外加剂对泵送混凝土早期变形抑制作用研究

王冬，石明建，祝烨然，叶燕萍

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技术中心，江苏 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 马鞍山 238281；5.宁波航通预制构件有限公司，浙江 宁波 315221）

0 前言

混凝土是一种非匀质复合材料，在硬化过程中会发生一系列复杂的物理化学反应，混凝土终凝前的沉降、水分蒸发和自生反应等引起的塑性收缩，因水泥浆与骨料弹性模量不同会引起微裂纹产生，微裂纹会在内、外部环境作用下随时间发展出现初裂、通裂、扩展和体积不稳定变化，影响到混凝土外观、耐久性，甚至建筑物结构安全和使用寿命[1]。

对于混凝土抗裂我们更多关注的是大体积温度应力引起的裂缝问题，然而近年来高强、高性能混凝土的工程应用中出现了大量混凝土早期开裂现象，引起了这一领域技术人员对塑性裂缝（裂缝源头）的关注。混凝土早期开裂现象主要与现代混凝土结构的约束、材料品质与施工工艺等各方面因素有关[2]，虽已不断研发出矿物掺合料、纤维、水份蒸发抑制剂、内养护剂、减缩剂、膨胀剂等多种技术手段，但因材料及环境的复杂多变和经济性原因，使得这些技术不能准确或正确应用，难以很好地解决混凝土开裂问题。

本文研究了不同外加剂对泵送混凝土早期变形的抑制作用，针对性分析了不同外加剂对混凝土早期不同阶段内部与外部环境物理、化学作用，通过联合和平衡不同外加剂作用更加合理地利用外加剂以减少混凝土早期收缩的问题，从而抑制早期微裂缝的产生和发展，使混凝土内应力分布更均匀、结构更连续，实现混凝土抗裂性能的提升。

1 试验

1.1 原材料

水泥：中国海螺P·O42.5水泥，比表面积355 m2/kg，其化学成分见表1；粉煤灰：南京热电厂Ⅱ级粉煤灰，其化学成分见表1；砂：细度模数2.4的Ⅱ区Ⅰ类天然砂，含泥量0.8%，表观密度2.675 g/cm3，空隙率36%；石子：5～31.5mm连续级配碎石，含泥量0.6%，针片状含量11.2%；外加剂：南京瑞迪高新技术有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂（HLC-IX，减水率26%，含固量16.5%）、塑性膨胀剂（SP）、混凝土膨胀剂（氧化钙类，PZ）、晶核早强剂（ZQ）和市售PVA纤维（PVA）；水：自来水。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土性能

新拌混凝土性能：参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能试验方法》进行测试；混凝土力学性能参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试。

1.2.2 混凝土早期变形

在不考虑外部环境作用时，混凝土早期变形主要以塑性沉降及自收缩变形为主，本试验测试混凝土在恒温绝湿条件下由于浆体沉降和内部胶凝材料水化作用而引起的早期变形。测试方法参考DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中混凝土的自生体积变形测试方法进行。其中：密封试件筒由直径100 mm、长550 mm的PVC波纹管构成，底部采用塞子和502胶水密封，测试有效长度为500mm。试件制作时内部未内埋电阻应变计，而是采用自动应变采集系统，自装模20 min后直接测试端部混凝土的变形情况，近似为浆体自生体积变形，以3个试件为1组。

1.3 试验混凝土配合比设计

选取2个有具代表性的低强度等级C25和高强度等级C50泵送混凝土配合比，掺加聚羧酸减水剂HLC-IX，控制混凝土的出机坍落度为（220±10）mm，再分别掺入不同的外加剂：塑性膨胀剂（SP）、氧化钙类混凝土膨胀剂（PZ）、晶核早强剂（ZQ）和PVA纤维（PVA），SP、PZ和ZQ的掺量为推荐最低掺量，PVA掺入易影响混凝土的施工状态，本试验选取不影响施工性能的超低掺量。分别测试不同外加剂对C25和C50泵送混凝土的拌和性能、力学性能及入模后～3 d的收缩变形的影响。C25和C50泵送混凝土中分别掺入胶凝材料质量的0.03%SP、6%PZ、0.2%ZQ和0.015%PVA纤维。C25泵送混凝土的基准配比为：水胶比0.54，砂率0.41，用水量185 kg/m3，胶凝材料总量为340 kg/m3，粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的20%，见表2。C50泵送混凝土的基准配比为：水胶比0.33，砂率0.39，用水量176 kg/m3，胶凝材料总量为535 kg/m3，粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的20%，见表3。

表2 C25泵送混凝土试验外加剂及其掺量设计 %

表3 C50泵送混凝土试验外加剂及其掺量设计 %

2.1 不同外加剂对混凝土性能的影响（见表4、表5）

表4 不同外加剂对C25泵送混凝土性能的影响

表5 不同外加剂对C50泵送混凝土性能的影响

由表4、表5可见：

（1）0.03%SP和0.015%PVA对C25和C50混凝土的流动性、含气量、凝结时间和抗压强度性能基本无影响。

（2）6%PZ和0.5%ZQ对C25和C50混凝土的流动性、含气量略有影响，但影响不大；ZQ有明显缩短凝结时间和提高早期、后期抗压强度作用；PZ对凝结时间和抗压强度影响不稳定，有缩短凝结时间和降低抗压强度的可能。

2.2 不同外加剂对混凝土早期变形的影响

采用GS-Ⅱ型干缩变形自动测试仪测试混凝土的早期自生体积变形。将新拌混凝土装入直径100 mm、测试有效长度为500 mm的PCV管，内衬塑料薄膜，底部封死，顶部用塑料薄膜包裹密封，在室温（20±2）℃恒温绝湿条件下采用自动应变采集系统通过小玻璃板抵住混凝土表面，自装模20 min和1 h后直接测试端部混凝土的变形情况，近似为浆体自生体积变形。C25和C50混凝土的早期变形测试结果分别见图1、图2和图3、图4。

由图1、图2可见：

（1）空白组C25泵送混凝土（D1-1）分别以20 min和1 h为初长测量起点时，测得3 d竖向收缩分别为820με和100 με，1 h内竖向收缩为1 h～3 d竖向收缩的7.2倍。

（2）空白组C25泵送混凝土以1 h为起始点，测得的终凝（8 h）竖向收缩值为3 d竖向收缩的28.0%。

（3）掺SP、PZ、ZQ和PVA组相对空白组C25泵送混凝土3 d竖向收缩抑制率，以20 min为测试起点时分别为26.5%、26.6%、28.8%和1%，以1 h为测试起点时分别为-3.0%、58.0%、-9.0%和6.0%。

图1 测试起点为20 min时不同外加剂对C25混凝土3 d变形的影响

图2 测试起点为1 h时不同外加剂对C25混凝土3 d变形的影响

图3 测试起点为20 min时不同外加剂对C50混凝土3 d变形的影响

图4 测试起点为1 h时不同外加剂对C50混凝土3 d变形的影响

由图3、图4可见：

（1）空白组C50泵送混凝土（G1-1）分别以20 min和1 h为初长测量起点时，测得3 d竖向收缩分别为961με和422 με，1h内竖向收缩为1 h～3d竖向收缩的1.3倍。

（2）空白组C50泵送混凝土以1 h为起始点时，测得的终凝（6h40 min）竖向收缩为3 d竖向收缩的59.0%。

（3）掺SP、PZ、ZQ和PVA组相对空白组C50泵送混凝土的3 d竖向收缩抑制率，以20 min为测试起点时分别为14.4%、28.4%、31.3%和0.6%，以1 h为测试起点时分别为：-1.2%、41.9%、25.8%和1.4%。

由此可见：（1）泵送混凝土1 h内塑性沉降变形大，C25混凝土较C50具有1 h内塑性沉降占早期收缩比例大的特点，即低强度等级较高强度等级混凝土的塑性沉降收缩在早期变形影响更大。几种外加剂对于塑性沉降抑制作用大小为：ZQ＞SP＞PZ，微量PVA对塑性沉降无抑制作用。（2）终凝前塑性收缩占早期收缩比例大，不考虑1 h内塑性沉降C50较C25泵送混凝土终凝前塑性收缩率增大2.1倍，即高标号较低标号混凝土塑性向硬化转化阶段收缩大。对这个时期的收缩抑制作用最为明显的外加剂是PZ。（3）由20 min和1 h不同起始点测得的竖向收缩对于判定外加剂保持混凝土体积稳定性作用的结论不同：20 min为起始点时，SP、ZQ和PZ外加剂对减小混凝土塑性收缩均有抑制作用；若1 h为起始点，则只有PZ外加剂在高、低强度等级混凝土中有作用体现。

3 结论

（1）SP和微量PVA对混凝土的施工性能、力学性能影响不大，ZQ有明显缩短凝结时间和提高抗压强度的作用，PZ对凝结时间和抗压强度影响不稳定，有缩短凝结时间和降低抗压强度的可能；

（2）分别以20min和1h为起始点，测试外加剂对混凝土早期变形作用得出的结论不同。测试起始点越早，越能准确地反映外加剂对混凝土早期变形的作用。

（3）在混凝土早期变形全塑性阶段，低强度等级较高强度等级混凝土的沉降收缩占早期变形比例大，外加剂对抑制混凝土塑性沉降变形作用大小为：ZQ＞SP＞PZ，微量PVA作用不大。在混凝土弹塑性及硬化早期阶段，高强度等级较低强度等级混凝土的收缩变形比例大，这个时期抑制收缩作用较稳定的外加剂为PZ。