戈壁环境下掺膨胀剂混凝土不同部位的温度和应变研究

尹道道，郭城瑶，秦哲焕，王海龙，纪宪坤

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430070）

0 引言

开裂是混凝土应用中备受关注的重点问题，开裂会影响混凝土的耐久性，降低混凝土的使用性能和服役时间。我国西北戈壁地区具有昼夜温差大、空气湿度低、大风天气多等特点。有研究表明[1-2]，西北地区恶劣的气候环境会加大混凝土收缩，增加混凝土开裂风险。针对西北地区的混凝土开裂问题，可在施工工艺、养护方式等方面采取措施[3-4]，也可通过膨胀剂补偿混凝土收缩，降低混凝土开裂风险。目前工程中常用的膨胀剂有氧化钙类、硫铝酸钙类、氧化镁类、氧化钙-硫铝酸钙类、钙镁复合类等。不同膨胀剂的价格、性能和适用范围等均有差异，结合西北地区的环境特点和项目需求选取适宜的膨胀剂，对保证工程应用效果和提高工程质量具有重要意义。

考虑到膨胀剂实际应用环境与实验室环境差别较大，有必要对实际环境下膨胀剂的性能展开研究。在实体结构中埋设应变计是研究膨胀剂实际应用效果时最常用的方法[5-8]，通过应变计测试实体结构的温度和应变，可对膨胀剂的应用效果进行分析。现有关于西北地区戈壁环境下膨胀剂应用效果的研究较少，同时有关应变计埋设位置与温度、应变间关系的研究也较少。本文通过在西北戈壁地区进行足尺模型试验，研究了戈壁环境下掺膨胀剂混凝土不同部位温度和应变的变化规律，对比了钙质膨胀剂和镁质膨胀剂在戈壁环境下的补偿收缩效果。试验结果可为西北戈壁环境下膨胀剂的实际应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

P·O42.5 水泥、Ⅱ级粉煤灰、S75 矿粉：均产自甘肃；钙质膨胀剂：武汉三源有限责任公司产氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，按照GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》测得其20 ℃水中7 d 限制膨胀率为0.068%；镁质膨胀剂：武汉三源有限责任公司产轻烧氧化镁，依据DL/T 5296—2013《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》采用柠檬酸法测试的氧化镁活性指数为140 s，按照CBMF 19—2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》测得其20 ℃水中7 d 限制膨胀率为0.017%。细骨料：中砂，细度模数2.6；粗骨料：5～25 mm 连续级配碎石；聚羧酸减水剂：固含量15%；水：自来水。胶凝材料的主要化学成分如表1 所示。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

1.2 试验配合比

所用混凝土强度等级为C45，其中膨胀剂内掺取代等质量的粉煤灰和水泥，掺量为胶凝材料质量的8%，试验配合比如表2 所示。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土应变的测试方法

试验采用南京葛南生产的VWS-15 型振弦应变计，可实时监测各测点的温度和应变，通过MCU-32 型自动测量单元记录应变计所测信息。应变ε 按式（1）计算：

式中：K——应变计的测量应变量灵敏度，由厂家提供，με/F；

F、F0——分别为应变计测量的实时频率模数值和基准频率模数值，F；

b——应变计的热膨胀系数，由厂家提供，με/℃；

α——混凝土的热膨胀系数，本试验取10×10-6με/℃；

T、T0——分别为应变计测试的实时温度数值和基准温度值，℃。本试验取混凝土浇筑完成时为温度测量基准点、混凝土终凝时为应变测量基准点。

1.3.2 应变计的埋设方法

混凝土足尺模型尺寸为1500 mm×1500 mm×1500 mm，模型所用钢筋型号及配筋率等均与某实际项目保持一致。试验时将应变计绑扎在足尺模型竖向中轴线处的钢筋上，上下2个应变计距混凝土表面10 mm，应变计垂直方向五等分放置，记录应变计编号，如图1 所示。

图1 混凝土中应变计埋设位置示意

1.3.3 混凝土成型与现场环境监测

按照表2 配合比成型3 种足尺模型，成型时控制搅拌车运输时间和混凝土浇筑时间及混凝土入模温度，以降低入模温度对试验结果的影响。成型后及时养护，适时拆模，避免施工不当导致混凝土开裂。采用温度采集仪监测现场环境温度，监测结果如图2 所示。

图2 试验现场环境温度

由图2 可见，前1 个月试验现场最高气温高于30 ℃的天气较多，后1 个月现场气温有所下降；试验过程中最高气温为33 ℃，最低气温为4 ℃；现场温度变化较大，昼夜温差平均在13 ℃左右，最大昼夜温差达20 ℃。

2 试验结果与讨论

2.1 戈壁环境下掺膨胀剂混凝土不同部位的温度变化规律（见图3）

由图3 可见，3 组足尺寸模型的温度变化规律基本相同：均是在混凝土浇筑后快速升至温峰，随后缓慢降至环境温度，最后各部位温度均随环境温度波动而波动。比较同一模型不同部位升温阶段数据可以看出，混凝土模型上半部分平均温度高于下半部分，说明混凝土模型中热量传输方向为自下向上；混凝土模型温度降至环境温度后，上部温度波动幅度最大，下部温度波动幅度最小，这可能和上部与环境热交换更多有关。

图3 不同足尺寸模型混凝土不同部位的温度

表3 统计了混凝土不同部位到达温峰的时间及温峰值。

表3 混凝土不同部位温峰时间及温峰值

由表3 可见：掺入膨胀剂后混凝土的最高温度高于基准组；基准组的最高温度出现在中部，混凝土浇筑后1.37 d 到达温峰，温峰为69.2 ℃；钙质组混凝土最高温度出现在上部，混凝土浇筑后0.50 d 到达温峰，温峰为75.8 ℃；镁质组混凝土最高温度出现在中上部位，混凝土浇筑后1.33 d 到达温峰，温峰为71.4 ℃。与镁质组混凝土相比，钙质组混凝土虽然温峰更高，出现时间更早，但其下部、中下部及中上部的温峰值均低于镁质组混凝土同一部位温峰值，可见对混凝土特定部位而言，其温度场变化是水化放热和热传导等多因素耦合的结果。

2.2 戈壁环境下掺膨胀剂混凝土不同部位的应变变化规律

混凝土不同时间应变数据可通过式（1）计算得到，试验中发现混凝土原始应变数据繁杂，为使不同位置的应变规律更加清晰，通过Origin Pro 2019 软件将原始数据按分组删减，设相邻10 个应变数据为1 组，将同组内的龄期和应变求平均值作图，处理后的结果如图4 所示。

图4 不同足尺寸模型混凝土不同部位的应变

由图4 可见，不同混凝土的应变规律基本一致，随着时间推移，不同部位应变均负向增大，混凝土由膨胀状态转为收缩状态，最后整体处于收缩状态；掺膨胀剂后混凝土收缩应变明显小于基准组，说明2 种膨胀剂均起到了抑制混凝土收缩的效果；钙质组混凝土下、中下和上3 个部位均为先膨胀后收缩，其中下部膨胀值最大，可达38 με；6 周后，钙质组混凝土不同部位收缩应变大小关系为由下往上逐渐增大，且上部与下部间收缩应变差值最终在70 με 左右；从整个试验期看，钙质组混凝土上部应变数据波动最大，其应变最高为膨胀32 με，最低为收缩132 με。镁质组混凝土下部膨胀值最大可达35 με，且下部膨胀状态持续15 d 后开始收缩，最终收缩应变为28 με左右，镁质组混凝土不同部位应变大小关系为下部收缩应变最小，中下、中、中上3 个部位收缩相近，上部收缩应变最大，上部与下部间收缩应变差值最终在35 με 左右；上部应变数据波动最大，其应变最大为膨胀28 με，最小为收缩81 με。对比钙质组和镁质组混凝土可见，2 种混凝土中均是下部最终收缩最小且数据波动最小，而上部最终收缩最大且数据波动也大，说明外界温度变化对上部影响最大而对下部影响最小；镁质组混凝土上部与下部之间的收缩差值只有钙质组混凝土的50%左右，这可能是由于掺钙质膨胀剂混凝土上部温度过高（温峰75.8 ℃），破坏了部分钙质膨胀源中的钙矾石结构，导致上部收缩补偿相对较少。

2.3 戈壁环境中钙质膨胀剂和镁质膨胀剂补偿收缩效果对比

由上述分析可知，混凝土不同部位的应变不同，中部应变最接近不同部位的应变平均值，为便于比较不同混凝土试件间应变规律，将掺膨胀剂混凝土中部应变曲线减去基准组混凝土中部应变曲线可得到膨胀剂的补偿收缩曲线，2 种膨胀剂的补偿收缩曲线如图5 所示。

图5 钙质膨胀剂和镁质膨胀剂的补偿收缩曲线

由图5 可见，基准组、钙质组和镁质组混凝土收缩规律基本一致，混凝土收缩主要发生在前5 d，5 d 后混凝土收缩速度减慢，基准组混凝土收缩最大，钙质组混凝土收缩次之，镁质组混凝土收缩最小，最终补偿收缩量为112 με，钙质组混凝土补偿收缩量为68 με。对比2 种膨胀剂补偿收缩曲线可以发现：2 种膨胀剂补偿收缩均主要发生在前5 d，且2 种膨胀剂补偿收缩量增长时期和混凝土收缩增长时期基本保持一致，说明2 种膨胀剂均能抑制混凝土早期收缩；从5～66 d 膨胀剂的补偿收缩量来看，钙质组混凝土补偿收缩量平均值为71 με 左右，镁质组混凝土补偿收缩量平均值为91 με 左右，说明镁质膨胀剂整体的补偿收缩量更大；随着时间推移，钙质组混凝土的补偿收缩量逐渐平稳，镁质组混凝土的补偿收缩量波动较大且仍有缓慢增加的趋势，可见镁质膨胀剂的补偿收缩效果持续时间更长。

补偿收缩量与膨胀剂的性能密切相关。钙质膨胀剂前期水化较快，其膨胀能释放集中在前期，因此钙质组混凝土补偿收缩量前期增长较快，后期基本未见增长；由于氧化镁活性受温度影响较大，本试验中镁质组混凝土内部前期温度较高，在此温度下氧化镁具有较高的活性，因此镁质组混凝土前期补偿收缩量增长较快，后期温度降低后，氧化镁反应活性降低，同时后期反应的氧化镁量变少，因此镁质组混凝土补偿收缩量后期增加变缓。钙质膨胀剂主要膨胀源为钙矾石，本试验中混凝土内部最高温度可达70 ℃以上，在此温度下钙矾石会分解，此外西北地区空气干燥，大风天气多，在此环境下钙矾石易脱水发生结构破坏[9]，钙矾石生成量的减少会影响钙质膨胀剂的补偿收缩效果；相较之下，镁质膨胀剂的膨胀源为氢氧化镁，氢氧化镁的化学和物理稳定性相对较好，其生成量基本未受本试验温度和湿度变化的影响，这是镁质膨胀剂补偿收缩量要大于钙质膨胀剂补偿收缩量的原因。

3 结论

（1）钙质组混凝土最高温度出现在上部，浇筑后0.50 d 到达温峰，温峰为75.8 ℃；镁质组混凝土最高温度出现在中上部位，浇筑后1.33 d 到达温峰，温峰为71.4 ℃。2 种膨胀剂混凝土中均是上半部分温度高于下半部分，且上部温度随环境波动最大，下部温度随环境波动最小。

（2）钙质组混凝土和镁质组混凝土的应变均随温度波动而波动，且2 种混凝土均是下部收缩最小而上部收缩最大，其中钙质组混凝土上部应变最大为膨胀32 με，最小为收缩132 με，镁质组混凝土上部应变最大为膨胀28 με，最小为收缩81 με；钙质组混凝土上部与下部间收缩应变差值最终在70 με，镁质组混凝土上部与下部间收缩应变差值最终在35 με。

（3）2 种膨胀剂均能补偿混凝土收缩，镁质膨胀剂的补偿收缩效果持续时间更长，随着时间推移，钙质补偿收缩量逐渐平稳，镁质补偿收缩量仍在小幅增加，最终镁质组混凝土补偿收缩量在112 με，钙质组混凝土补偿收缩量在68 με。