养护温度和膨胀剂耦合作用对高强混凝土抗压强度的影响

李月霞，祝方平，苗苗

（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2中国建筑第二工程局有限公司，重庆 400020；3重庆大学 材料学院，重庆 400045）

0 引言

随着混凝土技术的迅速发展，高强、超高强混凝土的制备与应用变得越来越普及。但是，与普通混凝土相比，高强混凝土高胶凝材料用量和低水胶比的特点会产生更大的收缩变形和更高的开裂风险。混凝土一旦开裂，其强度和耐久性问题将无法保证。这很大程度上限制了现浇高强混凝土在建设领域的应用[1-3]。

目前，使用膨胀剂或膨胀水泥配制补偿收缩混凝土是降低收缩开裂风险的重要手段之一。补偿收缩高强混凝土已广泛应用于结构自防水、钢管核芯混凝土、超长结构无缝施工等领域[1，4-9]。不同种类膨胀剂对普通混凝土（水胶比在0.4～0.7范围内）的补偿收缩影响及机理已有大量研究，对高强混凝土的研究较少，针对更适用于高强混凝土的硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂（HCSA）的研究也较少[9-12]。且不同的养护温度对水泥水化及混凝土的收缩变形有较大影响[13-16]。因此，本文结合试样的孔结构特征，研究了不同养护温度和HCSA膨胀剂耦合作用对高强混凝土抗压强度的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，水泥化学组成见表1，物理和力学性能见表2。

表1 水泥和膨胀剂的化学组成（%）

表2 水泥的物理和力学性能

HCSA膨胀剂：HCSA的化学组成见表1，XRD物相分析结果如图1所示。

图1 HCSA膨胀剂XRD物相分析图

减水剂（SP）：苏博特PCA系列聚羧酸高性能减水剂，固含量为23%，减水率为30%。

1.2 实验方法

（1）混凝土配合比及其养护制度

试验配合比如表3所示，其中C-0、C-8、C-10分别表示膨胀剂掺量为胶凝材料质量的0%、8%和10%，减水剂掺量按混凝土坍落度指标达到 （200±10）mm来确定。养护温度分别为20℃、40℃和60℃。混凝土试件带模养护（模拟限制条件）且表面密封（防止试件与环境进行水分交换）。

表3 混凝土配合比

（2）混凝土抗压强度试验

高强混凝土的制备和抗压强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行。

（3）孔结构测试分析

采用美国麦克公司的ASAP2010比表面孔径分析仪对试样进行氮吸附和脱附试验。根据BJH理论对孔结构进行分析和表征。

（4）XRD物相分析

采用日本理光TTR-ⅢX-射线衍射仪对HCSA膨胀剂进行物相分析（扫描速度为8°/min，扫描角度2θ=10°-70°）。

2 结果与讨论

HCSA膨胀剂掺量对高强混凝土抗压强度及其强度增长率的影响如图2（a）和2（b）所示。对不同膨胀剂掺量下的高强混凝土试样（养护1d）进行孔径分布测试分析，其氮气等温吸附、脱附曲线如图3（a）所示，孔径分布对比如图4所示。

图2 膨胀剂掺量对高强混凝土（a）抗压强度及其（b）强度增长率的影响

图3 （a）不同膨胀剂掺量和（b）不同养护温度的高强混凝土试样的氮气吸附、脱附曲线

图4 不同膨胀剂掺量试样的孔径分布对比（a）累计孔径分布（b）孔径分布

由图2（a）可以看出：掺加膨胀剂可以提高高强混凝土在限制条件下的抗压强度。对比不同膨胀剂掺量试样的28d抗压强度值可知，8%的膨胀剂掺量为本试验条件下的最佳掺量，可获得最高的抗压强度值。不同膨胀剂掺量的试样各龄期的抗压强度与其28d抗压强度的比值，可以用来分析试样的强度发展。由图2（b）可知：在水化初期，未掺膨胀剂的混凝土试样1d抗压强度发展最快，其次是8%膨胀剂掺量试样，最后是10%膨胀剂掺量试样。而3d时10%膨胀剂试样抗压强度发展速率最大，其次是未掺膨胀剂的混凝土试样，最后是8%膨胀剂试样，说明在1-3d期间内掺膨胀剂试样强度发展迅速，而且此时8%膨胀剂试样的3d强度发展速率虽然仍落后于未掺膨胀剂试样，但二者差距很小；7d时，10%膨胀剂试样仍最快，8%膨胀剂试样的强度发展速率已经超过未掺膨胀剂试样；而在后期，90d强度发展速率排序与7d时的正好相反（与1d时的相同），即未掺膨胀剂的混凝土试样强度发展最快，8%膨胀剂试样其次，10%膨胀剂试样最慢。

掺与不掺膨胀剂，试样在早期和后期强度增长率表现出明显的差异，这可能与膨胀剂对强度发展有正负两方面作用有关。一方面，膨胀剂与水泥在水化过程中会发生水分竞争，HCSA膨胀剂的竞争需水能力强于水泥，导致用于水泥水化的水量减少，水泥早期水化速率变慢，即膨胀剂会抑制水泥早期水化，对早期强度发展产生负作用；而另一方面，膨胀剂在早期快速生成钙矾石等水化产物，有利于细化孔隙，对强度发展产生正作用。而最终的结果是二者的博弈。所以，在1d时，掺膨胀剂混凝土中虽然有部分膨胀产物生成，但在大孔隙率情况下负作用占主导地位，表现为不掺膨胀剂混凝土强度发展快于掺膨胀剂。但随着基体孔隙率的不断降低，尤其是在限制条件下，膨胀产物使混凝土更加密实的作用越来越显著，在3d后开始正作用占主导。而通常HCSA的膨胀剂在14～28d达到稳定期，当膨胀产物不再生成，后期又转为负作用占主导。

不同孔径在吸附等温线上具有特征吸附效应。微孔 （孔宽＜2 nm）相互之间的距离只有几个分子直径，临近孔壁势场相互叠加增加了吸附剂与气体分子的相互作用，导致在较低的相对压力下吸附量明显增加，使吸附等温线快速上升；中孔（孔宽2～50 nm）凝聚和解凝相对压力不同，使吸附等温线形成滞后环；而大孔（孔宽＞50 nm）的尺寸范围较宽，相对压力接近于1[17-18]。所以根据不同种类的孔在液氮温度下的吸附特点可分析出材料的孔隙结构。如图3（a）、图4所示：掺加膨胀剂的混凝土试样其吸附、脱附等温线的分离程度明显小于未掺加膨胀剂的试样组。且掺加8%膨胀剂试验组的孔结构明显优于未掺加膨胀剂和膨胀剂掺量为10%的试验组。而掺10%膨胀剂试验组的大孔数量多于未掺膨胀剂试验组。这也从微观角度解释了图2中养护期为1d时，掺加8%膨胀剂的试样组抗压强度最高，而掺10%膨胀剂试验组的抗压强度略低于未掺加膨胀剂试样组的试验结果。

图5为最佳膨胀剂掺量 （本试验条件下最佳掺量为8%）的混凝土试样在不同养护温度下的抗压强度和强度增长率的试验结果。图3（b）、图6分别为不同养护温度下混凝土试样（养护1d）的氮气等温吸附、脱附曲线和孔径分布对比。

图5 养护温度对高强混凝土（a）抗压强度及其（b）强度增长率的影响

图6 不同养护温度下试样的孔径分布对比（a）累计孔径分布（b）孔径分布

由图6可以看出：掺加8%膨胀剂的混凝土试样的1d、3d抗压强度值和抗压强度增长率都随着养护温度的升高而增大，而其28d、90d抗压强度值却随着养护温度的升高而减小。养护温度为60℃时混凝土1d、3d抗压强度值达到其28d抗压强度强度值的94.7%、96.2%，而40℃和20℃时分别为79.1%、85.4%和58.5%、70.6%。这主要是因为养护温度升高极大地促进了水化反应的进行，使早期强度迅速提高，表现为试样1～7d的抗压强度值和抗压强度增长率都随养护温度的升高而增大。但是，高温作用下水化反应迅速，水化产物来不及形成致密的相互搭接，不利于混凝土后期强度的发展。所以试样28d、90d抗压强度值随着养护温度的升高而降低。但是，在60℃的养护条件下，掺加8%膨胀剂的混凝土试样的28d抗压强度值仍高于20℃养护条件下未掺加膨胀剂的混凝土试样。这说明，限制条件下，掺加膨胀剂可以提高高强混凝土的抗压强度值，且在本试验条件下膨胀剂对试样抗压强度的影响大于养护温度的影响。

由图4（b）、图7可以看出：随着养护温度的升高，混凝土试样吸附、脱附等温线的分离程度逐渐增大，总孔隙体积减小且孔径尺寸细化。这也从微观角度解释了图6中养护期为1d时，抗压强度值和抗压强度增长率都随着养护温度的升高而增大的试验结果。

3 结论

本文主要研究了膨胀剂掺量以及养护温度和膨胀剂耦合作用对高强混凝土抗压强度的影响，得到了如下结论：

（1）养护温度为20℃、绝湿的试验条件下，掺加HCSA膨胀剂可以优化孔结构，提高高强混凝土的28d抗压强度值。且本试验条件下掺加8%膨胀剂的混凝土试样的抗压强度值最高。

（2）掺与不掺膨胀剂，试样在早期和后期强度增长率表现出明显的差异，这可能与膨胀剂对强度发展有正负两方面作用有关。在早期（1d）和后期（90d）是负作用占主导，表现为不掺膨胀剂混凝土强度发展速率快于掺膨胀剂混凝土，且速率随着掺量增大而减小，而在中期（3d后）是正作用占主导，表现为在此期间掺膨胀剂混凝土强度发展更快，且掺量越大作用效果越显著。

（3）膨胀剂掺量为8%的高强混凝土试件，其1～7d抗压强度值和抗压强度增长率都随养护温度的升高而增大，且养护温度为60℃时，试样1d抗压强度值高达其28d抗压强度强度值的94.7%。而试样的28d、90d抗压强度值却随养护温度的升高而降低，但仍大于不掺膨胀剂的高强混凝土试件。

[1]赵顺增，刘立，郑万廪，等.HCSA双膨胀源高性能混凝土膨胀剂[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2016（1）：1-5.

[2]黄政宇，刘永强，李操旺.掺HCSA膨胀剂超高性能混凝土性能的研究[J].材料导报，2015，29（2）：116-121.

[3]李鹏，苗苗，马晓杰.膨胀剂对补偿收缩混凝土性能影响的研究进展[J].硅酸盐通报，2016，35（1）：167-173.

[4]张鸣，周磊，叶坤，等.复合掺合料与膨胀剂对自密实混凝土性能的影响研究[J].硅酸盐通报，2016，35（6）：1811-1815.

[5]Zofia Konik，Jan Matolepszy.Production of expansive additive to portland cement[J].Journal of the European Ceramic Society，2007，27：605-609.

[6]赵顺增，刘立，武旭南.HCSA高性能混凝土膨胀剂及其应用[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2012（4）：7-11.

[7]Xiao-hui Yuan，Wei Chen.Shrinkage compensation of alkali-activated slag concrete and microstructural analysis[J].Construction and Building Materials，2014，66：422-428.

[8]游宝坤.膨胀剂对高性能混凝土的裂缝控制作用[J].建筑技术，2001，32（1）：18-21.

[9]冯竟竟.补偿收缩复合胶凝材料的水化与膨胀性能[J].建筑材料学报，2012，8（15）：439-445.

[10]游宝坤.我国混凝土膨胀剂的发展近况和展望[J].混凝土，2003（4）：3-6.

[11]赵顺增，刘立，吴勇等.补偿收缩混凝土有效膨胀的研究[J]．膨胀剂与膨胀混凝土，2007（4）：1-6.

[12]赵顺增.HCSA高性能混凝土膨胀剂性能研究[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2005（3）：3-8.

[13]Jingjing Feng，Miao Miao，Peiyu Yan.The effect of curing temperature on the properties of shrinkage-compensated binder[J].Sci China Tech Sci.2011，54（7）：1715-1721.

[14]Chenhui Jiang，Yang Yang，Yong Wang.Autogenous shrinkage of high performance concrete containing mineral admixtures under different curing temperatures[J].Construction and Building Materials，2014（61）：260-269.

[15]苗苗.胶凝材料组成和温度对补偿收缩混凝土变形性能的影响[D].北京：清华大学，2012.

[16]杨松林.温度与外加剂耦合作用对铝酸盐型膨胀剂性能的影响[D].西安：西安建筑科技大学，2009.

[17]张引枝，汤忠，贺福，等.由氮吸附等温线表征中孔型活性炭纤维的孔结构[J].离子交换与吸附，1997，13（2）：113-119.

[18]张鸣，丁铸，邢锋，等.氮吸附法研究早期磷铝酸盐浆体的孔结构[J].建筑材料学报.2011（5）：690-693.