何廷樹(shù)1 楊松林2 王福川1 宋振遠(yuǎn)3

（1.西安建筑科技大學(xué)西部建筑科技國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)培育基地 陜西 西安 710055

2.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陜西 西安 710055

3.中交一航局第五工程有限公司山東 秦皇島 066002 ）

   

    混凝土是熱的不良導(dǎo)體，大體積混凝土內(nèi)部散熱慢，溫度高，表層散熱快，溫度低，內(nèi)外溫差大，因而表層易出現(xiàn)由于溫差引起的收縮裂縫。在工程實(shí)踐中，經(jīng)常使用膨脹劑，用膨脹劑產(chǎn)生的微膨脹補(bǔ)償混凝土的收縮，從而防止大體積混凝土的溫度應(yīng)力裂縫。但是，實(shí)際上，經(jīng)常出現(xiàn)摻了膨脹劑的大體積混凝土也有開(kāi)裂，沒(méi)有摻膨脹劑的混凝土也未必一定開(kāi)裂。因此，對(duì)使用膨脹劑防止大體積混凝土溫度應(yīng)力裂縫的有效性，莫衷一是，多有質(zhì)疑。實(shí)踐中，膨脹劑單獨(dú)使用的情況很少，大多數(shù)情況下，膨脹劑經(jīng)常與其他外加劑復(fù)合使用，特別是泵送劑。閻培渝等對(duì)混凝土的水膠比、摻合料種類(lèi)和摻量以及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)補(bǔ)償收縮砂漿的限制膨脹率的影響做過(guò)系統(tǒng)研究，但該研究并未考慮膨脹劑與其他外加劑復(fù)合使用時(shí)的情況。鑒于泵送劑的主要成份是高效減水劑和緩凝劑，何廷樹(shù)和張圣菊等對(duì)高效減水劑和緩凝劑對(duì)鋁酸鹽膨脹劑的膨脹效能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出高效減水劑和緩凝劑會(huì)降低膨脹劑的有效膨脹能，但是，該結(jié)論是混凝土在常溫下凝結(jié)硬化時(shí)得出的。對(duì)于大體積混凝土而言，中心溫度可達(dá)65～70℃，在這種溫度條件下，高效減水劑和緩凝劑對(duì)鋁酸鹽膨脹劑性能的影響研究尚未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。

 

    本文近似模擬大體積混凝土內(nèi)部溫度的變化情況，采用膠砂法，研究了萘系、氨基磺酸鹽系及聚羧酸系等3種高效減水劑與鋁酸鹽型膨脹劑復(fù)合使用時(shí)的膨脹性能和強(qiáng)度性能，所得結(jié)果有助于更好地認(rèn)識(shí)大體積混凝土中，膨脹劑與其他減水類(lèi)外加劑復(fù)合使用時(shí)，膨脹劑的性能變化特點(diǎn)。

 

    水泥采用秦嶺牌P.O42.5R，來(lái)源于陜西秦嶺水泥股份公司；高效減水劑分別選用萘系（粉狀）、氨基（液體），聚羧酸（液體），均為工業(yè)品；砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂；水為自來(lái)水；所用膨脹劑為UEA鋁酸鹽型膨脹劑，來(lái)源于陜西同力外加劑公司，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 UEA硫鋁酸鹽型膨脹劑性能指標(biāo)

限制膨脹率（％）			抗壓強(qiáng)度（MPa）		抗折強(qiáng)度（MPa）
水中7d	水中28d	空氣中21d	7d	28d	7d	28d
0.035	0.042	–0.01	36.9	50.7	7.5	9.7

 

    本研究采用測(cè)量試件的限制膨脹率反映宏觀膨脹性能，限制膨脹率試驗(yàn)按建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC476—2001《混凝土膨脹劑》中的“混凝土膨脹劑的限制膨脹率試驗(yàn)方法”，制作帶限制膨脹器的砂漿棒(40mm×40mm×140mm) ，并且按齡期測(cè)量其長(zhǎng)度變化。測(cè)量所用比長(zhǎng)儀的最小刻度值為0.01mm。每組試件成型砂漿棒3條,取相近的2條砂漿棒測(cè)定值的平均值為砂漿棒限制變形率的測(cè)定結(jié)果。

 

    膨脹水泥砂漿強(qiáng)度測(cè)定按GB/T17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行，膨脹劑10%等量取代水泥。

 

    本試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)模擬溫度，是結(jié)合陜西省藍(lán)田某大體積混凝土內(nèi)部中心溫度變化情況繪制。如圖1所示，用于測(cè)量限制膨脹率的膠砂試件成型后帶模置于溫度為40℃，相對(duì)濕度為90%以上的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，1d后拆模冷卻至（20士3）℃，1h內(nèi)測(cè)量初始長(zhǎng)度，測(cè)量完初始長(zhǎng)度立即將試件放入溫度為63℃的水浴養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)水養(yǎng)，其后按圖1的溫度對(duì)水浴養(yǎng)護(hù)箱的水溫進(jìn)行控制，14d后將試件拿出放入溫度為（20士3）℃，相對(duì)濕度為70%以上的空氣中養(yǎng)護(hù)至28d齡期，期間測(cè)量試件3d，7d,14d,21d,28d齡期的長(zhǎng)度，每次都是將試件冷卻至（20士3）℃后測(cè)量，測(cè)量完立刻放入規(guī)定養(yǎng)護(hù)條件。用于測(cè)定強(qiáng)度的膠砂試件按模擬溫度水浴養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)量3d,7d,28d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

    按GB/T17671中規(guī)定材料用量，選用10%的UEA鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，水膠比0.5不變，分別摻入不同量的萘系高效減水劑、氨基高效減水劑、聚羧酸高效減水劑，各齡期試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

 

    如表2所示，在模擬溫度下，與單摻膨脹劑的基準(zhǔn)試件相比，復(fù)摻萘系高效減水劑和氨基高效減水劑會(huì)不同程度的提高3d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，但會(huì)降低7d和28d抗折強(qiáng)度。復(fù)摻萘系高效減水劑降低了試件28d抗壓強(qiáng)度，復(fù)摻氨基減水劑不降低試件28d抗壓強(qiáng)度或提高了試件28d強(qiáng)度。對(duì)于聚羧酸高效減水劑而言，由于引氣效果較為明顯，使得復(fù)摻聚羧酸高效減水劑的膠砂試件各個(gè)齡期的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件比有不同程度的降低。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，減水劑的摻量對(duì)試件的強(qiáng)度也有較大的影響，尤其是萘系高效減水劑和聚羧酸高效減水劑表現(xiàn)的更為明顯。

表2　高效減水劑與膨脹劑復(fù)合使用對(duì)強(qiáng)度影響

減水劑名稱(chēng)	減水劑摻量（％）	UEA摻量（％）	抗折（MPa）			抗壓（MPa）
			3d	7d	28d	3d	7d	28d
基  準(zhǔn)	0.00	10	6.4	10.0	10.1	32.5	42.6	54.1
萘系減水劑	0.50	10	6.9	9.2	9.3	34.6	46.8	47.1
	0.75	10	7.7	9.3	9.5	35.6	43.8	49.6
	1.00	10	6.5	8.0	9.6	33.1	39.1	50.9
氨基減水劑	1.00	10	7.1	9.4	9.9	35.6	43.0	56.5
	1.33	10	6.9	9.4	9.8	33.9	43.4	55.7
	1.67	10	7.1	9.1	9.5	35.0	40.9	54.1
聚羧酸減水劑	0.80	10	5.5	6.5	8.4	23.6	31.3	49.8
	1.00	10	5.4	7.8	7.7	22.7	30.4	47.5
	1.33	10	5.0	6.8	7.1	21.4	25.6	40.2

 

 

    由以上的分析可知，高效減水劑品種、摻量不同，對(duì)摻膨脹劑膠砂強(qiáng)度有不同程度的影響。在大體積補(bǔ)償收縮混凝土中，復(fù)摻氨基高效減水劑比復(fù)摻萘系高效減水劑和聚羧酸高效減水劑能取得更好的強(qiáng)度效用。

 

    因此，合理選擇減水劑品種和摻量，對(duì)于膨脹劑的正確使用有著不可忽視的作用。

 

    按JC476—2001中規(guī)定材料用量，選用10%的UEA鋁酸鹽型膨脹劑等量取代水泥，砂膠比不變，水膠比0.4不變，分別摻入不同量的萘系高效減水劑、氨基高效減水劑、聚羧酸高效減水劑，各齡期試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 高效減水劑與膨脹劑復(fù)合使用對(duì)限制膨脹率影響

養(yǎng)護(hù)溫度	減水劑 名稱(chēng)	減水劑摻量（％）		UEA摻量（％）	限制膨脹率(×10-6)
					3d	7d	14d	21d	28d
常溫	基  準(zhǔn)	0.00		10	260	350	385	419	421
模擬溫度	基  準(zhǔn)	0.00		10	381	164	149	49	46
	萘系高效減水劑	0.50		10	321	196	110	103	99
		0.75		10	249	167	110	81	99
		1.00		10	281	173	120	93	95
	氨基高效減水劑	1.00		10	249	121	56	70	81
		1.33	10		153	71	42	42	42
		1.67		10	199	89	74	71	71
	聚羧酸高效減水劑	0.80		10	249	128	103	91	92
		1.00		10	199	103	60	31	42
		1.33		10	179	110	71	56	49

 

    常溫水養(yǎng)條件下，單摻膨脹劑以及高效減水劑與膨脹劑復(fù)摻，21d齡期內(nèi)持續(xù)膨脹，這是由于常溫水養(yǎng)條件下的試件，鈣礬石持續(xù)增長(zhǎng)^[1]，宏觀表現(xiàn)為一定時(shí)間內(nèi)限制膨脹率持續(xù)增長(zhǎng)。然而由表3可知，在模擬溫度下，早期經(jīng)歷高溫養(yǎng)護(hù)，而后溫度慢慢下降，基準(zhǔn)試件以及復(fù)摻高效減水劑試件的限制膨脹率在3d達(dá)到最大以后，開(kāi)始收縮。本文試驗(yàn)使用的是早強(qiáng)水泥，C₃S 含量高，C₃S 含量高的水泥在水化初期可生成大量的鈣礬石，尤其是早期3d高溫加快了水泥水化進(jìn)程，所以3d限制膨脹率達(dá)到最大。降溫階段，表現(xiàn)為收縮，限制膨脹率逐漸降低。14d以后降到常溫，在濕度較大的空氣中養(yǎng)護(hù)，部分試件表現(xiàn)出緩慢的膨脹。由表3中數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是復(fù)摻高效減水劑還是膨脹劑單獨(dú)使用，在模擬溫度下，3d膨脹值很大，3d到14d期間收縮落差很大，這對(duì)防止大體積混凝土開(kāi)裂很不利。

 

    常溫水養(yǎng)條件下，復(fù)摻高效減水劑會(huì)降低28d齡期內(nèi)限制膨脹率。由表3可知，在模擬溫度下，與單摻膨脹劑試件相比，復(fù)摻高效減水劑降低早期限制膨脹率。在模擬溫度時(shí)，復(fù)摻氨基高效減水劑和聚羧酸高效減水劑14d齡期內(nèi)限制膨脹率均低于基準(zhǔn)，后期部分高效減水劑或高效減水劑的個(gè)別摻量高于基準(zhǔn)的限制膨脹率。外加劑摻量對(duì)限制膨脹率的影響大致有這樣的規(guī)律，隨著外加劑摻量增加，在試驗(yàn)齡期內(nèi)試件的限制膨脹率有先降低后增大的趨勢(shì)。萘系高效減水劑和氨基減水劑能使拌合物發(fā)粘，且在同水灰比下膠砂試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易形成連通通道和空隙結(jié)構(gòu)，所以膨脹劑水化所生成的膨脹能就會(huì)部分消耗于膠砂的塑性階段，使其流動(dòng)、遷移并壓縮空隙，由于定量的膨脹劑產(chǎn)生的膨脹能是一定的，因此將會(huì)減少對(duì)外膨脹做功的膨脹能，宏觀表現(xiàn)為所測(cè)的膨脹率低。聚羧酸具有較大的引氣作用，早期部分膨脹能消耗在膠砂內(nèi)部的空隙中，所以早期限制膨脹率也很低。

 

    膨脹和強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)性是指膨脹和強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展，強(qiáng)度發(fā)展的過(guò)快或過(guò)慢都不利于膨脹的發(fā)展。以減水劑摻量為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)膠砂試件的14d水養(yǎng)限制膨脹率和28d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)28d抗壓強(qiáng)度比為縱坐標(biāo)作圖。各種高效減水劑與膨脹劑復(fù)摻膠砂試件，在常溫和模擬溫度下，減水劑摻量對(duì)限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度比的影響如圖2至圖7。

    王棟民對(duì)水泥-膨脹劑二元復(fù)合膠凝材料的膨脹和強(qiáng)度性能做過(guò)研究，得出水泥-CSA膨脹劑復(fù)合膠凝材料膨脹和強(qiáng)度發(fā)展具有良好的協(xié)調(diào)性。然而由圖2、圖4及圖6可知，常溫條件下，水泥-膨脹劑-減水劑三元復(fù)合膠凝材料膨脹和強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)性不好，可見(jiàn)，摻加減水劑會(huì)降低膨脹劑砂漿的膨脹和強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)性。

 

    由圖2和圖3比較可知，模擬溫度下復(fù)摻萘系高效減水劑的膠砂28d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件（僅摻膨脹劑）28d抗壓強(qiáng)度之比低于常溫條件的，同時(shí)對(duì)應(yīng)減水劑摻量的限制膨脹率也比常溫下的低；圖4和圖5比較可知，雖然在模擬溫度下復(fù)摻氨基磺酸鹽系高效減水劑的膠砂28d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度之比高于常溫的，但是對(duì)應(yīng)減水劑摻量的限制膨脹率也比常溫下的低很多；圖6和圖7比較可知，摻加聚羧酸系高效減水劑在模擬溫度情況下，抗壓強(qiáng)度比和限制膨脹率均比常溫條件下的低很多。因此，3種高效減水劑與膨脹劑復(fù)合使用的膠砂試驗(yàn)均表明，模擬溫度下，水泥-膨脹劑-減水劑三元復(fù)合膠凝材料的膨脹與強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)性比常溫下差。

 

    綜上所述，高效減水劑與膨脹劑復(fù)摻用于大體積混凝土中，減水劑品種和摻量對(duì)膨脹與強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)性有很大影響，摻加高效減水劑不利于膨脹和強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展。

 

    （1）在相同水膠比的條件下，高效減水劑品種、摻量不同，對(duì)摻膨脹劑膠砂強(qiáng)度有不同程度的影響，在大體積補(bǔ)償收縮混凝土中，復(fù)摻氨基高效減水劑可提高28d抗壓強(qiáng)度；復(fù)摻萘系高效減水劑和氨基高效減水劑可提高3d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；復(fù)摻聚羧酸高效減水劑顯著降低28d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

    （2）在相同水膠比條件下，常溫水養(yǎng)條件下，單摻膨脹劑以及高效減水劑與膨脹劑復(fù)摻，21d齡期內(nèi)持續(xù)膨脹，而在模擬溫度下限制膨脹率3d達(dá)到最大，3d到14d收縮較大；大體積混凝土中高效減水劑與膨脹劑復(fù)合使用會(huì)降低早期限制膨脹率，這一點(diǎn)與常溫條件下有著類(lèi)似的規(guī)律。

    （3）高效減水劑與膨脹劑復(fù)摻用于大體積混凝土中，減水劑品種和摻量對(duì)膨脹和強(qiáng)度發(fā)展的協(xié)調(diào)性有很大影響。

    （4）在本文模擬溫度條件下，3d到14d收縮落差較大，不利于大體積混凝土防止裂縫，建議在工程實(shí)踐中嚴(yán)格控制降溫速度，緩慢降溫。

    （5）與常溫下相比，模擬溫度下，摻入高效減水劑會(huì)進(jìn)一步降低膨脹劑砂漿的膨脹和強(qiáng)度發(fā)展協(xié)調(diào)性。

 

[1] 彭江，徐志全，閻培渝.大體積補(bǔ)償收縮混凝土中膨脹劑的使用效能.建筑材料學(xué)報(bào)，2003,6(2):147-152

[2] 何廷樹(shù)，張圣菊，楊松林.緩凝劑對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響.新型建筑材料，2006（11）：56-60

[3] 張圣菊，何廷樹(shù)等.同流動(dòng)度下高效減水劑對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響.新型建筑材料，2007（10）：41-46

[4] 張圣菊，王新剛,何廷樹(shù)等.緩凝劑與高效減水劑的協(xié)同效應(yīng)對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑膨脹效能的影響.混凝土，2007（12）：69-71

[5] 張圣菊.外加劑對(duì)硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響.西安：西安建筑科技大學(xué)，2007：22-25

[6] 王智，鄭洪偉，韋迎春. 鈣礬石形成與穩(wěn)定及對(duì)材料性能影響的綜述.混凝土，2001,(6):45-48

[7] 王棟民.高性能膨脹混凝土.北京：中國(guó)水利水電出版社,2006:69-70

 

 

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)