膨胀混凝土早龄期变形及力学性能试验研究

汪洋，王育江，2，李华，2

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189）

0 前言

近年来，为解决混凝土易收缩开裂的缺陷，用膨胀剂配制补偿收缩混凝土已成为减少其结构开裂的重要措施之一[1]。研究表明[2-3]，粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的火山灰效应以及微集料填充效应可使混凝土具有低渗透性、高致密性和均匀化的孔结构等优点，而膨胀剂作为一种新型矿物掺合料，亦具有良好的补偿收缩、增密等效果。因此，当粉煤灰、矿粉等矿物掺合料与膨胀剂复掺时，可更充分发挥各自优势，制备出性能良好的高性能混凝土。

美国混凝土协会ACI[4]中将混凝土早龄期定义为混凝土浇筑成型后7 d内的龄期，此期间内混凝土性能快速变化。而混凝土的早龄期力学性能随龄期的延长快速变化，对混凝土结构耐久性具有至关重要的意义[5]。当混凝土的早龄期强度、弹性模量等力学性能较差时，结构在早期温度应力、干缩应力和自收缩应力的作用下产生微裂缝的概率将大大增加，使结构的耐久性和工作寿命受到严重影响[6]。且混凝土早期开裂主要由自收缩变形所引起，混凝土一旦开裂后抵抗渗透能力大幅降低，引起渗漏等问题，严重影响构筑物服役功能。由于现代混凝土高胶凝材料用量与低水胶比，使得胶凝材料水化作用导致的内部干燥会引起较大自收缩，且这种自收缩变形在混凝土早龄期发展很快[7-8]。研究发现[7]，混凝土1 d龄期时的自收缩值占28 d自收缩值的35%，3 d龄期时的自收缩值甚至占28 d自收缩值的60%。因此，对于混凝土早龄期力学性能及自收缩变形的研究显得尤为重要。

国内外学者针对掺混合料膨胀混凝土早龄期变形及力学性能进行了较深入的研究。Xu等[9]对不同养护温度下大掺量粉煤灰和矿粉混凝土早龄期水化过程和力学性能进行了研究，结果表明，粉煤灰和矿粉掺入后，其稀释作用和填充作用加速了水泥早期水化，而混凝土早龄期强度发展情况则需考虑混合料的水化进程来修正其活化能。谢彪等[10]的研究表明，膨胀效能可评判补偿收缩混凝土的膨胀性能，且矿物掺合料对补偿收缩混凝土膨胀效能的发挥影响显著，当下急需完善不同种类矿物掺合料作用机理方面的研究，特别是对混凝土不同阶段收缩影响机理的研究。李红梅等[11]对不同膨胀剂掺量及不同龄期时混凝土的弹性模量进行了试验研究，结果表明，膨胀混凝土早龄期的弹性模量较低，28 d后弹性模量逐步赶上并超过基准混凝土，膨胀剂的适宜掺量为10%。

综上所述，尽管当前对膨胀混凝土力学性能及变形进行了大量研究，但对粉煤灰、矿粉等混合料与膨胀剂复掺时混凝土变形及力学性能的研究尚少，仍没有较系统地研究不同种类混合料作用下对膨胀混凝土强度、弹模及变形的影响，且对于科学评价矿物掺合料与膨胀剂间适应性等方面还需深入分析。尤其是膨胀混凝土早龄期阶段，水泥快速水化，混凝土强度快速增长，其力学性能和内部微观结构都相应发生较大变化，故仍需对其力学性能及变形的影响因素与变化过程进行更精细、系统的研究。本文在单掺粉煤灰、矿粉及复掺粉煤灰、矿粉条件下，研究了膨胀混凝土早龄期力学性能及变形的影响因素，完善混凝土膨胀性能的调控机制，以期丰富有效提高膨胀混凝土早龄期性能的方法，为膨胀混凝土在各种工程中的应用和发展提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥（C）：海螺水泥有限公司产，P·O42.5，标准稠度用水量27.6%，3、28 d抗折强度分别为6.7、9.0 MPa，3、28 d抗压强度分别为34.2、54.9 MPa，主要化学成分见表1。

（2）粉煤灰（FA）：南京热电厂，Ⅰ级，密度2.35 g/cm3，比表面积516 m2/kg，烧失量1.12%，细度8.9%，主要化学成分见表1。

（3）矿粉（SL）：江南粉磨公司，S95级，密度2.82 g/cm3，比表面积411 m2/kg，烧失量1.12%，主要化学成分见表1。

（4）膨胀剂（EA）：江苏苏博特新材料股份有限公司产HME-Ⅴ混凝土高效膨胀剂，为氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型要求，主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

（5）砂（S）：南京地区河砂，细度模数2.60，含泥量0.43%。

（6）石（G）：江苏句容产玄武岩碎石，由5～10 mm小石（G1）和10～20 mm大石（G2）按质量比4∶6混合使用，表观密度2933 kg/m3。

（7）减水剂（AD）：江苏苏博特新材料股份有限公司产PCA-Ⅶ聚羧酸高效减水剂，固含量40%，掺量为1%时减水率为35%。

（8）水（W）：自来水。

1.2 试验配合比设计

本文主要探讨矿物掺合料对膨胀混凝土早龄期力学性能及变形的影响规律，选取纯水泥体系膨胀混凝土、单掺30%粉煤灰膨胀混凝土、单掺30%矿粉膨胀混凝土及复掺20%粉煤灰+20%矿粉膨胀混凝土为研究对象，制备水胶比0.38、砂率40%的C40膨胀混凝土，并与未掺膨胀剂的普通混凝土进行对比。试验中，膨胀剂掺量选取时，如膨胀剂掺量较少则难以满足混凝土抗裂性需求，若掺量较大，则又要考虑材料成本和结构安全性等的要求。因此，考虑到经济性及膨胀剂性能改善的双重效益，并借鉴已有文献的相关经验[12-13]，在符合GB J50119—2003《混凝土膨胀剂应用技术规范》中膨胀剂掺量要求的前提下，本试验选择混凝土膨胀剂掺量为8%进行，考察混凝土2、3、7、28 d龄期力学性能和变形特性的影响因素。混凝土具体配合比如表2所示。

表2 试验混凝土的配合比

1.3 试验方法

（1）抗压、劈裂抗拉强度：参照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为100mm×100 mm×100 mm。

（2）静弹性模量：参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。

（3）动弹性模量：参照GB/T 50082—2009进行测试，试件尺寸为100mm×100 mm×400 m。

（4）自生体积变形：参照DB32/T 3696—2019《江苏省高性能混凝土应用技术规程》进行，采用内衬为3 mm厚的聚四氟乙烯管材作为试验模具，并在其底座安置底板，模具内径Φ98 mm，净高度380 mm。混凝土成型后倒入四氟乙烯管材中，初凝前在其顶部放入测量探头，并在顶部用石蜡密封，以终凝为测试零点进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 膨胀混凝土的抗压强度（见图1）

由图1可见，对于普通混凝土，不掺矿物掺合料的普通混凝土早龄期抗压强度均较高，随着矿物掺合料的掺入，混凝土早龄期抗压强度有所降低；对于膨胀混凝土，2 d龄期时不掺矿物掺合料的膨胀混凝土抗压强度最高，其余测试龄期均为单掺矿粉的膨胀混凝土抗压强度最高。对比普通混凝土与膨胀混凝土可以发现，膨胀混凝土在掺入粉煤灰、矿粉后，其2、3、7 d早龄期抗压强度普遍略高于不掺膨胀剂的同配比普通混凝土，抗压强度提高了6%～17%；但28 d龄期时，膨胀混凝土的抗压强度反而较低。这是由于在早龄期，膨胀剂在使混凝土膨胀的同时还可填充孔隙，使混凝土更加致密，抗压强度得到提高；但随着龄期的延长，粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的火山灰效应，二次水化反应等对混凝土的抗压强度有更好的增强作用，因而膨胀混凝土的抗压强度与之相比降低。并且，在掺入矿物掺合料及膨胀剂后，复掺粉煤灰、矿粉的膨胀混凝土抗压强度最低，单掺矿粉的膨胀混凝土抗压强度较高。

2.2 膨胀混凝土的劈裂抗拉强度（见图2）

由图2可见，与不掺膨胀剂的普通混凝土相比，膨胀混凝土早龄期劈裂抗拉强度普遍较低且降幅显著。Ea8、Fa30Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8的7 d劈裂抗拉强度与同配比普通混凝土C、Fa30、Sl30及Fa20Sl20相比分别降低了27.2%、42.7%、27.1%、38.2%。但28d龄期时，同配比膨胀混凝土与普通混凝土的劈裂抗拉强度已相差很小。由此可见，膨胀剂的掺入对混凝土早龄期劈裂抗拉强度有所影响，但随龄期的延长，至28 d时对混凝土劈裂抗拉强度的影响已可忽略不计。此外，在掺入矿物掺合料及膨胀剂后，除纯水泥体系膨胀混凝土外，掺矿粉膨胀混凝土的劈裂抗拉强度增长最快，不掺膨胀剂时掺矿粉混凝土的劈裂抗拉强度反而较低。

2.3 膨胀混凝土的静弹性模量（见表3）

表3 膨胀混凝土及普通混凝土的静弹性模量

由表3可见，与不掺膨胀剂的普通混凝土相比，除纯水泥体系对比组外，其它几组掺矿物掺合料膨胀混凝土的7d、28d静弹性模量均显著降低。而纯水泥体系膨胀混凝土与不掺膨胀剂纯水泥体系普通混凝土的静弹性模量相差不大，28 d龄期时掺膨胀剂混凝土静弹性模量相对较小一些。可以看出，掺入膨胀剂后混凝土的静弹性模量普遍下降，且降幅较大。

2.4 膨胀混凝土的动弹性模量（见图3）

由图3可见，混凝土的动弹性模量随着龄期的延长而逐渐增大，且早龄期时动弹性模量增长速率较快，7～10 d龄期后动弹性模量增幅逐渐减小，后趋于平稳。普通混凝土与膨胀混凝土的动弹性模量相差较小。具体而言，掺膨胀剂后混凝土动弹性模量相对较小，Ea8、Fa30Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8的28 d动弹性模量与同配比普通混凝土C、Fa30、Sl30及Fa20Sl20相比分别降低了1.9、1.7、7.3、1.5GPa。并且，在掺加膨胀剂后，掺矿粉膨胀混凝土的动弹性模量增幅明显，而不掺膨胀剂时，纯水泥体系混凝土动弹性模量相对较大。

2.5 膨胀混凝土的自收缩试验研究

对膨胀混凝土以及纯水泥体系普通混凝土进行28 d龄期自收缩试验，结果如图4所示。

由图4可见，纯水泥体系普通混凝土在28 d龄期内表现为持续收缩，28 d时自收缩变形约为120με；Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8自生体积变形经历了先膨胀后收缩的过程，分别在10、12、14 d时达到最大膨胀变形，膨胀值分别为142 με、222με、315με，可有效存储预压应力，补偿混凝土各类收缩，随后混凝土开始收缩，但收缩速率缓慢；Fa30Ea8则表现为持续膨胀，28d时膨胀变形已达到359με。由此可见，膨胀剂中膨胀组分的掺入可使混凝土产生显著的早期自生体积膨胀，有利于结构混凝土抗裂性能的提高。对比在膨胀混凝土中掺入粉煤灰、矿粉可以发现，掺矿粉的膨胀混凝土膨胀变形与掺粉煤灰的相比明显较小，说明矿粉的掺入易增大混凝土自收缩，使膨胀剂中膨胀组分的作用降低。因此，在对于混凝土抗裂性要求较高时，宜优先采用不含矿粉的混凝土配合比。

3 结论

（1）膨胀混凝土早龄期时由于膨胀剂的填充孔隙作用，与不掺膨胀剂的普通混凝土相比抗压强度较高，而其早龄期的劈裂抗拉强度则较低。与不掺膨胀剂时相比，膨胀混凝土早龄期抗压强度提高了6%～17%，而早龄期劈裂抗拉强度则降低了27%～42%，但至28 d龄期时对混凝土力学性能影响很小。

（2）膨胀混凝土早龄期弹性模量随着龄期的延长而逐渐增大，早龄期时增长速率很快，随龄期的延长，弹性模量增长速率慢慢趋于平缓。并且，在掺入膨胀剂后混凝土弹性模量普遍下降，与不掺膨胀剂时相比，膨胀混凝土28 d龄期动弹性模量降低了1.5～7.3 GPa。

（3）Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8膨胀混凝土早龄期自生体积变形在掺加膨胀剂后，经历了先膨胀后收缩的过程，并在其早龄期能有较大的膨胀变形存储以补偿混凝土收缩，早龄期膨胀混凝土最大膨胀变形可达到142με～315με，有利于结构混凝土抗裂性能的提高。此外，掺入矿粉时将显著增大混凝土自收缩，使膨胀混凝土中膨胀组分的作用下降。