不同强度膨胀混凝土早期变形及力学性能研究

黎承维

（广东建科源胜工程检测有限公司 广东东莞 523710）

0 引言

混凝土收缩徐变产生变形裂缝制约着混凝土的发展，为解决这一难题，用膨胀剂配制膨胀混凝土是补偿混凝土收缩重要的措施之一［1-3］。在混凝土中掺入适量膨胀剂能有效改善内部结构，影响胶凝材料流动性［4-5］。与传统混凝土相比，膨胀混凝土能形成体积膨胀，有效减少水化产物与骨料间的粘结裂缝，减小混凝土早期收缩［6-8］。研究表明［9-11］，适量膨胀剂的掺入能有效提高混凝土强度，加入10%膨胀剂的混凝土强度能提高5%～9%。为探究膨胀剂对不同强度混凝土早期变形及力学性能的影响，本文采用10%膨胀剂等量替代水泥，系统地测试膨胀剂对不同强度早期变形及力学性能的影响规律。

1 原材料及配合比

本研究采用42.5R 水泥，表观密度为3.12 g/cm3，28 d 抗折强度为6.5 MPa，28 d 抗压强度为47.5 MPa。膨胀剂采用UEA 型，表观密度为3.20g/cm3，主要成分为氧化钙（CaO）、石英（SiO2）、氧化铝（Al2O3）。水泥与膨胀剂的氧化物分析如表1所示。细骨料为天然河砂，表观密度为2.63 g/cm3，细度模数为2.6。粗骨料采用破碎玄武岩，表观密度为2.63 g/cm3，最大粒径20 mm。超细骨料采用硅粉，SiO2含量99.87%，表观密度为2.30 g/cm3。减水剂采用减水效率为35%的聚羧酸型高效减水剂。

表1 水泥及膨胀剂氧化物分析（质量百分数）Tab.1 Cement and Expander Oxide Analysis （wt%）

为研究10%膨胀剂掺量对不同强度混凝土早期变形及力学性能的影响，开展6组试验研究，水胶比分别为0.60、0.31、0.22，砂率为40%，参照《普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55—2011》［12］进行混凝土配合比设计，如表2所示。

表2 试验配合比Tab.2 Test the Mix Ratio

2 试验方法

2.1 混凝土抗压强度试验

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准：GB/T 50081—2019》［13］进行试件制作、养护及抗压强度试验，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。试验过程中均匀加载，加载速率根据不同强度混凝土设置，速率范围0.3 MPa/s～1.0 MPa/s。

2.2 混凝土早期变形试验

本试验所用到竖向膨胀率测定仪如图1所示。试验前应在水平基础上平放早期竖向膨胀率测定仪，拌合料搅拌后立即装模，从玻璃盖板的一侧灌入，装模结束后在玻璃盖板的两侧抹出斜坡，斜坡顶面与玻璃盖板齐高，斜坡制作完毕将百分表垂直压在玻璃盖板上，并在30 s 内读取百分表读数。测定百分表初始读数后每隔2 h 在斜坡表面浇水润湿，连续4 次，之后每隔4 h 浇水润湿1 次，直到28 d 龄期，测定膨胀混凝土在28 d内的变形规律。

图1 竖向膨胀率测定仪Fig.1 Expansion Rate Tester

3 试验结果与分析

3.1 膨胀剂对不同强度混凝土抗压强度影响

由表3 可以看出在不同强度混凝土中掺入10%膨胀剂后，7 d 抗压强度和28 d 强度较不掺膨胀剂的基准混凝土均有所提高。对于掺入膨胀剂后的混凝土而言，膨胀剂对不同水胶比的混凝土影响规律不同，膨胀剂对水胶比为0.60 的混凝土7 d 强度提高了5.5%，28 d 强度提高了5.0%；对水胶比为0.31 的混凝土7d 强度提高了8.1%，28 d 强度提高了8.8%，对水胶比为0.22 的混凝土7 d 强度提高了5.0%，28 d 强度提高了5.2%。试验表明：膨胀剂对水胶比为0.31的混凝土强度影响较大，水胶比为0.60 与0.22 的混凝土强度提升并不明显。这是由于膨胀剂的水化机理影响，UEA 型膨胀剂在混凝土中需要吸收水分进行水化反应，膨胀剂水化反应产生的水化产物（钙矾石）填充混凝土内部孔隙，使混凝土内部结构排列更加紧密，从而提高混凝土强度。

表3 混凝土抗压强度Fig.3 Compressive Strength of Concrete （MPa）

水胶比为0.60 的混凝土内部水分含量较多，但由于膨胀剂用量占比较少，因此对混凝土抗压强度提高并不明显。相对地，水胶比为0.22 的混凝土胶凝材料用量、膨胀剂用量较大，但由于用水量的影响，混凝土内部水分含量不能让膨胀剂充分水化，从而膨胀剂对混凝土的抗压强度提升表现不明显。这说明，膨胀剂需要吸收水分进行水化，当混凝土含水量能使膨胀剂充分水化时，能有效提高混凝土抗压强度。

3.2 膨胀剂对不同强度混凝土早期变形影响

对膨胀混凝土及不掺膨胀剂混凝土进行28 d 早期变形测量试验，结果如图2所示。

图2 混凝土早期变形Fig.2 Early Deformation of Concrete

基于图2 可以发现，不掺膨胀剂混凝土早期变形均呈现体积收缩，水胶比越大，混凝土体积收缩越大。掺入膨胀剂后，混凝土早期变形发生改变，能补偿自身体积收缩，产生体积膨胀，水胶比过大及过小都影响膨胀混凝土的体积膨胀。随着混凝土龄期的增加，不掺膨胀剂的混凝土自身收缩将趋于稳定，不同水胶比收缩量不同，收缩量可达到150 με～250 με，而膨胀混凝土的体积膨胀主要发生在混凝土成型后2 d 内，在成型后10 d 基本趋于稳定，MEAC1、MEAC2、MEAC3在28 d时膨胀值分别达到了约410 με、670 με、400 με。由此可见，膨胀剂的加入不仅让混凝土产生了体积膨胀，膨胀量能克服混凝土自身收缩变形。

4 结论

本研究采用膨胀剂等质量替代混凝土中的水泥，开展了混凝土抗压强度试验及混凝土早期变形测量试验，通过对试验结果的分析可知：

⑴适量膨胀剂的掺入能有效改善混凝土内部结构，膨胀剂水化产物能填充混凝土内部孔隙，混凝土强度提高5%～9%。

⑵膨胀剂水化反应需要大量水分，混凝土中含水量大小影响膨胀剂水化反应。

⑶膨胀剂的掺入能补偿混凝土早期收缩，产生体积膨胀，在混凝土成型后10 d体积膨胀趋于稳定。