劉 勇,朱修昆,王海龍,紀(jì)憲坤

(武漢三源特種建材有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430080)

1 膨脹劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與性能指標(biāo)

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》(GB23439-2009)中對(duì)膨脹劑的主要性能指標(biāo)要求如下表1所示。

表1 混凝土膨脹劑性能指標(biāo)

2017年對(duì)GB23439-2009進(jìn)行了修訂,新標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》(GB23439-2017,2018年11月1日開始執(zhí)行)對(duì)膨脹劑的性能指標(biāo)如下表2所示。與原標(biāo)準(zhǔn)相比,改動(dòng)范圍不大,除抗壓強(qiáng)度變化外,主要對(duì)膨脹劑的核心技術(shù)指標(biāo)限制膨脹率進(jìn)行了修訂,對(duì)I型產(chǎn)品提出了更高的膨脹性能要求；產(chǎn)品試驗(yàn)檢測(cè)環(huán)境為20℃水中和空氣中養(yǎng)護(hù)。

表2 混凝土膨脹劑性能指標(biāo)

2 滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的膨脹劑產(chǎn)品現(xiàn)狀

依據(jù)GB/T 23439《混凝土膨脹劑》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,我國(guó)的膨脹劑主要有三類：分別為氧化鈣類、硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑。

按照現(xiàn)行膨脹劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23439-2009《混凝土膨脹劑》中的要求,膨脹劑摻量為10%,在20℃水中養(yǎng)護(hù)7d后轉(zhuǎn)入空氣中養(yǎng)護(hù)21d。目前能夠工業(yè)化生產(chǎn)、穩(wěn)定供應(yīng)的I型膨脹劑產(chǎn)品是以硫鋁酸鈣或氧化鈣為主要膨脹源；能夠滿足II型膨脹劑標(biāo)準(zhǔn)要求是以氧化鈣類為主要膨脹源。

硫鋁酸鈣類膨脹劑,是以明礬石、硫鋁酸鈣熟料、鋁酸鈣熟料和石膏為主要成分。由于明礬石資源有限,且堿含量較大,目前這類膨脹劑在市面上已被淘汰,用量極少；而硫鋁酸鈣熟料、鋁酸鈣熟料其具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間較短、對(duì)溫度敏感性較差、對(duì)混凝土施工性能影響大等缺點(diǎn),無(wú)法滿足混凝土的大規(guī)模施工要求,目前市面上已經(jīng)很少存在這類膨脹劑。目前市面上在售的符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的膨脹劑都是以氧化鈣熟料為主要膨脹源的氧化鈣類膨脹劑。此外,在氧化鈣膨脹劑熟料的煅燒生產(chǎn)過程中往往會(huì)帶入部分硫鋁酸鈣類組分,因此氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑也是以氧化鈣熟料為主要膨脹源。

新修訂即將實(shí)施的最新膨脹劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23439-2017《混凝土膨脹劑》中進(jìn)一步提高了膨脹劑產(chǎn)品的限制膨脹率指標(biāo),根據(jù)目前的行業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)情況,能夠工業(yè)化生產(chǎn)、穩(wěn)定供應(yīng)的產(chǎn)品只能以氧化鈣熟料為主要膨脹源,市場(chǎng)上基本全部是氧化鈣類膨脹劑。

3 國(guó)標(biāo)II型膨脹劑在不同溫度養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹性能研究

現(xiàn)行膨脹劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23439-2009《混凝土膨脹劑》和膨脹劑的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范JGJ/T178-2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》都是基于恒溫20℃水中養(yǎng)護(hù)的數(shù)據(jù),而實(shí)際混凝土工程構(gòu)件施工時(shí)內(nèi)部溫度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度(夏季施工的大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫峰值會(huì)超過70℃),導(dǎo)致規(guī)范中的指標(biāo)數(shù)據(jù)與應(yīng)用技術(shù)脫節(jié),不能有效的指導(dǎo)膨脹劑的工程應(yīng)用。

本節(jié)結(jié)合不同混凝土工程的實(shí)際內(nèi)部溫升曲線,利用溫濕度交替設(shè)備模擬混凝土的實(shí)際溫升歷程,著重選擇較2種典型的溫度曲線,并研究了國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑產(chǎn)品在恒溫和溫度曲線水養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹性能,對(duì)比說(shuō)明國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑的膨脹發(fā)展規(guī)律。

3.1 原材料

基準(zhǔn)水泥：基準(zhǔn)水泥為中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)的42.5硅酸鹽水泥；3d強(qiáng)度26.1MPa,28d強(qiáng)度46.1MPa；

標(biāo)準(zhǔn)砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；

膨脹劑：國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑(代號(hào)Ⅱ型),7d水中限制膨脹率為0.072%,轉(zhuǎn)空氣中養(yǎng)護(hù)21d限制膨脹率為0.021%。

3.2 原材料化學(xué)分析

表3 原材料化學(xué)分析/wt.%

3.3 主要試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中限制膨脹率的試驗(yàn)方法主要參考GB/T23439《混凝土膨脹劑》所規(guī)定的試驗(yàn)方法。試件的成型、拆模均按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。

采用等量取代水泥,國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑摻量為10%,制作內(nèi)摻膨脹劑的砂漿試件測(cè)試限制膨脹率。養(yǎng)護(hù)制度分別為20℃恒溫水中養(yǎng)護(hù)、40℃恒溫水中養(yǎng)護(hù)、40℃變溫水中養(yǎng)護(hù)、60℃變溫水中養(yǎng)護(hù),研究養(yǎng)護(hù)制度對(duì)膠砂試件的膨脹率影響。恒溫水中養(yǎng)護(hù)試件是成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)16h拆模測(cè)試其初始長(zhǎng)度,變溫水中養(yǎng)護(hù)試件成型后隨著溫度曲線養(yǎng)護(hù)10h后拆模測(cè)試其初始長(zhǎng)度。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在20℃恒溫、40℃恒溫水養(yǎng)護(hù)條件下膠砂試件限制膨脹發(fā)展規(guī)律,由圖1中可以看出,國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高,其膨脹水化反應(yīng)進(jìn)程加快,溫度越高,出現(xiàn)膨脹率拐點(diǎn)(即膨脹收斂期時(shí)間)越早,其中20℃膨脹收斂期約為7天,40℃膨脹收斂期約為3天；膨脹終值相當(dāng)。

圖1 國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在20℃、40℃恒溫水養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹發(fā)展規(guī)律

圖2為國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在40℃溫升匹配曲線(采集實(shí)際工程中C30混凝土的溫度曲線,在恒溫恒濕交變?cè)囼?yàn)箱中進(jìn)行設(shè)定復(fù)制,將膠砂試件進(jìn)行模擬溫度養(yǎng)護(hù))水養(yǎng)護(hù)條件下膠砂試件限制膨脹率發(fā)展規(guī)律,設(shè)計(jì)初始溫度為20℃(模擬砼春秋季入模溫度),1d后達(dá)到溫度峰值40℃,4d后溫度降為初始溫度20℃。由圖中可以看出,說(shuō)明在40℃溫升匹配曲線水養(yǎng)護(hù)條件下,國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑1d左右反應(yīng)83.6%。

圖2 國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在40℃溫度匹配水養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹發(fā)展規(guī)律

圖3為國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在60℃溫升匹配曲線(采集實(shí)的際工程中C40混凝土的溫度曲線,在恒溫恒濕交變?cè)囼?yàn)箱中進(jìn)行設(shè)定復(fù)制,將膠砂試件進(jìn)行模擬溫度養(yǎng)護(hù))采水養(yǎng)護(hù)條件下膠砂試件限制膨脹率發(fā)展規(guī)律(注：左標(biāo)為限制膨脹率,右標(biāo)為溫度),設(shè)計(jì)初始溫升為30℃(模擬砼夏季入模溫度),1d后達(dá)到溫度峰值60℃,7d后溫度降為初始溫度30℃。由圖1.3中可以看出,說(shuō)明在60℃溫升匹配曲線水養(yǎng)護(hù)條件下,國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑1d左右反應(yīng)90.4%。

圖3 國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在60℃溫度匹配水養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹曲線規(guī)律

圖4為國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑各類養(yǎng)護(hù)條件下1d膨脹反應(yīng)百分比(取1d限制膨脹率與28d限制膨脹率值對(duì)比),可以說(shuō)明：

(1)國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在水養(yǎng)護(hù)條件下,溫度的增加對(duì)其限制膨脹率的最終值影響較?。?/p>

(2)溫度越高其膨脹速率越大,國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在溫度相對(duì)較高(溫度不低于40℃或者溫峰值不低于40℃)的反應(yīng)條件下,其早期膨脹速率較快,1d膨脹反應(yīng)率超過了限制膨脹率終值的80%。

圖4 國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在不同溫度水養(yǎng)護(hù)條件下的1d膨脹反應(yīng)百分比

4 基于溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)的國(guó)標(biāo)II型膨脹劑開裂敏感性試驗(yàn)

4.1 原材料與混凝土配合比

(1)水泥：P·O 42.5華新水泥；3d強(qiáng)度30.4MPa,28d強(qiáng)度49.3MPa；

(2)粉煤灰：Ⅰ級(jí)粉煤灰；

(3)礦渣粉：S95級(jí)礦渣粉；

(4)石子：5-31.5mm連續(xù)級(jí)配的碎石；

(5)砂子：河砂,細(xì)度模數(shù)2.6；

(6)減水劑：聚羥酸系高性能減水劑；

(7)膨脹劑：國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑(Ⅱ型),7d水中限制膨脹率為0.072%。

表4 原材料化學(xué)分析/wt.%

表5 實(shí)驗(yàn)配合比/kg·m-3

4.2 試驗(yàn)方法

溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)模式為絕熱溫升模式,達(dá)到溫峰后保溫時(shí)間分別為48h,降溫速率為1℃/h?？瞻谆炷梁蛽紾B膨脹劑混凝土的入模溫度分別為20.5℃和20.3℃。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5和表6為基準(zhǔn)混凝土和內(nèi)摻10%GB國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果,基準(zhǔn)混凝土的內(nèi)部最高溫度為45.5℃,混凝土水化溫升為25.0℃；內(nèi)摻10%摻Ⅱ型膨脹劑混凝土最高溫度為53.8℃,混凝土的水化溫升為33.5℃,最高溫峰增大了8.3℃。對(duì)照組自由試件的最大收縮變形為132.0με,在約束度為100%時(shí),約束試件的最大變形為28.2με,約束試件的最大壓力為0.70MPa,約束試件的開裂溫度為5.54℃,最大拉應(yīng)力為2.31MPa；內(nèi)摻10%GB膨脹劑混凝土自由試件的最大收縮變形為709.8με,約束試件的最大變形為和最大壓力分別為66.6με和1.77MPa,約束試件的開裂溫度為6.94℃,最大拉應(yīng)力為2.63MPa。

與基準(zhǔn)組相比,雖然內(nèi)摻10%GB國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑混凝土開裂應(yīng)力有一定增大,應(yīng)力儲(chǔ)備達(dá)到了53.6%,但是其開裂溫度并沒有明顯變化,并且摻有國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑的混凝土的溫峰明顯提高(提高8.3℃,增大18.2%),無(wú)論是其自由變形還是限制變形均在38h左右停止增長(zhǎng),約束試件變形和應(yīng)力甚至開始逐漸降低,說(shuō)明國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑在38h左右已經(jīng)基本反應(yīng)結(jié)束,無(wú)法補(bǔ)償混凝土后期收縮。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明,由于膨脹劑中游離氧化鈣的水化熱較高,內(nèi)摻10%國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑混凝土的溫峰值明顯提高；但是摻10%國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑混凝土開裂溫度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng),沒有降低混凝土的抗開裂敏感性。

表6 溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)

圖5 C30混凝土溫度-應(yīng)力試驗(yàn)曲線

5 結(jié)語(yǔ)及建議

5.1 結(jié)語(yǔ)

(1)目前市售滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的膨脹劑產(chǎn)品都是以氧化鈣為主要膨脹源的膨脹劑,在恒溫20℃水養(yǎng)護(hù)條件下,其膨脹反應(yīng)速率較為緩和,但在溫度相對(duì)較高(混凝土溫峰值40℃以上)的反應(yīng)條件下,其早期膨脹速率太快,1d膨脹反應(yīng)率在80%以上。

(2)國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑中游離氧化鈣含量較高,水化熱較高,摻國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑混凝土的溫峰值會(huì)明顯提高。

(3)基于溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)分析說(shuō)明,摻有國(guó)標(biāo)Ⅱ型膨脹劑的混凝土在混凝土入模20℃,溫峰50℃時(shí)對(duì)降低混凝土的開裂敏感性沒有起到有效的作用。

5.2 建議

(1)對(duì)于膨脹劑的標(biāo)準(zhǔn),建議在標(biāo)準(zhǔn)中增設(shè)膨脹劑不同溫度下膨脹性能指標(biāo)；或者規(guī)定膨脹劑使用的溫度邊界條件,以便于更好的指導(dǎo)工程應(yīng)用。

(2)膨脹劑的膨脹效能發(fā)揮與其反應(yīng)溫度密切有關(guān),在實(shí)際混凝土工程應(yīng)用過程中,需依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫升曲線研究其膨脹性能的發(fā)展規(guī)律,在配合比設(shè)計(jì)時(shí)需加以考慮溫度影響,更科學(xué)的選擇膨脹劑的種類和摻量。