减缩组分对超高性能混凝土性能的影响

2022-01-04吕健闫晶晶

江苏建材 2021年6期

吕健，闫晶晶

（1.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

UHPC由于极低水胶比和大量胶材的使用，会产生显著的体积稳定性问题，主要表现在自收缩和干燥收缩方面。与普通混凝土不同，UHPC的自收缩占总收缩的比例较大，干燥收缩则较小。UHPC的收缩会引发贯穿型裂缝，对混凝土材料及结构的安全产生严重损害。使用膨胀剂、塑性膨胀剂和减缩剂等是减小UHPC收缩的常用方法。

目前关于如何降低UHPC自收缩仍然是研究的重点与热点。为了在保证UHPC强度的基础上，大幅降低UHPC的自收缩，以膨胀剂、塑性膨胀剂、膨胀剂与塑性膨胀剂复掺为变量，研究其对UHPC流动性、自收缩以及力学性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用水泥为小野田52.5 P·Ⅱ水泥，密度为3.17 g/cm3；掺合料为江苏苏博特新材料股份有限公司提供的SBT-HDC，密度为2.58 g/cm3；减水剂（SP）为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，含固量为30%；细集料为最大粒径1.18 mm的洁净河砂；膨胀剂为日本DENKA HPCSA，比表面积为280 m2/kg；塑性膨胀剂为上海三瑞高分子材料股份有限公司生产的黄色固体粉末。

试验研究膨胀剂、塑性膨胀剂及膨胀剂与塑性膨胀剂复配对UHPC工作性、干燥收缩以及力学性能（抗压、抗折强度）的影响。配合比见表1。

表1 配合比单位：kg/m3

1.2 试验方法

1.2.1 流动度

UHPC砂浆流动度参考GB/T 2419《水泥胶砂流动度测定方法》，所用试验装置为高60 mm、上口内径70 mm和下口内径100 mm的截锥试模。

1.2.2 自收缩

自收缩测试采用25 mm×25 mm×280 mm的试件，每组3个。将拌和物浇筑试模中后，置于（20±2）℃的试验室内。20 h拆模，先用石蜡涂刷试件表面，然后再用铝箔包裹密封。所有试件先置于温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±2）%的环境中约4 h，再测定其长度变形，即为初长。初长测试后，放置于温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的环境中，每隔一定时间再进行长度测试。试件收缩率计算公式如式（1）所示。

式中，εt：t天的收缩值，t从测定初始长度时算起；Lb：测量标距，等于两测头内侧的距离（mm）；L0：试件初长（mm）；Lt：t天的长度读数（mm）。

1.2.3 力学性能

UHPC抗压与抗折强度依据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,测定龄期为标养3 d、28 d以及90℃水养48 h。

2 结果与讨论

2.1 流动度

图1为不同配比下UHPC砂浆的流动度测试结果。结果表明：与基准组（A0）相比，膨胀剂的引入降低了UHPC砂浆的流动度，且随膨胀剂掺量的增加，流动度明显降低；而塑性膨胀剂、膨胀剂与塑性膨胀剂复掺的引入对UHPC砂浆的初始流动度基本没有影响。由于膨胀剂的主要组分为氧化钙，其遇水迅速反应，显著减少了极低水胶比中的自由水，从而导致流动性降低[1]。即当膨胀剂掺量为胶材质量的3%时，流动度下降13.5%，降至225 mm。塑性膨胀剂的作用机理在于：在碱性条件下与水反应缓慢产生气体。由于其掺量少，有一定的耐水解性，且搅拌时间短，塑性膨胀剂与水反应有限，所以导致塑性膨胀剂对UHPC砂浆的流动性几乎没有影响[2-3]。PS组由于较低的膨胀剂和塑性膨胀剂用量，导致砂浆流动度仅降低了2%，甚至可以视为误差范围内，在该掺量下，膨胀剂与塑性膨胀剂也基本不会影响UHPC砂浆的初始流动度。

图1 不同配比UHPC砂浆的流动度

2.2 自收缩

图2为UHPC砂浆至90 d龄期的收缩率值计算结果。整体而言，UHPC在14 d龄期内的收缩发展较快，而28 d之后，收缩发展变缓并逐渐趋于稳定。对于减缩组分，由于膨胀剂有氧化钙（CaO）和硫铝酸钙两种矿物膨胀源，其中主要为CaO与拌和水反应生成Ca（OH）2产生膨胀，稳定性高；但UHPC极少自由水与大量胶材的使用，使得膨胀剂与胶凝组分竞争吸水，未反应的膨胀剂可以留在基体内，随着水化的持续进行以及外界水分的进入，膨胀剂可以在较长龄期内产生膨胀效果[4]。而塑性膨胀剂遇水可以产生均匀密集分布的含有氮类、乙炔等混合型气体的细小气泡，使得UHPC主要在塑性阶段产生膨胀[5]。因此，塑性膨胀剂在早期具有很低的收缩值（图2（b）），且随掺量的增加，早期减缩效果越明显；但在长龄期下，膨胀剂的减缩效果优于塑性膨胀剂，3%膨胀剂的90 d收缩＜200με。对于膨胀剂与塑性膨胀剂复掺，在适当掺量下，可以在早龄期和长龄期下同时达到良好的减缩效果，即PS组的1 d收缩仅高于S0.5，而90 d的收缩也仅高于P3，能够控制在300με以下。

图2 不同UHPC配合比的干燥收缩结果

2.3 力学性能

减缩组分对UHPC砂浆抗压、抗折强度的影响如图3所示。从图3（a）可以看出，UHPC的早期强度发展较快，3 d强度达到80 MPa以上；而后期强度发展较慢，28 d强度为120 MPa。对于不同减缩组分而言，与A0相比，在标养条件下，膨胀剂对抗压强度的影响较小，数值波动基本在试验误差范围内。塑性膨胀剂对UHPC强度的影响在于：早期强度降低明显，后期强度基本达到膨胀剂水平。这是因为塑性膨胀剂在早期引入大量气泡时导致基体缺陷增加，从而降低强度；而随着基体水化的持续进行，水化产物的生长以及基体的逐渐密实，会减少气泡带来的不利影响，从而使得后期强度提升。在90℃蒸养条件下，膨胀剂对抗压强度的负面影响迅速体现。与标养中持续可控的膨胀历程相比，90℃蒸养带来的高温和额外水分使得膨胀剂迅速、不可控地膨胀，导致基体强度的发展与膨胀剂发展不均衡，造成抗压强度明显降低，蒸养后的P2和P3强度分别降低了6%和11%。与此相反，塑性膨胀剂由于掺量小，且发泡膨胀在早期，90℃蒸养带来的高温、水分主要用于促进基体的进一步水化以及孔隙等缺陷的减少，因此，掺塑性膨胀剂的UHPC蒸养后的抗压强度反而会有更高的提升，S0.3和S0.5的抗压强度可达135 MPa和132 MPa。基于上述膨胀剂和塑性膨胀剂对抗压强度的影响，膨胀剂与塑性膨胀剂复掺可使UHPC在早期、长龄期以及蒸养条件下均能获得较高的抗压强度，PS在3 d、28 d和90℃蒸养条件下强度分别为85 MPa、120 MPa和131 MPa。

膨胀剂和塑性膨胀剂的引入会降低UHPC砂浆抗折强度，但影响规律与抗压强度基本一致，如图3（b）所示。标准养护条件下，膨胀剂使得UHPC抗折强度出现小幅下降；塑性膨胀剂可以降低UHPC砂浆的早期强度，但后期强度逐渐恢复。在蒸养条件下，膨胀剂破坏基体密实度以及引入塑性膨胀剂，使得P2、P3的抗折强度明显降低，而S0.3和S0.5的抗折强度恢复至较高水平。膨胀剂与塑性膨胀剂复掺则使UHPC在3 d、28 d和90℃蒸养条件下强度达到7.5 MPa、14.5 MPa和17.2 MPa的较高水平。