朱長華，李享濤，王保江，謝永江

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

混凝土是一種非均質(zhì)的復(fù)合脆性材料，其抗拉強(qiáng)度較低，在施工和服役過程中易產(chǎn)生裂縫.混凝土裂縫不僅影響其結(jié)構(gòu)外觀，還會(huì)成為腐蝕性介質(zhì)侵入其內(nèi)部的通道，最終影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性.使用膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮是抑制混凝土開裂的技術(shù)措施之一［1］.膨脹劑在中國的應(yīng)用已有30多年的歷史.隨著高性能混凝土的廣泛應(yīng)用，膨脹效能大、對養(yǎng)護(hù)依賴程度低且能使混凝土膨脹與強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展的高性能膨脹劑逐漸成為新寵［2］.然而，在中國西北大風(fēng)干旱地區(qū)，由于受嚴(yán)酷自然環(huán)境條件的影響，新澆筑混凝土早期失水快，后期難以有效保濕養(yǎng)護(hù)，在這種情況下，單純采用膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮是無法有效抑制混凝土在塑性及硬化階段的開裂.

美國學(xué)者Philleo［3］于1991年最先提出混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)概念，之后，國內(nèi)外很多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究［4－8］.2010年，美國混凝土協(xié)會(huì)（ACI）將內(nèi)養(yǎng)護(hù)定義為“在水泥基材料的凝結(jié)硬化過程中，通過預(yù)吸水輕集料作為內(nèi)部‘水庫’及時(shí)釋放水分，用于水泥水化或補(bǔ)償蒸發(fā)或自干燥所引起的水分損失”.然而內(nèi)養(yǎng)護(hù)這一措施能否解決大風(fēng)干旱地區(qū)混凝土早期失水快和后期難以有效保濕養(yǎng)護(hù)問題，有效抑制補(bǔ)償收縮混凝土的收縮開裂尚有待研究確定.本文研究了UEA（硫鋁酸鈣類膨脹劑）和HCSA（硫鋁酸鈣－氧化鈣類膨脹劑）的膨脹特征，比選出適宜于配制補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹劑，并確定了其適宜摻量；研究了內(nèi)養(yǎng)護(hù)對補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度、早期變形、干縮落差和抗裂性的影響，并在西北大風(fēng)干旱地區(qū)開展了內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，考察了其抗裂效果.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為北京金隅P·O 42.5水泥（C1）和中國建筑材料研究總院P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥（C2），比表面積分別為342m2／kg和331m2／kg；粉煤灰為赤峰元寶山Ⅰ級粉煤灰（FA），細(xì)度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為11.4%；膨脹劑為天津豹鳴HCSA 和武漢三元UEA；細(xì)骨料為河北遵化河砂（S），細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.9%，表觀密度為2 610kg／m3；粗骨料為天津薊縣5～10mm，10～20mm 兩級配碎石（G），壓碎值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為5.4%，含泥量為0.3%，表觀密度為2 780kg／m3，緊密空隙率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為40%；減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑（PCA）；內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料為北京某公司生產(chǎn)的SAP，一種丙烯酸－丙烯酰胺交聯(lián)共聚物；拌和水（Wm）為自來水.膠凝材料和膨脹劑的化學(xué)組成見表1.

表1 膠凝材料和膨脹劑的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cementitious materials and expansive agents %

1.2 試驗(yàn)方法

摻膨脹劑砂漿、混凝土的限制膨脹率按GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》進(jìn)行測試.

混凝土抗壓強(qiáng)度按GB／T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試.

混凝土早期變形以GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的非接觸法進(jìn)行測試.為避免長方體試件與試模之間的摩擦，在兩者之間鋪設(shè)了一層塑料薄膜.長方體試件尺寸為100mm×100mm×515mm，每組3個(gè)試件.將試件放置在溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，試件上表面暴露在環(huán)境中.采用渦流傳感器監(jiān)測固定在試件兩端的反射靶（見圖1）的相對位移.

將混凝土試件置于水中養(yǎng)護(hù)14d，然后轉(zhuǎn)入干燥室中，測試混凝土干縮落差.

圖1 混凝土早期變形試驗(yàn)裝置Fig.1 Testing device to measure early deformation of concrete

硬化砂漿抗裂性按ASTM C 1581—04［9］進(jìn)行測試，試驗(yàn)裝置見圖2.混凝土環(huán)形柱試件的外徑為375mm，內(nèi)徑為305mm，高度為150mm，每組3個(gè)試件.將試件放置在溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，試件的上表面采用石蠟密封，四周表面暴露在環(huán)境中，然后測試內(nèi)鋼環(huán)（感應(yīng)）應(yīng)變.內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)，即表明試件產(chǎn)生了裂縫.

圖2 硬化砂漿抗裂性試驗(yàn)裝置Fig.2 Testing device to measure crack resistance of hardened mortar

實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變采用應(yīng)變傳感器（精度為1×10－6）測試.將應(yīng)變傳感器平行地安置在鋼筋下方，以防止?jié)沧⒒炷習(xí)r遭受破壞.由于裂縫并未發(fā)生在傳感器位置處，也沒有深入至鋼筋內(nèi)部，故所測的應(yīng)變值代表了鋼筋附近局部混凝土的變形.

1.3 混凝土配合比

以“低膠凝材料用量、低砂率”為原則，經(jīng)試配試驗(yàn)，獲得了C40混凝土基準(zhǔn)配合比.選擇膨脹劑，然后以不同摻量（0%，6%，8%，10%，12%，以占膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土，進(jìn)而確定膨脹劑的適宜摻量.摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量及內(nèi)養(yǎng)護(hù)引入水（自來水，We）量以不明顯影響混凝土拌和物性能和降低混凝土強(qiáng)度為前提，并參照文獻(xiàn)［10］中的方法修正SAP 吸液特性等因素的影響.混凝土配合比如表2所示.

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concretes kg／m3

2 結(jié)果與討論

2.1 補(bǔ)償收縮混凝土配合比的確定

2.1.1 膨脹劑的選擇

摻UEA 砂漿和摻HCSA 砂漿的限制膨脹率如圖3所示，其中2 種膨脹劑的摻量均為10%，水泥采用C2水泥，砂漿配比見GBJ 50119—2013《混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》.

圖3 摻UEA 砂漿和摻HCSA 砂漿的限制膨脹率Fig.3 Restrained expansion rates of mortars with UEA or HCSA

從圖3可看出：（1）摻UEA 砂漿在20℃水中的7d限制膨脹率僅略大于GBJ 50119—2013規(guī)范對Ⅰ型膨脹劑7d限制膨脹率的技術(shù)要求（≥250×10－6），這表明UEA的膨脹效能較低.（2）摻HCSA 砂漿在20℃水中的7d限制膨脹率是摻UEA砂漿的3倍以上；摻HCSA 砂漿在20℃水中的3d限制膨脹率達(dá)7d限制膨脹率的90%以上，這表明HCSA 具有膨脹效能高、膨脹速率快、對后期水分補(bǔ)充的依賴程度低等特點(diǎn).本文選用HCSA配制補(bǔ)償收縮混凝土.

2.1.2 HCSA 摻量選擇

HCSA 摻量對混凝土限制膨脹率的影響見圖4.由圖4可以看出：隨HCSA 摻量增加，混凝土的限制膨脹率逐漸增加.當(dāng)HCSA 摻量為6%時(shí)，混凝土在20℃水中的14d限制膨脹率已達(dá)360×10－6，這表明該摻量下的HCSA 已具有較高的膨脹效能；摻不同摻量HCSA 混凝土在20℃水中膨脹3d后均已接近膨脹穩(wěn)定期，而帶模養(yǎng)護(hù)的同齡期混凝土試件抗壓強(qiáng)度約20 MPa，表明摻HCSA 混凝土的限制膨脹主要發(fā)生在“有效膨脹窗口”期間.

圖4 HCSA 摻量對混凝土限制膨脹率的影響Fig.4 Effect of HCSA use level（by mass）on the restrained expansion rate of concrete

HCSA 摻量為6%時(shí)即可滿足混凝土補(bǔ)償收縮的要求.綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及膨脹效能，確定HCSA的適宜摻量為8%.

2.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

內(nèi)養(yǎng)護(hù)對補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖5.由圖5可見，采取內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施后，補(bǔ)償收縮混凝土（A6）抗壓強(qiáng)度的增長與未采取內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施的補(bǔ)償收縮混凝土（A2）幾乎相當(dāng)，且56d抗壓強(qiáng)度略高.

圖5 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of internal curing on the compressive strength of shrinkage－compensating concrete

2.3 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對補(bǔ)償收縮混凝土體積穩(wěn)定性的影響

2.3.1 早期變形與干縮落差補(bǔ)償收縮混凝土的早期變形和干縮落差分別見圖6和圖7.

圖6 補(bǔ)償收縮混凝土的早期變形Fig.6 Early deformation of shrinkage－compensating concrete

從圖6可看出，A2和A6混凝土的早期變形基本均呈現(xiàn)先顯著塑性收縮，再明顯膨脹，最后基本穩(wěn)定3個(gè)階段.從澆筑至初凝附近（0～8h左右），A2混凝土塑性收縮較大（約－800×10－6），這是因?yàn)槭苄掳杌炷撩?xì)管負(fù)壓的影響，膨脹劑在此階段的膨脹被塑性混凝土所吸收，混凝土表觀體積變化幾乎不受膨脹劑膨脹作用的影響.內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施可顯著減小混凝土的塑性收縮，填補(bǔ)膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮的“真空期”.在初凝期間（約8h～1d），A2混凝土開始硬化，逐漸由黏塑性體轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)體，膨脹劑開始發(fā)揮膨脹作用.當(dāng)采取內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施后，因內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的持續(xù)補(bǔ)水，為膨脹劑提供了較好的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)環(huán)境，因此膨脹劑的膨脹效能得到提高，A6混凝土塑性收縮減小.1d以后，混凝土的變形趨于平緩.

圖7 補(bǔ)償收縮混凝土的干縮落差Fig.7 Drying shrinkage drop of shrinkagecompensating concrete

由圖7可看出，采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施后，補(bǔ)償收縮混凝土的干縮落差有一定程度的減小.

2.3.2 抗裂性

混凝土出現(xiàn)裂縫的時(shí)間較為漫長.為了加快裂縫出現(xiàn)，縮短試驗(yàn)周期，本文選取同配合比砂漿替代混凝土進(jìn)行抗裂性試驗(yàn).將A0，A2，A5和A6混凝土配合比中的粗骨料去除，制備砂漿M0，M2，M5和M6.測試硬化砂漿的抗裂性，結(jié)果見圖8.

圖8 硬化砂漿的抗裂性Fig.8 Crack resistance of hardened mortar

從圖8可看出，空白砂漿（M0）在近5d齡期時(shí)開裂，摻SAP砂漿（M5）在8d齡期時(shí)開裂，這2種砂漿開裂時(shí)鋼環(huán)的最大應(yīng)變值相當(dāng)；摻HCSA 砂漿（M2）至18d齡期時(shí)仍未開裂；摻HCSA＋SAP 砂漿（M6）至18d齡期時(shí)仍未開裂，且砂漿中鋼環(huán)的應(yīng)變值遠(yuǎn)小于M2砂漿中鋼環(huán)的應(yīng)變值.可見，無論是摻入膨脹劑還是采取內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施，主要是通過減小砂漿的塑性收縮來提高其抗裂性，而不是通過提高砂漿的極限拉伸強(qiáng)度來提高其抗裂性；內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料SAP和膨脹劑HCSA 均能提高硬化砂漿的抗裂性，其中膨脹劑HCSA 的改善效果相對明顯.在摻加膨脹劑的基礎(chǔ)上采取內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施后，硬化砂漿的抗裂性得到顯著提高.

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

采用普通混凝土（A0）和內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土（A6）在西北大風(fēng)干旱地區(qū)a，b區(qū)段各澆筑20m長的薄壁平板實(shí)體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段，然后測試實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變，跟蹤觀測實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土開裂情況.

實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變見圖9；實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土開裂情況見表3.

圖9 實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土的應(yīng)變Fig.9 Strain of engineering structural concrete

表3 實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土開裂情況Table 3 Crack situation of engineering structural concrete

由圖9可以看出，2種混凝土在澆注后14d內(nèi)，由于采取了保濕養(yǎng)護(hù)，混凝土收縮均很小，混凝土主要因溫度變化產(chǎn)生溫差變形，此階段變形較小；在14d至60d期間，保濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后混凝土因環(huán)境干燥作用發(fā)生較大的依時(shí)干燥收縮，從而發(fā)生較大變形；在60d以后，混凝土干燥收縮增幅較小，由收縮引起的混凝土變形處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，普通混凝土應(yīng)變約為－225×10－6，而內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)變約為－150×10－6，為前者的67%，這表明內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土具有優(yōu)異的減縮性能.

由表3可以看出，相比普通混凝土（A0），內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土（A6）開裂的時(shí)間明顯推遲，且所產(chǎn)生裂縫的數(shù)量及寬度均相應(yīng)降低，表明內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土具有良好的抗裂性.

3 結(jié)論

（1）內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土早期抗壓強(qiáng)度略低于補(bǔ)償收縮混凝土.內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展能夠得到保障.

（2）內(nèi)養(yǎng)護(hù)可顯著減小補(bǔ)償收縮混凝土的塑性收縮，填補(bǔ)膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮的“真空期”；內(nèi)養(yǎng)護(hù)為HCSA 提供了較好的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)環(huán)境，提高了HCSA 的膨脹效能，減小了補(bǔ)償收縮混凝土的干縮落差.

（3）內(nèi)養(yǎng)護(hù)和HCSA 均能提高混凝土的抗裂性，兩者復(fù)合則效果更佳.內(nèi)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)償收縮混凝土用于西北大風(fēng)干旱地區(qū)暴露面大的薄壁平板實(shí)體結(jié)構(gòu)時(shí)具有良好的抗裂性.

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