UEA膨胀剂替代早强剂配制低温超早强混凝土

宋超，马淑琴，师华

（中交二航局六分公司，湖北 武汉 430070）

建筑行业的迅速发展、建筑材料的应用环境和施工条件愈加严苛，对混凝土提出了新的要求，各种高性能混凝土随之应运而生，例如，低温超早强混凝土、补偿收缩混凝土等。其中，低温超早强混凝土要求混凝土3 d强度达到设计强度的90%～100%[1]，7 d强度达到设计强度的100%，主要适用于低温下对混凝土早期强度要求较高的工程部位。目前，世界各国配制超早强混凝土的方法可以归结为以下3种[2]：（1）利用快硬早强型特种水泥；（2）使用早强剂及多种外加剂；（3）掺加特种矿物掺合料。在美国普遍采用快硬性水泥等特种水泥，在国内由于特种水泥生产厂家较少，购买困难，主要通过掺加早强剂。由于早强剂品种不一，虽然可以提高混凝土的早期强度，但对后期强度无贡献，同时加剧混凝土收缩开裂，影响混凝土的耐久性，另外，部分品种早强剂还可能导致混凝土的后期强度倒缩和腐蚀钢筋，效果不尽人意。此外，由于水泥水化受温度影响较大，冬季施工温度较低，可能导致掺加早强剂后混凝土的早期强度偏低。

膨胀剂在国内已有30多年的历史，主要应用于配制补偿收缩混凝土，降低混凝土收缩率，减少干缩裂缝，提高混凝土的耐久性[3-4]。膨胀剂与水泥作用过程中生成钙矾石，产生适量的膨胀，在钢筋等限制约束下产生0.2～0.7 MPa的自应力，补偿混凝土自身的收缩应力，有利于提高混凝土的密实性，从而提高混凝土的强度。基于对混凝土体积稳定性的考虑，日本在制定New RC高性能混凝土指南中，将钙矾石等膨胀剂加入到掺合料中，并明确指出混凝土的抗压强度提高15%[5]。

我国西北地区干燥、寒冷，特别是冬季施工温度非常低（0～5℃），甚至可能出现负温，对于混凝土的强度发展、耐久性等不利，加之早强剂本身存在的一定局限性，试验研究采用UEA-Z型膨胀剂替代早强剂来提高冬季混凝土的早期强度。

1 膨胀剂应用原理

膨胀剂的主要矿物组成为C4A3S、CaSO4、CaO等，可与硅酸盐水泥发生如下反应：

前2个水化反应的固相体积膨胀增量为70.6%，第3个水化反应固相体积膨胀增量为118.4%。

膨胀剂主要是提供生成钙矾石的活性CaO，减少水泥水化Ca（OH）2的消耗量，维持混凝土的高碱度，而水泥主要提供C3A，促进膨胀剂的早期膨胀。掺加膨胀剂细化了混凝土内部孔结构，降低有害孔数量和联通孔隙率，提高混凝土的密实性，进而提高混凝土的强度和耐久性。

2 试验

2.1 原材料

水泥：永登祁连山水泥厂生产的P·Ⅱ52.5水泥；细集料：华凯河湾砂厂生产的河砂，细度模数为2.8；粗集料：永靖县天熙采石厂5～20 mm连续级配碎石；拌合水：黄河净化水；粉煤灰：兰州万科源有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰；减水剂：上海华登建材有限公司的聚羧酸系高性能减水剂；膨胀剂：兰州吉盛化学建材有限公司的UEA型膨胀剂。

2.2 试验方法

参照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》测试混凝土的立方体抗压强度，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》测试混凝土的抗渗和干缩性能。

3 试验结果与讨论

3.1 膨胀剂掺量对水泥胶砂强度的影响

不同膨胀剂掺量水泥胶砂的配合比及抗压强度测试结果见表1。

由表1可见，随着龄期的延长，试件的抗压强度逐渐提高。7 d时，随着膨胀剂掺量的增加，胶砂试件的抗压强度逐渐提高，膨胀剂掺量为6%和8%的试件强度明显高于空白组，而掺加膨胀剂掺量为12%的试件抗压强度有所下降。膨胀剂的膨胀作用最主要是发生于早期，28 d和56 d均呈现相同的趋势。从整体上来看，膨胀剂掺量较低（6%～8%）时，各个龄期的试件抗压强度均高于空白组；当膨胀剂掺量较高（12%）时，试件抗压强度降低。因此，配制超高强度的混凝土宜采用低掺量膨胀剂。

表1 不同膨胀剂掺量时水泥胶砂的配合比和抗压强度

3.2 膨胀剂掺量对低温超早强混凝土强度的影响

不同膨胀剂掺量的低温超早强混凝土配合比见表2，混凝土的坍落度和抗压强度见表3。

表2 不同膨胀剂掺量时低温超早强混凝土的配合比

表3 不同膨胀剂掺量时混凝土的坍落度和抗压强度

由表3可见，随着龄期的延长，混凝土的抗压强度逐渐提高。随着膨胀剂掺量的增加，混凝土的7 d抗压强度先提高后降低，膨胀剂掺量为6%和8%的混凝土抗压强度明显高于空白组，而膨胀剂掺量为12%的混凝土抗压强度有所下降；28 d呈现相同的趋势。从整体上来看，膨胀剂掺量较低（6%～8%）时，各个龄期的试件抗压强度均高于空白组；当膨胀剂掺量较高（12%）时，试件抗压强度下降。水化初期，掺加膨胀剂细化了混凝土内部孔结构，降低有害孔数量和联通孔隙率，提高混凝土的密实性，进而提高混凝土的强度。随着龄期延长，粉煤灰开始发生二次水化反应，消耗部分Ca（OH）2，填充在钙矾石和集料周围的孔隙中，实现混凝土内部结构的再一次优化，密实性进一步加强，混凝土强度继续提高。

3.3 低温超早强混凝土的耐久性

膨胀剂掺量分别为0和8%的A、M2试件抗渗性能见表4，干燥收缩见图1。

表4 不同膨胀剂掺量时混凝土的抗渗性能

图1 不同膨胀剂掺量时混凝土的干燥收缩性能

由表4可知，M2组的抗渗性要高于A组，主要是由于M2组内掺加膨胀剂和粉煤灰优化混凝土的颗粒级配，密实性增强；另外，膨胀剂水化产生的钙矾石填充在混凝土内部孔隙中，细化孔径结构，降低混凝土的传质能力，混凝土的抗渗性能得到提高。从图1可以看出，M2组的膨胀率要显著高于A组，水化早期M2组与混凝土毛细孔内部水分水化产生钙矾石形成体积微膨胀，膨胀率为正值，随着龄期延长，钙矾石数量逐渐增加，膨胀率逐渐增高；龄期延长，膨胀剂膨胀基本完成，混凝土干燥收缩显著，超过膨胀剂的膨胀性能，混凝土膨胀率降低。A组普通混凝土内部连通性孔隙率较高，混凝土失水作用明显，随着龄期延长，收缩增加，膨胀率表现为负值。表4和图1均反映出，由膨胀剂配制出的混凝土内部结构要优于普通混凝土的内部结构，耐久性良好。

4 工程应用实例

兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道土建工程LY1标项目起讫桩号为K0+000～K3+850，全长3.85 km，其中河口大桥是兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重点桥梁工程，为跨越黄河河口水库而设。河口大桥的横梁采用工字形截面，中心处高2280 mm，端部高2050 mm，翼缘宽700 mm，上翼缘厚度为20 mm，下翼缘厚度为28 mm，腹板厚度为16 mm，横梁标准间距为4 m。故箱梁的湿接缝较长，厚度较薄，方量小，易失水，同时受到兰州地区气候干燥、冬季温度低的影响，易出现微裂缝，导致混凝土的强度不高，因而采用膨胀剂取代早强剂配制出低温超高强混凝土，同时在冬季采用覆盖蓄温养护，混凝土的7 d抗压强度达到设计要求的100%，完全满足工程技术指标。

5 结论

与传统早强剂相比，利用膨胀剂不仅可以配制出满足工程技术指标要求的混凝土；同时可以使混凝土获得良好的耐久性能。采用膨胀剂配制低温超早强混凝土，膨胀剂在低掺量（6%～8%）时，易获得较高的抗压强度；当膨胀剂掺量为8%时，C55混凝土（试样M2）的7 d抗压强度达到59.7 MPa，28 d抗压强度达到66.5 MPa；当水压为2.5 MPa时，渗水高度为5.8 cm；相比普通混凝土具有良好的膨胀率。河口大桥的湿接缝利用膨胀剂型低温超早强混凝土，获得良好的混凝土强度。

[1]张军，张彤，何晓慧，等.超早强混凝土研发及应用[J].混凝土，2005（6）：104-106.

[2]田卿燕，黄政宇.早强混凝土的性能研究[J].混凝土，1998（2）：27-30.

[3]张向军，郑秀夫，叶青.掺超细矿渣和膨胀剂的高性能混凝土试验研究[J].新型建筑材料，2004（7）：20-22.

[4]吴志刚，张翔，宋春香.防渗微膨胀混凝土性能的试验研究[J].新型建筑材料，2012（12）：55-57.

[5]李益进，周士琼，杨明.UEA对水泥砂浆和高性能混凝土性能的影响[J].混凝土，2001（5）：12-15.