膨脹劑復合及養(yǎng)護對自密實混凝土收縮的影響

  【摘 要】研究了膨脹劑復合方式及養(yǎng)護條件對自密實混凝土收縮性能的影響。采用混凝土比長儀測定自密實混凝土收縮性能。結(jié)果表明：膨脹劑與礦物摻合料的復合方式及養(yǎng)護條件顯著影響自密實混凝土的收縮變化規(guī)律。水養(yǎng)護條件下膨脹劑能夠有效發(fā)揮其微膨脹補償收縮作用，礦物摻合料促進了膨脹劑對自密實混凝土的收縮補償作用；澆水養(yǎng)護及自然養(yǎng)護條件下，自密實混凝土未表現(xiàn)出膨脹特性，礦物摻合料的引入對自密實混凝土的收縮有一定的抑制作用；自然養(yǎng)護條件下自密實混凝土的收縮更大，且礦物摻合料的摻量存在臨界值，當摻量大于30%時，對收縮的抑制作用較弱甚至有增加收縮的趨勢。實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量保證濕養(yǎng)護，同時嚴格控制礦物摻合料的用量。

  【關(guān)鍵詞】自密實混凝土；收縮性能；膨脹劑復合方式；養(yǎng)護條件

  0 引言

  自密實混凝土作為一種新型建筑材料，因其施工便利及對結(jié)構(gòu)截面適應(yīng)性強，在橋梁工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但同時自密實混凝土也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)-混凝土結(jié)構(gòu)開裂。自密實混凝土材料組成特點是膠凝材料用量大且細粉料顆粒多、水膠比小[1]，因此，自密實混凝土的收縮較普通混凝土要大得多。如何減小收縮，提高抗裂性，對擴大自密實混凝土應(yīng)用范圍，有著重要的實踐意義。目前常用的解決方法為摻加膨脹劑或減縮劑改善混凝土的收縮特性，通過改變水泥石內(nèi)毛細孔干縮特性來減少收縮及摻加具有微膨脹反應(yīng)的物質(zhì)來補償水泥石的干縮，從而控制水泥石收縮程度，達到減小收縮、提高抗裂的目的。但是，實際應(yīng)用過程，收縮開裂問題仍不斷出現(xiàn)，試驗室的技術(shù)措施在現(xiàn)場應(yīng)用中效果差異較大。分析其原因，主要在于組成材料之間的匹配性及現(xiàn)場養(yǎng)護條件的差異所致^[2-4]。

  因此，本研究通過設(shè)計材料匹配配合比及養(yǎng)護方式，測試自密實混凝土長期收縮性能，得到高抗裂性自密實混凝土配合比及合理養(yǎng)護方式，為其工程應(yīng)用提供技術(shù)措施。

  1 原材料和試驗方法

  1.1原材料

  水泥：南方水泥P·O 42.5級水泥，28 d實測強度49.6 MPa，密度3140kg/m³。

  碎石：粒徑5mm～15 mm連續(xù)級配，堆積密度1580 kg/m³，表觀密度2700 kg/m³。

  砂：河砂，細度模數(shù)2.56，堆積密度1600 kg/m³，表觀密度2680 kg/m³。

  減水劑：HL-聚羧酸系減水劑，減水率25%。

  膨脹劑：南京特建低堿UEA膨脹劑，限制膨脹率0.02%～0.03%。

  粉煤灰：湘潭電廠II級粉煤灰，密度2320 kg/m³，比表面積635 m²/kg。

  礦粉：S95礦粉，密度2900 kg/m³，比表面積426 m²/kg。

  水：飲用水。

  1.2試件成型及試驗方法

  混凝土收縮試驗參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》^[5]及GB 23439-2009《混凝土膨脹劑》^[6]的有關(guān)規(guī)定，采用混凝土自由收縮比長儀測定試件成型至養(yǎng)護60 d齡期時的收縮率。試件尺寸100mm×100mm×515mm，試件兩端埋有銅制測頭，試件成型條件及測試過程按標準要求進行。

  1.3養(yǎng)護條件

  試件成型后標準養(yǎng)護3d，然后從養(yǎng)護室取出，立即在恒溫恒濕室測試其初始長度，在此設(shè)計三種養(yǎng)護制度，即水中養(yǎng)護、室內(nèi)澆水養(yǎng)護(每天澆三次水)及室內(nèi)自然養(yǎng)護(不澆水)，按下列時間間隔測量其變形計數(shù)：1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d、9d、11d、14d、21d、28d、60 d?；炷潦湛s率按下式計算：

  ε_st-試驗期為t(d)的混凝土收縮率，t從測定初始長度時算起；

  L_b-試件的測量標距；

  L₀-試件長度的初始讀數(shù)，mm ；

  L_t-試件在試驗期為t(d)時測得的長度計數(shù)，mm。

  1.4混凝土試驗配合比

  試驗配合比見表1。試驗中礦物摻合料為粉煤灰和礦粉按質(zhì)量比3:2復摻，摻量水平為：0、10%、20%、30%、40%。

  2 試驗結(jié)果與分析

  2.1水養(yǎng)護條件下膨脹劑復合方式對試件收縮性能的影響

  水養(yǎng)護條件下的自密實混凝土的收縮試驗結(jié)果由圖1所示。

  由圖1可知，在水養(yǎng)條件下，所有的試件在試驗期3d時均表現(xiàn)為微膨脹特性，在試驗期14d后膨脹性能趨于穩(wěn)定。同時也可看出，單摻膨脹劑的混凝土試件其膨脹程度最小，礦物摻合料的引入使試件膨脹性能增大，并隨著礦物摻合料摻量的增加，其增強作用顯著增加，當摻量為40%時，60d膨脹值是未摻礦物摻合料試件的1.34倍。這說明礦物摻合料的摻入能夠改善膨脹劑在混凝土中的膨脹作用。

  從圖1 (b)可看出，礦物摻合料摻量的試件在試驗期14d之前與單摻膨脹劑試件規(guī)律基本一致，之后膨脹速率開始大幅度增加，而礦物摻合料摻量的試件則在試驗期2-3 d時就明顯改善含膨脹劑混凝土試件的膨脹率，使早期膨脹變大，使混凝土的變形發(fā)展過程更符合實際工程要求。分析其原因可能與礦物摻合料使混凝土早期強度降低有關(guān)^[7]，當混凝土膨脹和強度發(fā)展能夠協(xié)調(diào)進行時，混凝土內(nèi)的膨脹劑的膨脹作用最大^[8]。從試驗結(jié)果可以看到，摻有礦物摻合料的混凝土在齡期大約為14d時膨脹變形己達到最大并趨于穩(wěn)定。

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  2.2澆水養(yǎng)護下膨脹劑復合方式對試件收縮性能的影響

  從試驗結(jié)果可以看出，試件一直處于收縮狀態(tài)，但混凝土的收縮相對較小，并且從圖中可以看到礦物摻合料的引入對減小混凝土收縮有一定作用。礦物摻合料摻量40%的試件28 d收縮值為單摻膨脹劑試件的77%。

  澆水養(yǎng)護條件下，混凝土水分補充不及時，使得膨脹劑及膨脹劑一礦物摻合料復合體系在水泥水化硬化過程中膨脹性產(chǎn)物形成條件受限，而使膨脹程度受到影響，但礦物摻合料的物理稀釋作用及形態(tài)效應(yīng)使膨脹劑的反應(yīng)條件有所改善，從而在一定程度上發(fā)揮了微膨脹作用補償了部分水泥石收縮，達到改善混凝土試件收縮性能的目的。

  2.3自然養(yǎng)護下膨脹劑復合方式對試件收縮性能的影響

  與澆水養(yǎng)護條件下一樣，自然養(yǎng)護條件下自密實混凝土一直處于收縮狀態(tài)。礦物摻合料的摻入對混凝土收縮有抑制作用，且這種抑制作用與礦物摻合料摻量之間存在一個最優(yōu)摻量值，由圖3可知礦物摻合料摻量為30%與40%時，曲線規(guī)律基本一致，也就是說，當?shù)V物摻合料摻量達一定值時，再增加摻合料對混凝土收縮的抑制作用基本不變，甚至可能會增加收縮，這一點與澆水養(yǎng)護制度的收縮發(fā)展規(guī)律不同。所以對于自然養(yǎng)護尤其是現(xiàn)場條件下，礦物摻合料摻量應(yīng)更為慎重，避免摻量過大導致收縮增加的現(xiàn)象。

  另外從試驗數(shù)據(jù)上可以看到礦物摻合料對摻有膨脹劑的混凝土收縮影響較前兩種養(yǎng)護條件要小得多，試驗結(jié)果表明，不澆水情況下，在早期礦物摻合料對摻有膨脹劑的混凝土收縮影響很小，直到試驗期6d后才表現(xiàn)出較明顯的改善作用。

  根據(jù)Mehta等人^[9]研究認為鈣礬石在形成時的形態(tài)分布與混凝土堿度大小有關(guān)，在高堿度條件下鈣礬石以針狀放射性分布，此時膨脹性能較高。而在堿度偏低時，鈣礬石以單個柱狀形式分布，膨脹性能較差。礦物摻合料因火山灰效應(yīng)會降低混凝土中Ca(OH)₂的含量，從而減小混凝土的堿度，可能對混凝土膨脹造成不利影響，相關(guān)理論及機理研究有待進一步深入展開。

  3 結(jié)論

  (1) 膨脹劑與礦物摻合料的復合方式顯著影響摻有自密實混凝土的收縮特性，影響程度與礦物摻合料的摻量有關(guān)，適當增加礦物摻合料的摻量，有利于改善自密實混凝土的收縮特性。

  (2) 養(yǎng)護條件顯著影響膨脹劑的應(yīng)用效果。水養(yǎng)護條件下膨脹劑能有效發(fā)揮其微膨脹作用，同時水養(yǎng)護條件下膨脹劑一礦物摻合料復合體系對自密實混凝土的收縮補償作用最強，混凝土變形發(fā)展規(guī)律較適宜。

  (3) 澆水養(yǎng)護與自然養(yǎng)護條件下，自密實混凝土均處于收縮狀態(tài)，礦物摻合料的摻入能夠有效降低混凝土收縮，改善混凝土收縮規(guī)律。相比而言，自然養(yǎng)護條件下，混凝土收縮最明顯，且礦物摻合料摻量存在臨界值，本試驗條件下，礦物摻合料摻量最優(yōu)摻量為30%，超出此摻量時，混凝土收縮增加，實際應(yīng)用中，養(yǎng)護條件比較接近自然養(yǎng)護，因此對礦物摻合料的摻量要進行嚴格控制。

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