掺合料对混凝土自收缩性能的影响研究

2023-03-28周旭肖

广东建材 2023年2期

周旭肖

（1 中交一公局厦门工程有限公司；2 中交绿建（厦门）科技有限公司）

0 引言

我国是世界上建设规模最大的国家之一，混凝土的使用量非常大。虽然混凝土极大促进了建筑工程行业的发展，但水泥作为混凝土主要传统原材料，其生产过程给环境带来极大的资源消耗，以及加大了二氧化碳排放，不利于环境保护，因此，为了更好地走绿色可持续发展道路，国家鼓励将矿物掺合料应用于混凝土中。矿物掺合料作为胶凝材料取代水泥，可以降低水泥用量，减少水化热，促进二次水化，改善混凝土工作性，提高耐久性等，既可以有效提高废弃物利用率，又使得混凝土材料性能有所提高。

目前，粉煤灰和矿渣粉的应用技术已相对成熟，但随着建设规模的增加，出现了供不应求的现象，而因受制于技术，我国石灰石粉在混凝土中的利用率极低。如果可以将质量合格的石灰石粉大范围在混凝土中推广应用，不仅可以有效缓解粉煤灰和矿渣粉供应不足的问题，还可以解决废弃石灰石粉堆积引起的环境污染问题。虽然掺石灰石粉的混凝土的基本性能研究成果较多，但是关于复掺石灰石粉、粉煤灰和矿渣对混凝土的收缩性能影响的研究相对较少，这也就阻碍了多掺复合石灰石粉混凝土的推广应用。因此，有必要开展复掺石灰石粉、粉煤灰和矿渣混凝土的收缩性能，揭示水胶比、矿物掺合料等因素对复合石灰石粉混凝土收缩性能影响规律，为复合石灰石粉混凝土的实际推广应用提供一定的技术参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：选用江西万年青P.042.5 水泥，其物理性能指标见表1。

表1 江西万年青P.O42.5水泥物理性能指标

石灰石粉：选用江西石灰石粉，钙含量≥70%，比表面积为650m2/kg，

粉煤灰：选用Ⅱ级粉煤灰，其性能指标均满足规范要求，28d活性指数81%。

矿渣粉：选用S95 级，比表面积为392m2/kg，28d 抗压强度比98%。

骨料：采用级配范围为5～31.5mm 的碎石，以及细度模数2.82的机制砂。

外加剂：选用江西混凝土创高性能聚羧酸减水剂，其性能指标均满足规范要求。

水：普通饮用水。

1.2 试验方法

混凝土自收缩性能和干燥收缩性能试验根据GB 50082-2009《普通混凝土长期性性能与耐久性能试验方法标准》规定进行。自收缩试验采用非接触方法，测试初始零点为混凝土初凝时间，测取 0～72h 的自收缩变形。

2 试验设计

试验主要是研究不同水胶比、矿物掺合料对复合石灰石粉混凝土自收缩的影响规律，设计水胶比分别为（0.48、0.43、0.38、0.33），掺合料分别控制两个掺量，石灰石粉（L）控制掺量为0、20%，粉煤灰（F）控制掺量为0、15%，矿渣（S）控制掺量为0、15%。详细配合比见表2。

表2 试验详细配合比

3 结果分析

3.1 水胶比对自收缩性能的影响规律

为了便于分析，研究对比掺合料取代比例相同时，不同水胶比对混凝土自收缩率的影响，选取龄期为3h、8h、12h、24h、72h 时的数据为特征值，研究自收缩率及相对增长率，试验数据见表3。

从表3 可知，混凝土的的自收缩率在72h 内的变化规律为先快速，后平缓。

表3 不同水胶比混凝土自收缩率及相对增长率

试件类型为F0S0L0的基准混凝土，其自收缩率随水胶比变小而增大，水胶比为0.48 时，其自收缩率最小。相较于水胶比为0.48自收缩率，水胶比为0.43时，龄期为3h 的自收缩率相对增长率最大，达到了68.6%，龄期为12h、24h、72h 时，其自收缩率相对增长率分别为13.0%、18.4%、17.6%、13.6%，相对于3h 的自收缩率相对增长率较为平缓；水胶比为0.38 时，8h 时混凝土的自收缩率相对增长率仅为2.5%，3h、24h、72h时则在25%～45%之间，8h 时混凝土的自收缩率相对增长率最小；水胶比为0.33 时，混凝土的自收缩率最大，并且在24h 之后，其相对增长率仍处在30%～45%之间，增长较大。

对于掺加矿物掺合料的混凝土，一方面，同样存在自收缩率随水胶比变小而增大的规律，水胶比为0.48时自收缩率最小，水胶比为0.33 时自收缩率最大；另一方面，整体自收缩率比无掺合料F0S0L0的要小。对于F0S15L20试验组，以水胶比为0.48 的试件为对比，水胶比为0.43 和0.38 时，龄期为8h、12h、24h 时自收缩率相对增长率均为负增长，72h 时开始出现正增长；水胶比为0.33 时，不同龄期的收缩率比对照组分别增加了16.6%、4.5%、15.5%、17.4%、26.7%。对于F15S15L20试验组，以水胶比为0.48 的试件为对比，其他水胶比试件在龄期24h 前，其自收缩率相对增长率较大，最高达到了95.5%。

综上所述，混凝土自收缩率随水胶比变小而增大。这是由于胶凝材料与毛细孔中的游离水发生水化反应，游离水变成了化学结合水，促使混凝土内部产生自干燥效应，产生自收缩应力。水胶比越小，游离水越少，自干燥效应越明显。从配合比角度分析，一方面，水胶比越低，单位体积中的水泥占比就越大，发生水化反应的水泥就越多，而水化产物相较于水泥本身，体积较小，这就导致了宏观上混凝土体积发生收缩的现象，这也是收缩率随水胶比变小而增大的原因；另一方面，从孔结构分析，水胶比越低，混凝土内部的孔洞就越密实，毛细孔孔径越小，当毛细孔中的水分减少时，毛细孔产生的负压越大，进一步促使混凝土的收缩增大。

3.2 矿物掺合料对自收缩性能的影响规律

为了便于分析，研究同水胶比下不同矿物掺合料比例对混凝土自收缩率的影响，选取龄期为3h、8h、12h、24h、72h 时的数据为特征值，研究自收缩率及相对增长率，试验数据见表4：

由表4 可以看出，基准混凝土和掺矿物掺合料的混凝土的自收缩率在72h 内的变化规律均为先快速，后平缓。

水胶比为0.48 时，以基准混凝土F0S0L0为对比，F0S15L20试验组（掺石灰石粉和矿渣）的自收缩率较低，其中，在龄期8h～24h 时，自收缩率相对增长率为-2%～-7%之间，72h 时达到最大值为-18.6%；对于F15S15L20试验组（掺石灰石粉、粉煤灰和矿渣），其自收缩率最小，龄期为3h、8h、12h、24h、72h 时自收缩率相对增长率在-20%～-46%范围内，其中，在8h、12h 时达到-45%左右。水胶比为0.43、0.38、0.33 时，自收缩发展规律与水胶比为0.48 时相类似，整体规律为：掺加矿物掺合料的混凝土自收缩要比基准混凝土小，且三掺混凝土F15S15L20（掺石灰石粉、粉煤灰和矿渣）的自收缩小于双掺混凝土F0S15L20（掺石灰石粉和矿渣）。

综上所述，矿物掺合料可以起到抑制混凝土自收缩性能的作用。粉煤灰和矿渣粉能够抑制混凝土自收缩的研究已经很多[1]，这里不再阐述。对于石灰石粉，一方面，石灰石粉的表面较为光滑，需水量较小，可以使整个混凝土体系中的游离水相对较多，从而降低了自收缩；另一方面，石灰石粉主要成分为CaCO3，水泥中的C3A与CaCO3反应生成的产物体积有所增大，可以起到一定的膨胀补偿收缩[2]。此外，掺石灰石粉、粉煤灰和矿渣的混凝土自收缩最小，这是因为矿渣、石灰石粉和粉煤灰的活性均较低，基本上不参与早期水化反应，在早期72h 内仅起到惰性填充作用，所以混凝土的自收缩性能：F15S15L20＞F0S15L20＞F0S0L0。