楊磊 張威 何詠嘉

摘 要：研究膨脹劑對大體積混凝土性能的影響。利用水泥、粉煤灰、不同類別的膨脹劑等材料，依照設定的配比要求制備大體積混凝土試件。在工程溫度與標準溫度2種氧化條件下，依照相應的方法進行長度變形、收縮應變、抗壓強度等檢測。結果顯示：不同種類膨脹劑造成混凝土試件產(chǎn)生倒縮現(xiàn)象的時間具有顯著差異，氧化鈣類膨脹劑的時間更短；膨脹劑在不同水泥中產(chǎn)生的變形程度具有一定差異性；鈣類膨脹劑能夠有效抑制混凝土試件的收縮開裂問題，且添加量越高，開裂問題控制得越好；添加膨脹劑的混凝土試件抗壓強度呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢；混凝土的收縮應變與膨脹劑和氧化時間均具有一定相關性。

關鍵詞：膨脹劑；大體積混凝土；長度變形；倒縮現(xiàn)象；收縮開裂

中圖分類號：TU377

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0075-04

Study on the influence of expansive agent on the performance of mass concrete

YANG Lei，ZHANG Wei，HE Yongjia

（The First Company of China Eighth Engineering Bureau Ltd.，Jinan 214000，China）

Abstract：

In order to further analyze the restraining effect of expansive agent on concrete cracking and ensure the quality of concrete engineering，The influence of expansive agent on the performance of mass concrete was studied.Mass concrete specimens were prepared by using cement，fly ash，different kinds of expansive agents and other materials according to the set proportion requirements.Under the two oxidation conditions of Engineering temperature and standard temperature，the length deformation，shrinkage strain and compressive strength were tested according to the corresponding methods.The results showed that the time of concrete specimen shrinkage caused by different kinds of expansive agents was significantly different，and the time of calcium oxide expansive agents was shorter; The deformation degree of expansive agent in different cements was different;The expansion agent could effectively restrain the shrinkage cracking of concrete specimens，and the higher the amount of expansion agent，the better the control of cracking; The compressive strength of concrete specimens with expansive agent decreased in varying degrees; The shrinkage strain of concrete had a certain correlation with the expansion agent and oxidation time.

Key words：expansion agent;mass concrete;length deformation;backward shrinkage;shrinkage cracking

當前建筑多采用大體積混凝土進行建造［1］，這一過程中水泥產(chǎn)生的熱能令混凝土內部溫度大幅提升［2］。這些熱能無法在短時間內消散，導致混凝土形成溫度收縮應力［3］，集合各類收縮導致大體積混凝土內形成顯著收縮拉應力；若其值高于混凝土的抗拉強度［4］，將導致混凝土產(chǎn)生開裂問題［5］，影響建筑質量。

實際工程建設中普遍通過添加膨脹劑抑制大體積混凝土的開裂問題［6］，由此確保建筑工程的質量。但在膨脹劑的實際應用過程中，也有一定概率產(chǎn)生混凝土開裂，而未添加膨脹劑的混凝土工程也不一定產(chǎn)生開裂問題。由此對膨脹劑應用于大體積混凝土中抑制開裂的問題存在多種說法［7-8］，并不統(tǒng)一。針對這一現(xiàn)象，研究膨脹劑對大體積混凝土性能的影響，分析不同條件下，膨脹劑對于混凝土性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗研究所用材料

膨脹劑對大體積混凝土性能的影響研究過程中所使用的材料如表1所示。

1.2 大體積混凝土制備

試驗過程中需利用表1內各種材料制備大體積混凝土，其配比如表2所示?；诒?中的各項材料的配比結果，制備大體積混凝土試件。

1.3 試驗方法及養(yǎng)護條件

采用尺寸為10 cm的立方體試模，依照國家相關標準中關于混凝土試驗的方法進行養(yǎng)護［9］?；炷磷冃螜z測過程中設定試件大小為20 cm長，50 cm寬。在完成混凝土試件養(yǎng)護后，依照檢測時間的設定確定試件的電阻與電阻比［10］，并將檢測結果換算為混凝土試件的自生體積變形程度［11-12］。試驗過程中的養(yǎng)護條件分為2種：工程溫度條件下的養(yǎng)護與標準溫度條件下的養(yǎng)護。

（1）工程溫度條件。工程溫度條件下的養(yǎng)護即依照區(qū)域內大體積混凝土重度溫度的波動情況設定養(yǎng)護溫度［13］。將用于確定膨脹情況的混凝土試件成型后帶模放入空氣養(yǎng)護箱內進行養(yǎng)護處理，設定溫度、濕度與時間分別為40 ℃、95%左右和1 d。取出試件拆除模具，室溫環(huán)境下冷卻1 h，檢測初始長度［14］。檢測完成后將混凝土試件置于水域養(yǎng)護箱內實施水養(yǎng)，初始溫度為42 ℃。養(yǎng)護15 d后取出混凝土試件，再將其放入空氣養(yǎng)護箱內，設定溫度、濕度與時間分別為18 ℃、70%左右和15 d。養(yǎng)護期間，在6、12、18、24和30 d進行長度變形與收縮應變、抗壓強度、應力-應變；

（2）標準溫度條件。標準溫度條件下的養(yǎng)護即混凝土試件的養(yǎng)護溫度始終維持在18 ℃，具體養(yǎng)護過程同工程溫度條件下的養(yǎng)護過程一致。

2 實驗結果與分析

2.1 不同類別膨脹劑對混凝土變形的影響

在標準溫度條件下，添加了氧化鈣類膨脹劑與硫鋁酸鈣類膨脹劑后，混凝土試件的變形情況如圖1所示，其中膨脹劑的使用量為20 kg/m3。

由圖1可以看出，2種不同類型的膨脹劑添加入混凝土試件后，初始階段導致較為顯著的混凝土試件變形；在2 d內，變形程度大體達到上限；隨著養(yǎng)護時間的延長，混凝土試件的變量幅度開始下降。當養(yǎng)護時間達到一定天數(shù)后，混凝土試件的變形從膨脹轉換成收縮，同時釋放一定熱量，結合混凝土試件中水泥材料的水化熱反應，混凝土試件的溫度呈一定程度的提升趨勢，膨脹量顯著提升，隨之混凝土試件的膨脹壓力也顯著提升。在養(yǎng)護的后期，受混凝土試件的溫度收縮與膨脹劑收縮等因素影響，混凝土試件呈現(xiàn)相應的收縮狀態(tài)，有一定概率形成裂縫，為混凝土試件結構產(chǎn)生不良影響。同時2種不同類別的膨脹劑產(chǎn)生倒縮的時間具有顯著差異，氧化鈣類在第5 d出現(xiàn)倒縮，硫鋁酸鈣類在第9 d出現(xiàn)倒縮。

2.2 膨脹劑在不同水泥中的反應

對比在標準溫度條件下，氧化鈣類膨脹劑在單純水泥與水泥和粉煤灰結合體中的膨脹變形情況，結果如圖2所示，其中膨脹劑使用量為20 kg/m3。

從圖2可以看出，氧化鈣類膨脹劑在單純水泥與水泥和粉煤灰結合體中產(chǎn)生的變形幅度具有顯著差異，這種差異約為1倍。而結合當前水泥生產(chǎn)的普遍性，以及水泥配比的多樣性，說明膨脹劑在不同水泥中產(chǎn)生的變形程度也具有一定差異性。

2.3 不同含量氧化鈣類膨脹劑對混凝土性能影響

圖3所示為在標準溫度條件下，不同含量氧化鈣類膨脹劑對混凝土性能的影響。

從圖3可以看出，添加15、20和25 kg/m3氧化鈣類

膨脹劑的混凝土試件相較于無氧化鈣類膨脹劑的混凝土試件，在本質上的區(qū)別為未形成收縮。這表明添加氧化鈣類膨脹劑后，能夠有效抑制混凝土試件的收縮開裂問題，且添加量越高，開裂問題控制得越好。

2.4 混凝土養(yǎng)護條件下的電鏡結果

圖4所示為在標準溫度條件下，氧化鈣類膨脹劑混凝土試件養(yǎng)護條件下的電鏡掃描結果。

從圖4可以看出，氧化鈣類膨脹劑在養(yǎng)護15、30 d后，氧化鈣類膨脹劑氧化產(chǎn)物大體上達到穩(wěn)定狀態(tài)，晶粒尺寸波動并不顯著，由此抑制了膨脹劑過度膨脹導致混凝土試件開裂的問題。但分析氧化鈣類膨脹劑的氧化產(chǎn)物與聚集狀態(tài)能夠得到，氧化產(chǎn)物有高度聚集性，有較大概率導致局部集中問題，令混凝土試件局部形成顯著應力，即出現(xiàn)局部裂紋。

2.5 不同養(yǎng)護條件下膨脹劑對混凝土力學性能的影響

表3所示為不同養(yǎng)護條件下添加膨脹劑的大體積混凝土力學性能測試結果。

由表3可知，（1）在任意養(yǎng)護條件下，添加了2種不同種類膨脹劑的混凝土試件同未添加膨脹劑的混凝土相比，抗壓強度呈現(xiàn)不同程度地下降趨勢；（2）在所添加膨脹劑種類與質量一致的條件下，在工程溫度條件下進行養(yǎng)護處理的混凝土試件同標準溫度養(yǎng)護條件下的混凝土試件的抗壓強度相比更高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是工程溫度高于標準溫度，由此導致混凝土試件中水泥的水化反應效率顯著提升，所以在工程溫度養(yǎng)護條件下的混凝土試件抗壓強度提升效率也更快。

2.6 膨脹劑對混凝土收縮應變的影響

在養(yǎng)護條件一致的情況下，對比氧化鈣類膨脹劑不同添加量條件下，混凝土試件的收縮應變變化情況，所得結果如圖5所示。

從圖5可以看出，在氧化鈣類膨脹劑添加量達到25 kg/m3的條件下，混凝土試件的收縮應變同未添加氧化鈣類膨脹劑時相比顯著下降；添加氧化鈣類膨脹劑的混凝土試件收縮應變在12 d前波動程度也有所減低，這對于混凝土試件的開裂問題產(chǎn)生直接影響。養(yǎng)護時間達到30 d后，添加氧化鈣類膨脹劑的混凝土試件收縮應變與未添加氧化鈣類膨脹劑時相比降低約40%，同時混凝土是否添加氧化鈣類膨脹劑條件下的收縮應變同其養(yǎng)護時間也存在相關性。

2.7 膨脹劑對混凝土應力-應變的影響

圖6所示為標準溫度條件下，不同氧化鈣類膨脹劑添加量對混凝土試件的應力—應變變化的影響情況。

從圖6可以看出，隨著氧化鈣類膨脹劑添加量的提升，各混凝土試件的應力-應變曲線具有顯著波動性。當氧化鈣類膨脹劑添加量為0 kg/m3時，混凝土試件的應力-應變曲線在破壞前后表現(xiàn)出明顯的線性相關性，提升與下降趨勢均較為顯著；在應變?yōu)?.07%的條件下，混凝土試件產(chǎn)生開裂問題。當氧化鈣類膨脹劑添加量為25 kg/m3時，混凝土試件的應力-應變曲線表現(xiàn)出非線性相關性特征，提升與下降趨勢并不顯著；在應變?yōu)?.14%的條件下，混凝土試件產(chǎn)生開裂問題。上述結果說明通過添加膨脹劑能夠改善混凝土開裂變形問題。

3 結語

本文研究膨脹劑對大體積混凝土性能的影響，通過制備混凝土試件與試驗過程，得到以下結論：

（1）膨脹劑在不同水泥中產(chǎn)生的變形程度具有一定差異性；

（2）添加膨脹劑后，能夠有效抑制混凝土試件的收縮開裂問題，且添加量越高，開裂問題控制得越好；

（3）工程溫度養(yǎng)護條件下的混凝土試件抗壓強度提升效率高于標準養(yǎng)護溫度。

【參考文獻】

［1］ 胡元元，姚亮，馬慧，等.硫鋁酸鹽水泥和膨脹劑對3D打印混凝土性能影響試驗研究［J］.新型建筑材料，2022，49（1）：45-48.

［2］ 王新剛，樊士廣.HCSA膨脹劑在大體積混凝土裂縫控制中的應用研究［J］.四川建筑科學研究，2022，48（1）：80-84.

［3］ 鄧宗才，趙連志，連怡紅.膨脹劑、減縮劑對超高性能混凝土圓環(huán)約束收縮性能的影響［J］.材料導報，2021，35（12）：12070-12074.

［4］ 彭程康琰，耿春東，劉勇強，等.膨脹劑及陶砂對UHPC抗沖磨性能和體積穩(wěn)定性的影響［J］.硅酸鹽通報，2020，39（4）：1 132-1 138.

［5］ 劉子源，畢萬利，關巖，等.焙燒菱鎂尾礦制MgO膨脹劑對水泥砂漿膨脹性能的影響［J］.建筑材料學報，2021，24（3）：466-472.

［6］ 明陽，李順凱，吳小斌，等.索塔鋼混結合段用大體積超高性能混凝土配制及應用研究［J］.新型建筑材料，2019，46（6）：1-4.

［7］ 龔建清，羅鴻魁，張陽，等.減縮劑和HCSA膨脹劑對UHPC力學性能和收縮性能的影響［J］.材料導報，2021，35（8）：8042-8048.

［8］ 李從號，劉拼，紀憲坤，等.MgO膨脹劑在沿海地下工程混凝土裂縫控制中的應用研究［J］.新型建筑材料，2020，47（3）：142-146.

［9］ 劉家彬，張明亮，秦鴻根.輕砂內養(yǎng)護劑的協(xié)同膨脹效應對微膨脹混凝土變形性能的影響［J］.湖南大學學報：自然科學版，2022，49（3）：196-202.

［10］ 郭進軍，張世偉，程林.養(yǎng)護條件和膨脹劑摻入方式對混凝土抗裂性能影響試驗研究［J］.水利水電技術，2020，51（6）：172-178.

［11］ 趙澤錦，肖家發(fā)，周斌，等.膨脹劑對面板壩混凝土減縮抗裂性能的影響［J］.水電能源科學，2022，40（2）：101-104.

［12］ 孔維浩，楊龍，姚直書，等.凍結井壁纖維混雜與微膨脹高性能混凝土配制與抗裂試驗［J］.煤礦安全，2020，51（3）：69-74.

［13］ 崔天龍，王里，馬國偉，等.HB-CSA與膨脹劑對3D打印混凝土收縮開裂性能的影響［J］.材料導報，2022，36（2）：80-86.

［14］ 李逸翔.膨脹劑對約束條件下UHPC早期抗裂性能影響的試驗研究［J］.結構工程師，2020，36（1）：136-141.