冷区水管，减小混凝土的内外温差，并加强浇筑后的混凝土养护。除采取以上措施外，采用补偿收缩混凝土亦是一种解决办法，虽然膨胀剂的使用存在很多争议[1-3]，国内外学者对各种膨胀剂的原理及应用做了大量的研究[4-7]，但对大掺量矿物掺合料混凝土中掺加膨胀剂研究较少。本文用膨胀剂替代基准混凝土中部分粉煤灰，研究膨胀剂对大掺量矿物掺合料混凝土强度、水化和收缩性能的影响，同时掺入不同种类和掺量的膨胀剂对混凝土自生体积变形进行研究。

1 混凝土配合比设计

1.1 原材料

水泥：英德海螺水泥有限责任公司P.II42.5硅酸盐水泥和P.O42.5普通硅酸盐水泥。

矿物掺合料：镇江华源集团有限公司F类I级粉煤灰，唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司S95级矿粉。

细骨料：西江中砂，细度模数2.6。

粗骨料：德庆县九市镇德鑫石矿有限公司5～25 mm碎石（由5～10 mm占30%、10～25 mm占70%混合而成）。

减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司高性能混凝型减水剂。

膨胀剂：深圳市路基建材技术有限公司Ⅰ型UEA膨胀剂和江苏苏博特新材料股份有限公司HME-Ⅱ型高性能氧化镁复合型膨胀剂。

拌合水：现场自来水。

1.2 混凝土配合比

基准混凝土配合比的胶凝材料总量为418 kg/m3，粉煤灰掺量30%，矿粉掺量25%，砂率43%，水胶比0.34，减水剂掺量1%。

以编号为C1—C4的配合比分析不同种类水泥和UEA膨胀剂对混凝土抗压强度、水化放热和收缩性能的影响；在基准配合比C1的基础上，C4—C9的配合比膨胀剂以4%、8%和10%的掺量等量替代粉煤灰，分析膨胀剂种类（UEA类、氧化镁复合类）和掺量对混凝土自生体积收缩性能的影响。

混凝土的配合比见表1。

表1 试验用混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion for test

1.3 试验方法

混凝土拌合物的工作性能按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》检测，抗压强度试验依据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，混凝土干燥收缩试验依据GB/T 50082—2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，混凝土限制膨胀率试验依据GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》进行，混凝土的自生体积变形试验依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行，混凝土胶凝材料的水化热试验依据GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》进行。

混凝土干燥收缩试验和限制膨胀率试验各分两组，分别在室内标准养护条件下（恒温恒湿：温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%）和现场同条件洒水养护条件下（覆盖土工布洒水养护14 d后期暴露在空气中）进行测试。

2 结果与讨论

2.1 膨胀剂和水泥种类对混凝土抗压强度的影响

膨胀剂和水泥种类对混凝土抗压强度的影响如图1所示。

由图1可见，P.Ⅱ42.5水泥混凝土的各龄期抗压强度比P.O42.5水泥的强度高，强度增长幅度随龄期呈增大的趋势。这是由于虽然同为42.5级水泥，Ⅱ型硅酸盐水泥中粒化高炉矿渣或石灰石掺量最多为5%，而普通硅酸盐水泥中粒化高炉矿渣、火山灰质混合材和粉煤灰掺量为5%～20%，水泥生产企业为追求经济效益的最大化，往往取掺量上限，导致水泥熟料用量减少；在工艺上普通硅酸盐水泥比硅酸盐水泥磨的更细，加快早期熟料的反应速度，导致后期强度增长乏力，表现为混凝土早期强度相差不多，后期强度相差较大。用8%UEA膨胀剂替代8%粉煤灰后，混凝土的3 d强度降低1.5～1.8 MPa、7 d强度降低2.7～3.2 MPa、28 d强度降低4.0～4.8 MPa、56 d强度降低2.3～4.6 MPa，这是由于掺入膨胀剂后，还是按普通混凝土力学性能试验方法进行试验，成型1 d后拆模，掺加膨胀剂的混凝土没有任何外加约束，试件处于自由膨胀状态，体积变大，结构的密实性降低，导致混凝土各龄期强度均有不同程度的下降。游宝坤等[8]人的研究也认为：掺入膨胀剂的混凝土，试模的限制强度高于自由强度，在同配合比条件下，自由强度随膨胀剂内掺量的提高而降低。

图1 膨胀剂和水泥种类对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Influence of expansive agent and cement type on compressive strength of concrete

2.2 膨胀剂对混凝土干燥收缩的影响

不同养护条件下，UEA膨胀剂对混凝土干燥收缩的影响见图2。在室内标准养护和现场同条件洒水养护的情况下，无论是否掺加膨胀剂，混凝土的干燥收缩均在0～14 d龄期内急剧增大，随后14～60 d龄期内增速放缓，60 d龄期后干燥收缩趋于平缓。不掺膨胀剂的硅酸盐水泥混凝土干燥收缩最小，掺UEA膨胀剂对混凝土收缩的影响并不明显，这是由于膨胀剂的掺入增加了水化反应消耗的水分，使收缩增大，其膨胀效应并未完全弥补其水化造成的收缩[8]。同条件洒水养护试件的干燥收缩比室内标准养护试件的干燥收缩约低200με，混凝土拆模后洒水养护14 d能显著降低混凝土的干燥收缩。

图2 膨胀剂对混凝土干燥收缩的影响Fig.2 Influence of expansive agent on drying shrinkage of concrete

2.3 膨胀剂对混凝土限制膨胀率的影响

不同养护条件下，UEA膨胀剂对混凝土限制膨胀率的影响如图3所示。

由图3可见，无论是否掺加UEA膨胀剂，混凝土的限制膨胀率均在0～7 d龄期内急剧降低。室内标准养护条件下，混凝土的限制膨胀率均在7～60 d龄期内进一步降低并在60 d龄期后基本趋于稳定，掺加UEA膨胀剂后，P.II硅酸盐水泥混凝土的限制膨胀率反而降低，UEA膨胀剂的掺加与否对普通硅酸盐水泥混凝土的限制膨胀率影响较小。同条件洒水养护条件下，P.II硅酸盐水泥混凝土的限制膨胀率和普通硅酸盐水泥混凝土的限制膨胀率均比其标准养护条件下的限制膨胀率小。

图3 膨胀剂对混凝土限制膨胀率的影响Fig.3 Influence of expansive agent on limiting expansion rate of concrete

2.4 膨胀剂对胶凝材料水化热的影响

对混凝土配合比C1—C4的胶材体系进行水化热试验，结果如表2所示。用8%UEA膨胀剂替代8%粉煤灰后，P.II硅酸盐水泥胶材体系的水化温升提高约2℃，最高温耗时提前约1 h 30 min，7 d水化放热增大55 J/g；普通硅酸盐水泥胶材体系水化温升提高约3℃，最高温耗时提前约30 min，7 d水化放热增大71 J/g。掺加UEA膨胀剂使胶凝材料的水化速率增大，水化温升提高，最高温耗时降低和水化放热量增大。许多研究学者用等量的膨胀剂替代水泥，得出了掺入膨胀剂后使水化热降低的结论[9]，这是因为膨胀剂中的有效成分钙矾石的含量只占很少一部分，其余大部分为粉煤灰等矿物掺合料，因而使水化热降低。本试验是用膨胀剂等量替代粉煤灰，水化热和水化温升的增大是由于钙矾石比粉煤灰更早发生化学反应，水化放热更大，这与本文得出的结论并不矛盾。

表2 膨胀剂对胶凝材料水化热的影响Table 2 Influence of expansion agent on hydration heat of cementitious materials

2.5 不同类型膨胀剂对混凝土自生体积变形的影响

自生体积变形是混凝土在密封条件下（与外界没有湿度交换），因自身水化反应在宏观上表现出来的体积变形，是自干燥收缩和化学减缩的外在表现。与干燥收缩和限制膨胀率测试相比，自生体积变形没有湿度的交换，更符合大体积混凝土体积变化的规律，测试结果更接近现场的实际情况。UEA膨胀剂、氧化镁复合膨胀剂对混凝土自生体积变形的影响见图4。

由图4可知，与基准混凝土相比，混凝土自生体积变形随着膨胀剂掺量的增加而减小；掺4%UEA膨胀剂混凝土的自生体积变形与基准混凝土基本一致，掺10%UEA膨胀剂混凝土的自生体积变形在3 d龄期达到最大值38με后降低。掺8%和10%氧化镁复合类膨胀剂混凝土的自生体积变形在7 d龄期到达最大而后呈降低趋势。对于掺膨胀剂的混凝土若要到达体积稳定，必须通过试验确定膨胀剂的合理掺量，从混凝土的自生体积变形效果来看，同掺量的氧化镁复合膨胀剂好于UEA膨胀剂，这是由于氧化镁复合膨胀剂中的膨胀源氧化镁水化反应速度较慢，持续生成氢氧化镁体积增加，对后期的收缩进行补偿。