膨脹劑復(fù)合及養(yǎng)護(hù)對(duì)自密實(shí)混凝土收縮的影響

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

  【關(guān)鍵詞】自密實(shí)混凝土；收縮性能；膨脹劑復(fù)合方式；養(yǎng)護(hù)條件

  0 引言

  自密實(shí)混凝土作為一種新型建筑材料，因其施工便利及對(duì)結(jié)構(gòu)截面適應(yīng)性強(qiáng)，在橋梁工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但同時(shí)自密實(shí)混凝土也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)-混凝土結(jié)構(gòu)開裂。自密實(shí)混凝土材料組成特點(diǎn)是膠凝材料用量大且細(xì)粉料顆粒多、水膠比小[1]，因此，自密實(shí)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(duì)擴(kuò)大自密實(shí)混凝土應(yīng)用范圍，有著重要的實(shí)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(xì)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(bǔ)償水泥石的干縮，從而控制水泥石收縮程度，達(dá)到減小收縮、提高抗裂的目的。但是，實(shí)際應(yīng)用過程，收縮開裂問題仍不斷出現(xiàn)，試驗(yàn)室的技術(shù)措施在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)養(yǎng)護(hù)條件的差異所致^[2-4]。

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

  1 原材料和試驗(yàn)方法

  1.1原材料

  水泥：南方水泥P·O 42.5級(jí)水泥，28 d實(shí)測(cè)強(qiáng)度49.6 MPa，密度3140kg/m³。

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

  砂：河砂，細(xì)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(jí)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(yàn)方法

  混凝土收縮試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》^[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(zhǎng)儀測(cè)定試件成型至養(yǎng)護(hù)60 d齡期時(shí)的收縮率。試件尺寸100mm×100mm×515mm，試件兩端埋有銅制測(cè)頭，試件成型條件及測(cè)試過程按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。

  1.3養(yǎng)護(hù)條件

  試件成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d，然后從養(yǎng)護(hù)室取出，立即在恒溫恒濕室測(cè)試其初始長(zhǎng)度，在此設(shè)計(jì)三種養(yǎng)護(hù)制度，即水中養(yǎng)護(hù)、室內(nèi)澆水養(yǎng)護(hù)(每天澆三次水)及室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)(不澆水)，按下列時(shí)間間隔測(cè)量其變形計(jì)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(jì)算：

  ε_st-試驗(yàn)期為t(d)的混凝土收縮率，t從測(cè)定初始長(zhǎng)度時(shí)算起；

  L_b-試件的測(cè)量標(biāo)距；

  L₀-試件長(zhǎng)度的初始讀數(shù)，mm ；

  L_t-試件在試驗(yàn)期為t(d)時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度計(jì)數(shù)，mm。

  1.4混凝土試驗(yàn)配合比

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

  2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

  2.1水養(yǎng)護(hù)條件下膨脹劑復(fù)合方式對(duì)試件收縮性能的影響

  水養(yǎng)護(hù)條件下的自密實(shí)混凝土的收縮試驗(yàn)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(yàn)期3d時(shí)均表現(xiàn)為微膨脹特性，在試驗(yàn)期14d后膨脹性能趨于穩(wěn)定。同時(shí)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(qiáng)作用顯著增加，當(dāng)摻量為40%時(shí)，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(yàn)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(yàn)期2-3 d時(shí)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(shí)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(qiáng)度降低有關(guān)^[7]，當(dāng)混凝土膨脹和強(qiáng)度發(fā)展能夠協(xié)調(diào)進(jìn)行時(shí)，混凝土內(nèi)的膨脹劑的膨脹作用最大^[8]。從試驗(yàn)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(shí)膨脹變形己達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定。

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  2.2澆水養(yǎng)護(hù)下膨脹劑復(fù)合方式對(duì)試件收縮性能的影響

  從試驗(yàn)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(duì)較小，并且從圖中可以看到礦物摻合料的引入對(duì)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(hù)條件下，混凝土水分補(bǔ)充不及時(shí)，使得膨脹劑及膨脹劑一礦物摻合料復(fù)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(bǔ)償了部分水泥石收縮，達(dá)到改善混凝土試件收縮性能的目的。

  2.3自然養(yǎng)護(hù)下膨脹劑復(fù)合方式對(duì)試件收縮性能的影響

  與澆水養(yǎng)護(hù)條件下一樣，自然養(yǎng)護(hù)條件下自密實(shí)混凝土一直處于收縮狀態(tài)。礦物摻合料的摻入對(duì)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(gè)最優(yōu)摻量值，由圖3可知礦物摻合料摻量為30%與40%時(shí)，曲線規(guī)律基本一致，也就是說，當(dāng)?shù)V物摻合料摻量達(dá)一定值時(shí)，再增加摻合料對(duì)混凝土收縮的抑制作用基本不變，甚至可能會(huì)增加收縮，這一點(diǎn)與澆水養(yǎng)護(hù)制度的收縮發(fā)展規(guī)律不同。所以對(duì)于自然養(yǎng)護(hù)尤其是現(xiàn)場(chǎng)條件下，礦物摻合料摻量應(yīng)更為慎重，避免摻量過大導(dǎo)致收縮增加的現(xiàn)象。

  另外從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上可以看到礦物摻合料對(duì)摻有膨脹劑的混凝土收縮影響較前兩種養(yǎng)護(hù)條件要小得多，試驗(yàn)結(jié)果表明，不澆水情況下，在早期礦物摻合料對(duì)摻有膨脹劑的混凝土收縮影響很小，直到試驗(yàn)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(rèn)為鈣礬石在形成時(shí)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(shí)膨脹性能較高。而在堿度偏低時(shí)，鈣礬石以單個(gè)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(huì)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(duì)混凝土膨脹造成不利影響，相關(guān)理論及機(jī)理研究有待進(jìn)一步深入展開。

  3 結(jié)論

  (1) 膨脹劑與礦物摻合料的復(fù)合方式顯著影響摻有自密實(shí)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(dāng)增加礦物摻合料的摻量，有利于改善自密實(shí)混凝土的收縮特性。

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

  (3) 澆水養(yǎng)護(hù)與自然養(yǎng)護(hù)條件下，自密實(shí)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(hù)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(yàn)條件下，礦物摻合料摻量最優(yōu)摻量為30%，超出此摻量時(shí)，混凝土收縮增加，實(shí)際應(yīng)用中，養(yǎng)護(hù)條件比較接近自然養(yǎng)護(hù)，因此對(duì)礦物摻合料的摻量要進(jìn)行嚴(yán)格控制。

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