膨胀剂对混凝土胀缩变形及强度特征影响试验研究

张先亮

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司 安徽合肥 230011)

1 引言

现代建筑时常涉及到大体积混凝土施工，如高层居民楼基础、水利工程大坝坝体以及大型设备基础等。大体积混凝土在凝结过程中会释放大量水化热，形成较大内外温差梯度，在混凝土结构表面很容易形成因胀缩作用而产生的表面裂缝，随着裂缝扩展贯通，结构防水性、耐久性将被破坏，从而影响其使用功能，最终成为结构的质量隐患，影响结构安全和正常使用[1]。

为使大体积混凝土施工和运营期裂缝得到有效控制，诸多研究人员从材料配比出发，通过改善混凝土材料配比，诸如采取较低水化热的水泥、用矿粉或粉煤灰等材料代替部分水泥，或在水泥中掺入一定量膨胀剂材料，制成具有补偿收缩性质的混凝土，可在很大程度上提高混凝土的抗裂能力，还可有效防止高强混凝土和大体积混凝土温度裂缝的产生[2]。在混凝土中掺加一定量的膨胀剂，利用其产生的膨胀效应对混凝土收缩工况进行补偿，制成体积稳定性好的补偿收缩混凝土，是一种控制混凝土温度裂缝有效又实用的方法[3]。目前，我国对于添加膨胀剂的混凝土研究大多集中于中低强度混凝土，且其研究主要方向在膨胀机理、矿物掺合料和养护温度[4]、水胶比[5-6]、膨胀剂对于混凝土流动性及强度影响[7-9]和膨胀剂开发[10-11]及收缩效率[12]等方面。然而，对于大体积高强混凝土，尤其是结合实际工程有关温度裂缝的探索研究较少。因此，在工程实际配比基础上，掺加不同掺量的MgO膨胀剂、UEA膨胀剂和CSA膨胀剂，在保证施工强度情况下，探究不同膨胀剂对大体积混凝土的胀缩变形影响，选出较优配比膨胀剂，为实际工程提供科学支撑并为相关工程提供试验参考。

2 试验概述

2.1 试验配合比材料

本试验所用材料及其配比见表1。水泥选用芜湖白马山海螺公司生产的P.O42.5水泥；细骨料选用洞庭湖砂(中砂)，细度模数2.9，含泥量1.8%；粗骨料选自安徽国旭物资贸易有限公司，压碎值7.7%，针片状含量8%，含泥量0.4%；粉煤灰选用芜湖国电F类Ⅰ级粉煤灰，细度为10.7%；减水剂选用DK-100(A)高性能缓凝型减水剂(聚羧酸系高性能减水剂)，减水率为28%，含气量为2.6%，凝结时间差为105 min。在试验配比基础上，为了研究膨胀剂对大体积混凝土胀缩变形和强度特征的影响，分别在每方混凝土加入中20、30和40 kg的MgO膨胀剂、UEA膨胀剂和CSA膨胀剂(见表2)。

表1 试验基础配比

表2 试验用膨胀剂种类及含量

2.2 混凝土试样力学性能测试

(1)混凝土胀缩变形试验

对每种配比混凝土，平行制作两块尺寸为100×100×515 mm的长方体标准试样，采用标准养护，每隔2 d进行胀缩变形记录并取其均值作为相应龄期胀缩变形量。

(2)混凝土抗压强度试验

对每种配比的混凝土，平行制作3块尺寸为150×150×150 mm的立方体试件，分别标准养护至规定龄期(7 d和28 d)，利用单轴压缩试验机测试相应龄期下混凝土强度。试验仪器及设备见图1。

3 试验数据分析与结论

3.1 混凝土和易性对比

混凝土和易性又称混凝土的工作性，是指新制的水泥混凝土易于搅拌、运输、浇筑以及捣实等各工序的施工操作，并使混凝土实体材料具备质量均匀、体积稳定以及结构密实等性能，具体包括材料的流动性、保水性以及黏聚性。不同试样掺水量和坍落度结果见表3。

表3 不同试样的掺水量和坍落度

混凝土施工未凝结硬化前必须具有良好的和易性，以确保施工便捷性和良好的浇灌质量。而在混凝土拌合物凝结硬化以后，成型混凝土应具有足够的强度，保证混凝土实体能安全承受设计荷载。根据试验材料，减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，具有低收缩、高减水率以及低坍落度损失等性能，且生产过程不会对环境造成污染，混凝土本身结构也具备可设计性等优点。根据试验结果可知，膨胀剂种类不同所需含水量不同，其坍落度有较大差异。坍落度试验可以有效测定混凝土拌合物的流动性，并采取直观经验判定其保水性和黏聚性。工程要求坍落度需在18～22 cm之间，调整含水量可确保坍落度要求。同等条件下，掺加MgO膨胀剂混凝土的需水量小于UEA、CSA膨胀剂。相同配比条件下，MgO混凝土需水量比UEA和CSA混凝土需水量可减少10 kg/m3，有效降低了水胶比，提高了混凝土强度和骨料间的粘结力。黏聚性相比较而言，在相同配比条件下，MgO远优于UEA与CSA膨胀剂。CSA膨胀剂主要成分为无水硫铝酸钙和无水石膏，主要水化产物为钙矾石，具有早期水化速率快、需水量大、水化程度强等特点[7]。而MgO膨胀剂主要成分为MgO及复掺的生石灰，产物主要为Mg(OH)2。与CSA膨胀剂相比，MgO类膨胀剂具有水化速率低、用水量少以及水化速率慢但能持续进行的特点。

3.2 不同膨胀剂对混凝土收缩变形的影响

由图2a可知，掺加MgO膨胀剂的混凝土胀缩变形呈现规律性变化，前期MgO膨胀剂对于混凝土的膨胀收缩影响不明显，14 d之后开始影响混凝土的收缩性能；不同MgO膨胀剂掺量均在脱模5 d后呈现出较大幅度膨胀，在脱模10 d后胀缩变化程度大体趋于平缓，M02、M03试样呈现整体膨胀趋势，且M03膨胀趋势较为平缓，M04试样表现为平缓膨胀且后期胀缩变形浮动小，故M04收缩变形较为良好。

由图2b可知，与 MgO膨胀剂相比，UEA膨胀剂所制作的试块收缩量变化波动较大。尤其是在试样养护前期UEA膨胀剂影响了混凝土的收缩性能；各不同掺量的UEA膨胀剂试块，与对照组相比，均呈现先膨胀后收缩的变化趋势，前5 d表现为明显膨胀，而后逐渐趋于稳定，U03曲线最为稳定。

由图2c可知，CSA膨胀剂不同掺量对混凝土收缩变形影响较大，前期主要影响混凝土收缩性能。C04试样呈整体最大收缩状态，而C03、C02试样收缩量变化较小，且整体呈现平缓变化趋势。

据研究表明，镁膨胀剂的膨胀性能呈现早期膨胀速率较低、膨胀量较小但其膨胀性能持续长达十几年的时间，总膨胀量较大[13-14]；而硫铝酸钙类膨胀剂具有早期膨胀速率大、对养护要求高、膨胀量大的特点，随着时间延长，膨胀速率逐渐减小并渐趋稳定，这与本试验研究总体结论一致。

由收缩变形数据分析可知，C02和M04试样收缩变形效果良好，其中M04收缩变形效果更佳。而UEA型膨胀剂收缩变形变化规律与掺量有很大关系，掺量越多其变化规律越复杂，较大程度影响了混凝土性能，具体结论需进一步研究证实。

3.3 不同膨胀剂对混凝土抗压强度的影响

由图3可知，三种膨胀剂混凝土28 d抗压强度均达到强度要求。与对照组相比，三种膨胀剂混凝土强度均有所降低，整体而言，膨胀剂掺量越大，混凝土抗压强度越低。针对早期抗压强度(7 d)，添加MgO膨胀剂混凝土抗压强度较好，平均为40 MPa；添加CSA膨胀剂的混凝土抗压强度最低，平均强度未达到40 MPa。28 d抗压强度均达到抗压强度要求，其中以添加MgO膨胀剂的混凝土抗压强度为最高。大量研究表明，一定掺量的膨胀剂对混凝土早期强度无影响或略有提高，甚至可以增加混凝土的后期强度；随着膨胀剂含量进一步增加，强度则会迅速下降。由此可见，添加MgO膨胀剂对混凝土早期抗压强度影响较小。

3.4 综合对比分析

由图4可知，添加MgO膨胀剂混凝土的7 d抗压强度高于其他两种膨胀剂，三种膨胀剂28 d抗压强度较为接近，均达到强度要求水平，满足工程需要。结合图5胀缩变形数据，MgO膨胀剂混凝土胀缩变形整体变化程度相较于CSA和UEA膨胀剂变化幅度小，且MgO对后期混凝土补偿收缩效果良好，变形稳定，可应用于实际工程中。

根据图6，试样表面出现片状混凝土脱落现象，塑性效果较好，而试样出现较明显裂缝，说明脆性一般。

综上所述，为满足工程基础配比所需强度、胀缩变形、和易性及流动性等方面的良好性能，MgO膨胀剂为最佳选择，M04为试验最佳配合比。

4 结束语

(1)在坍落度相同的情况下，掺加MgO膨胀剂的混凝土用水量明显少于掺加UEA和CSA膨胀剂的混凝土，可以提高混凝土强度及水泥石与骨料粘结力，提高混凝土黏聚性。在相同情况下，掺加MgO膨胀剂的混凝土和易性较掺加UEA、CSA膨胀剂的混凝土更为稳定。

(2)在本工程试验配比中，MgO膨胀剂对混凝土前期收缩变形影响不明显，而对于14 d后的收缩变形具有良好的补偿收缩作用；UEA和CSA混凝土对混凝土的前期收缩变形影响较大，添加40 kg的MgO膨胀剂的混凝土胀缩变形效果最优，而UEA、CSA膨胀剂试样胀缩变形整体波动较大。

(3)与原始基础配比相比，掺加膨胀剂会使试样抗压强度有所降低，且抗压强度均呈规律性变化，整体上表现为随膨胀剂掺量增加而降低的趋势。掺加三种膨胀剂的混凝土28 d强度均达到高强度标准要求，其中掺加MgO膨胀剂的试样强度更为稳定。