汪洋，王育江，2，李華，2

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103；2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 前言

近年來，為解決混凝土易收縮開裂的缺陷，用膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土已成為減少其結(jié)構(gòu)開裂的重要措施之一[1]。研究表明[2-3]，粉煤灰、礦粉等礦物摻合料的火山灰效應(yīng)以及微集料填充效應(yīng)可使混凝土具有低滲透性、高致密性和均勻化的孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，而膨脹劑作為一種新型礦物摻合料，亦具有良好的補(bǔ)償收縮、增密等效果。因此，當(dāng)粉煤灰、礦粉等礦物摻合料與膨脹劑復(fù)摻時(shí)，可更充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，制備出性能良好的高性能混凝土。

美國混凝土協(xié)會(huì)ACI[4]中將混凝土早齡期定義為混凝土澆筑成型后7 d內(nèi)的齡期，此期間內(nèi)混凝土性能快速變化。而混凝土的早齡期力學(xué)性能隨齡期的延長快速變化，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有至關(guān)重要的意義[5]。當(dāng)混凝土的早齡期強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能較差時(shí)，結(jié)構(gòu)在早期溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力和自收縮應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微裂縫的概率將大大增加，使結(jié)構(gòu)的耐久性和工作壽命受到嚴(yán)重影響[6]。且混凝土早期開裂主要由自收縮變形所引起，混凝土一旦開裂后抵抗?jié)B透能力大幅降低，引起滲漏等問題，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物服役功能。由于現(xiàn)代混凝土高膠凝材料用量與低水膠比，使得膠凝材料水化作用導(dǎo)致的內(nèi)部干燥會(huì)引起較大自收縮，且這種自收縮變形在混凝土早齡期發(fā)展很快[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)[7]，混凝土1 d齡期時(shí)的自收縮值占28 d自收縮值的35%，3 d齡期時(shí)的自收縮值甚至占28 d自收縮值的60%。因此，對(duì)于混凝土早齡期力學(xué)性能及自收縮變形的研究顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)摻混合料膨脹混凝土早齡期變形及力學(xué)性能進(jìn)行了較深入的研究。Xu等[9]對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度下大摻量粉煤灰和礦粉混凝土早齡期水化過程和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，粉煤灰和礦粉摻入后，其稀釋作用和填充作用加速了水泥早期水化，而混凝土早齡期強(qiáng)度發(fā)展情況則需考慮混合料的水化進(jìn)程來修正其活化能。謝彪等[10]的研究表明，膨脹效能可評(píng)判補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹性能，且礦物摻合料對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土膨脹效能的發(fā)揮影響顯著，當(dāng)下急需完善不同種類礦物摻合料作用機(jī)理方面的研究，特別是對(duì)混凝土不同階段收縮影響機(jī)理的研究。李紅梅等[11]對(duì)不同膨脹劑摻量及不同齡期時(shí)混凝土的彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，膨脹混凝土早齡期的彈性模量較低，28 d后彈性模量逐步趕上并超過基準(zhǔn)混凝土，膨脹劑的適宜摻量為10%。

綜上所述，盡管當(dāng)前對(duì)膨脹混凝土力學(xué)性能及變形進(jìn)行了大量研究，但對(duì)粉煤灰、礦粉等混合料與膨脹劑復(fù)摻時(shí)混凝土變形及力學(xué)性能的研究尚少，仍沒有較系統(tǒng)地研究不同種類混合料作用下對(duì)膨脹混凝土強(qiáng)度、彈模及變形的影響，且對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)礦物摻合料與膨脹劑間適應(yīng)性等方面還需深入分析。尤其是膨脹混凝土早齡期階段，水泥快速水化，混凝土強(qiáng)度快速增長，其力學(xué)性能和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)都相應(yīng)發(fā)生較大變化，故仍需對(duì)其力學(xué)性能及變形的影響因素與變化過程進(jìn)行更精細(xì)、系統(tǒng)的研究。本文在單摻粉煤灰、礦粉及復(fù)摻粉煤灰、礦粉條件下，研究了膨脹混凝土早齡期力學(xué)性能及變形的影響因素，完善混凝土膨脹性能的調(diào)控機(jī)制，以期豐富有效提高膨脹混凝土早齡期性能的方法，為膨脹混凝土在各種工程中的應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥（C）：海螺水泥有限公司產(chǎn)，P·O42.5，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.6%，3、28 d抗折強(qiáng)度分別為6.7、9.0 MPa，3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為34.2、54.9 MPa，主要化學(xué)成分見表1。

（2）粉煤灰（FA）：南京熱電廠，Ⅰ級(jí)，密度2.35 g/cm3，比表面積516 m2/kg，燒失量1.12%，細(xì)度8.9%，主要化學(xué)成分見表1。

（3）礦粉（SL）：江南粉磨公司，S95級(jí)，密度2.82 g/cm3，比表面積411 m2/kg，燒失量1.12%，主要化學(xué)成分見表1。

（4）膨脹劑（EA）：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)HME-Ⅴ混凝土高效膨脹劑，為氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》Ⅱ型要求，主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

（5）砂（S）：南京地區(qū)河砂，細(xì)度模數(shù)2.60，含泥量0.43%。

（6）石（G）：江蘇句容產(chǎn)玄武巖碎石，由5～10 mm小石（G1）和10～20 mm大石（G2）按質(zhì)量比4∶6混合使用，表觀密度2933 kg/m3。

（7）減水劑（AD）：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)PCA-Ⅶ聚羧酸高效減水劑，固含量40%，摻量為1%時(shí)減水率為35%。

（8）水（W）：自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本文主要探討礦物摻合料對(duì)膨脹混凝土早齡期力學(xué)性能及變形的影響規(guī)律，選取純水泥體系膨脹混凝土、單摻30%粉煤灰膨脹混凝土、單摻30%礦粉膨脹混凝土及復(fù)摻20%粉煤灰+20%礦粉膨脹混凝土為研究對(duì)象，制備水膠比0.38、砂率40%的C40膨脹混凝土，并與未摻膨脹劑的普通混凝土進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)中，膨脹劑摻量選取時(shí)，如膨脹劑摻量較少則難以滿足混凝土抗裂性需求，若摻量較大，則又要考慮材料成本和結(jié)構(gòu)安全性等的要求。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性及膨脹劑性能改善的雙重效益，并借鑒已有文獻(xiàn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[12-13]，在符合GB J50119—2003《混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中膨脹劑摻量要求的前提下，本試驗(yàn)選擇混凝土膨脹劑摻量為8%進(jìn)行，考察混凝土2、3、7、28 d齡期力學(xué)性能和變形特性的影響因素?；炷辆唧w配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

（1）抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度：參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，試件尺寸為100mm×100 mm×100 mm。

（2）靜彈性模量：參照GB/T 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)》進(jìn)行測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。

（3）動(dòng)彈性模量：參照GB/T 50082—2009進(jìn)行測試，試件尺寸為100mm×100 mm×400 m。

（4）自生體積變形：參照DB32/T 3696—2019《江蘇省高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，采用內(nèi)襯為3 mm厚的聚四氟乙烯管材作為試驗(yàn)?zāi)＞撸⒃谄涞鬃仓玫装?，模具?nèi)徑Φ98 mm，凈高度380 mm?；炷脸尚秃蟮谷胨姆蚁┕懿闹?，初凝前在其頂部放入測量探頭，并在頂部用石蠟密封，以終凝為測試零點(diǎn)進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膨脹混凝土的抗壓強(qiáng)度（見圖1）

由圖1可見，對(duì)于普通混凝土，不摻礦物摻合料的普通混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度均較高，隨著礦物摻合料的摻入，混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度有所降低；對(duì)于膨脹混凝土，2 d齡期時(shí)不摻礦物摻合料的膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度最高，其余測試齡期均為單摻礦粉的膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度最高。對(duì)比普通混凝土與膨脹混凝土可以發(fā)現(xiàn)，膨脹混凝土在摻入粉煤灰、礦粉后，其2、3、7 d早齡期抗壓強(qiáng)度普遍略高于不摻膨脹劑的同配比普通混凝土，抗壓強(qiáng)度提高了6%～17%；但28 d齡期時(shí)，膨脹混凝土的抗壓強(qiáng)度反而較低。這是由于在早齡期，膨脹劑在使混凝土膨脹的同時(shí)還可填充孔隙，使混凝土更加致密，抗壓強(qiáng)度得到提高；但隨著齡期的延長，粉煤灰、礦粉等礦物摻合料的火山灰效應(yīng)，二次水化反應(yīng)等對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有更好的增強(qiáng)作用，因而膨脹混凝土的抗壓強(qiáng)度與之相比降低。并且，在摻入礦物摻合料及膨脹劑后，復(fù)摻粉煤灰、礦粉的膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度最低，單摻礦粉的膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度較高。

2.2 膨脹混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度（見圖2）

由圖2可見，與不摻膨脹劑的普通混凝土相比，膨脹混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度普遍較低且降幅顯著。Ea8、Fa30Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8的7 d劈裂抗拉強(qiáng)度與同配比普通混凝土C、Fa30、Sl30及Fa20Sl20相比分別降低了27.2%、42.7%、27.1%、38.2%。但28d齡期時(shí)，同配比膨脹混凝土與普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度已相差很小。由此可見，膨脹劑的摻入對(duì)混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度有所影響，但隨齡期的延長，至28 d時(shí)對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響已可忽略不計(jì)。此外，在摻入礦物摻合料及膨脹劑后，除純水泥體系膨脹混凝土外，摻礦粉膨脹混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度增長最快，不摻膨脹劑時(shí)摻礦粉混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度反而較低。

2.3 膨脹混凝土的靜彈性模量（見表3）

表3 膨脹混凝土及普通混凝土的靜彈性模量

由表3可見，與不摻膨脹劑的普通混凝土相比，除純水泥體系對(duì)比組外，其它幾組摻礦物摻合料膨脹混凝土的7d、28d靜彈性模量均顯著降低。而純水泥體系膨脹混凝土與不摻膨脹劑純水泥體系普通混凝土的靜彈性模量相差不大，28 d齡期時(shí)摻膨脹劑混凝土靜彈性模量相對(duì)較小一些?？梢钥闯?，摻入膨脹劑后混凝土的靜彈性模量普遍下降，且降幅較大。

2.4 膨脹混凝土的動(dòng)彈性模量（見圖3）

由圖3可見，混凝土的動(dòng)彈性模量隨著齡期的延長而逐漸增大，且早齡期時(shí)動(dòng)彈性模量增長速率較快，7～10 d齡期后動(dòng)彈性模量增幅逐漸減小，后趨于平穩(wěn)。普通混凝土與膨脹混凝土的動(dòng)彈性模量相差較小。具體而言，摻膨脹劑后混凝土動(dòng)彈性模量相對(duì)較小，Ea8、Fa30Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8的28 d動(dòng)彈性模量與同配比普通混凝土C、Fa30、Sl30及Fa20Sl20相比分別降低了1.9、1.7、7.3、1.5GPa。并且，在摻加膨脹劑后，摻礦粉膨脹混凝土的動(dòng)彈性模量增幅明顯，而不摻膨脹劑時(shí)，純水泥體系混凝土動(dòng)彈性模量相對(duì)較大。

2.5 膨脹混凝土的自收縮試驗(yàn)研究

對(duì)膨脹混凝土以及純水泥體系普通混凝土進(jìn)行28 d齡期自收縮試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，純水泥體系普通混凝土在28 d齡期內(nèi)表現(xiàn)為持續(xù)收縮，28 d時(shí)自收縮變形約為120με；Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8自生體積變形經(jīng)歷了先膨脹后收縮的過程，分別在10、12、14 d時(shí)達(dá)到最大膨脹變形，膨脹值分別為142 με、222με、315με，可有效存儲(chǔ)預(yù)壓應(yīng)力，補(bǔ)償混凝土各類收縮，隨后混凝土開始收縮，但收縮速率緩慢；Fa30Ea8則表現(xiàn)為持續(xù)膨脹，28d時(shí)膨脹變形已達(dá)到359με。由此可見，膨脹劑中膨脹組分的摻入可使混凝土產(chǎn)生顯著的早期自生體積膨脹，有利于結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能的提高。對(duì)比在膨脹混凝土中摻入粉煤灰、礦粉可以發(fā)現(xiàn)，摻礦粉的膨脹混凝土膨脹變形與摻粉煤灰的相比明顯較小，說明礦粉的摻入易增大混凝土自收縮，使膨脹劑中膨脹組分的作用降低。因此，在對(duì)于混凝土抗裂性要求較高時(shí)，宜優(yōu)先采用不含礦粉的混凝土配合比。

3 結(jié)論

（1）膨脹混凝土早齡期時(shí)由于膨脹劑的填充孔隙作用，與不摻膨脹劑的普通混凝土相比抗壓強(qiáng)度較高，而其早齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度則較低。與不摻膨脹劑時(shí)相比，膨脹混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度提高了6%～17%，而早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度則降低了27%～42%，但至28 d齡期時(shí)對(duì)混凝土力學(xué)性能影響很小。

（2）膨脹混凝土早齡期彈性模量隨著齡期的延長而逐漸增大，早齡期時(shí)增長速率很快，隨齡期的延長，彈性模量增長速率慢慢趨于平緩。并且，在摻入膨脹劑后混凝土彈性模量普遍下降，與不摻膨脹劑時(shí)相比，膨脹混凝土28 d齡期動(dòng)彈性模量降低了1.5～7.3 GPa。

（3）Ea8、Sl30Ea8及Fa20Sl20Ea8膨脹混凝土早齡期自生體積變形在摻加膨脹劑后，經(jīng)歷了先膨脹后收縮的過程，并在其早齡期能有較大的膨脹變形存儲(chǔ)以補(bǔ)償混凝土收縮，早齡期膨脹混凝土最大膨脹變形可達(dá)到142με～315με，有利于結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能的提高。此外，摻入礦粉時(shí)將顯著增大混凝土自收縮，使膨脹混凝土中膨脹組分的作用下降。