何廷樹1 楊松林2 王福川1 宋振遠3

（1.西安建筑科技大學西部建筑科技國家重點實驗培育基地 陜西 西安 710055

2.西安建筑科技大學材料科學與工程學院陜西 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體，大體積混凝土內部散熱慢，溫度高，表層散熱快，溫度低，內外溫差大，因而表層易出現由于溫差引起的收縮裂縫。在工程實踐中，經常使用膨脹劑，用膨脹劑產生的微膨脹補償混凝土的收縮，從而防止大體積混凝土的溫度應力裂縫。但是，實際上，經常出現摻了膨脹劑的大體積混凝土也有開裂，沒有摻膨脹劑的混凝土也未必一定開裂。因此，對使用膨脹劑防止大體積混凝土溫度應力裂縫的有效性，莫衷一是，多有質疑。實踐中，膨脹劑單獨使用的情況很少，大多數情況下，膨脹劑經常與其他外加劑復合使用，特別是泵送劑。閻培渝等對混凝土的水膠比、摻合料種類和摻量以及養護條件對補償收縮砂漿的限制膨脹率的影響做過系統研究，但該研究并未考慮膨脹劑與其他外加劑復合使用時的情況。鑒于泵送劑的主要成份是高效減水劑和緩凝劑，何廷樹和張圣菊等對高效減水劑和緩凝劑對鋁酸鹽膨脹劑的膨脹效能的影響進行了系統研究，得出高效減水劑和緩凝劑會降低膨脹劑的有效膨脹能，但是，該結論是混凝土在常溫下凝結硬化時得出的。對于大體積混凝土而言，中心溫度可達65～70℃，在這種溫度條件下，高效減水劑和緩凝劑對鋁酸鹽膨脹劑性能的影響研究尚未見有文獻報道。

 

    本文近似模擬大體積混凝土內部溫度的變化情況，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合使用時的膨脹性能和強度性能，所得結果有助于更好地認識大體積混凝土中，膨脹劑與其他減水類外加劑復合使用時，膨脹劑的性能變化特點。

 

    水泥采用秦嶺牌P.O42.5R，來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），均為工業品；砂采用標準砂；水為自來水；所用膨脹劑為UEA鋁酸鹽型膨脹劑，來源于陜西同力外加劑公司，其性能指標如表1所示。

表1 UEA硫鋁酸鹽型膨脹劑性能指標

限制膨脹率（％）			抗壓強度（MPa）		抗折強度（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

 

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

 

    膨脹水泥砂漿強度測定按GB/T17671《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行，膨脹劑10%等量取代水泥。

 

    本試驗養護溫度，簡稱模擬溫度，是結合陜西省藍田某大體積混凝土內部中心溫度變化情況繪制。如圖1所示，用于測量限制膨脹率的膠砂試件成型后帶模置于溫度為40℃，相對濕度為90%以上的恒溫恒濕箱中養護，1d后拆模冷卻至（20士3）℃，1h內測量初始長度，測量完初始長度立即將試件放入溫度為63℃的水浴養護箱內水養，其后按圖1的溫度對水浴養護箱的水溫進行控制，14d后將試件拿出放入溫度為（20士3）℃，相對濕度為70%以上的空氣中養護至28d齡期，期間測量試件3d，7d,14d,21d,28d齡期的長度，每次都是將試件冷卻至（20士3）℃后測量，測量完立刻放入規定養護條件。用于測定強度的膠砂試件按模擬溫度水浴養護，分別測量3d,7d,28d齡期的抗折強度和抗壓強度。

    按GB/T17671中規定材料用量，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，各齡期試驗結果見表2。

 

    如表2所示，在模擬溫度下，與單摻膨脹劑的基準試件相比，復摻萘系高效減水劑和氨基高效減水劑會不同程度的提高3d抗折強度和抗壓強度，但會降低7d和28d抗折強度。復摻萘系高效減水劑降低了試件28d抗壓強度，復摻氨基減水劑不降低試件28d抗壓強度或提高了試件28d強度。對于聚羧酸高效減水劑而言，由于引氣效果較為明顯，使得復摻聚羧酸高效減水劑的膠砂試件各個齡期的抗折強度、抗壓強度與基準試件比有不同程度的降低。從試驗結果來看，減水劑的摻量對試件的強度也有較大的影響，尤其是萘系高效減水劑和聚羧酸高效減水劑表現的更為明顯。

表2　高效減水劑與膨脹劑復合使用對強度影響

減水劑名稱	減水劑摻量（％）	UEA摻量（％）	抗折（MPa）			抗壓（MPa）
			3d	7d	28d	3d	7d	28d
基  準	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，對摻膨脹劑膠砂強度有不同程度的影響。在大體積補償收縮混凝土中，復摻氨基高效減水劑比復摻萘系高效減水劑和聚羧酸高效減水劑能取得更好的強度效用。

 

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

 

    按JC476—2001中規定材料用量，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，各齡期試驗結果如表3所示。

表3 高效減水劑與膨脹劑復合使用對限制膨脹率影響

養護溫度	減水劑 名稱	減水劑摻量（％）		UEA摻量（％）	限制膨脹率(×10-6)
					3d	7d	14d	21d	28d
常溫	基  準	0.00		10	260	350	385	419	421
模擬溫度	基  準	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

 

    常溫水養條件下，單摻膨脹劑以及高效減水劑與膨脹劑復摻，21d齡期內持續膨脹，這是由于常溫水養條件下的試件，鈣礬石持續增長^[1]，宏觀表現為一定時間內限制膨脹率持續增長。然而由表3可知，在模擬溫度下，早期經歷高溫養護，而后溫度慢慢下降，基準試件以及復摻高效減水劑試件的限制膨脹率在3d達到最大以后，開始收縮。本文試驗使用的是早強水泥，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程，所以3d限制膨脹率達到最大。降溫階段，表現為收縮，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護，部分試件表現出緩慢的膨脹。由表3中數據可以看出，無論是復摻高效減水劑還是膨脹劑單獨使用，在模擬溫度下，3d膨脹值很大，3d到14d期間收縮落差很大，這對防止大體積混凝土開裂很不利。

 

    常溫水養條件下，復摻高效減水劑會降低28d齡期內限制膨脹率。由表3可知，在模擬溫度下，與單摻膨脹劑試件相比，復摻高效減水劑降低早期限制膨脹率。在模擬溫度時，復摻氨基高效減水劑和聚羧酸高效減水劑14d齡期內限制膨脹率均低于基準，后期部分高效減水劑或高效減水劑的個別摻量高于基準的限制膨脹率。外加劑摻量對限制膨脹率的影響大致有這樣的規律，隨著外加劑摻量增加，在試驗齡期內試件的限制膨脹率有先降低后增大的趨勢。萘系高效減水劑和氨基減水劑能使拌合物發粘，且在同水灰比下膠砂試塊內部結構容易形成連通通道和空隙結構，所以膨脹劑水化所生成的膨脹能就會部分消耗于膠砂的塑性階段，使其流動、遷移并壓縮空隙，由于定量的膨脹劑產生的膨脹能是一定的，因此將會減少對外膨脹做功的膨脹能，宏觀表現為所測的膨脹率低。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部的空隙中，所以早期限制膨脹率也很低。

 

    膨脹和強度發展的協調性是指膨脹和強度協調發展，強度發展的過快或過慢都不利于膨脹的發展。以減水劑摻量為橫坐標，以對應膠砂試件的14d水養限制膨脹率和28d抗壓強度與基準28d抗壓強度比為縱坐標作圖。各種高效減水劑與膨脹劑復摻膠砂試件，在常溫和模擬溫度下，減水劑摻量對限制膨脹率和抗壓強度比的影響如圖2至圖7。

    王棟民對水泥-膨脹劑二元復合膠凝材料的膨脹和強度性能做過研究，得出水泥-CSA膨脹劑復合膠凝材料膨脹和強度發展具有良好的協調性。然而由圖2、圖4及圖6可知，常溫條件下，水泥-膨脹劑-減水劑三元復合膠凝材料膨脹和強度發展的協調性不好，可見，摻加減水劑會降低膨脹劑砂漿的膨脹和強度發展的協調性。

 

    由圖2和圖3比較可知，模擬溫度下復摻萘系高效減水劑的膠砂28d抗壓強度與基準試件（僅摻膨脹劑）28d抗壓強度之比低于常溫條件的，同時對應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摻氨基磺酸鹽系高效減水劑的膠砂28d抗壓強度與基準試件抗壓強度之比高于常溫的，但是對應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合使用的膠砂試驗均表明，模擬溫度下，水泥-膨脹劑-減水劑三元復合膠凝材料的膨脹與強度發展的協調性比常溫下差。

 

    綜上所述，高效減水劑與膨脹劑復摻用于大體積混凝土中，減水劑品種和摻量對膨脹與強度發展的協調性有很大影響，摻加高效減水劑不利于膨脹和強度協調發展。

 

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

    （2）在相同水膠比條件下，常溫水養條件下，單摻膨脹劑以及高效減水劑與膨脹劑復摻，21d齡期內持續膨脹，而在模擬溫度下限制膨脹率3d達到最大，3d到14d收縮較大；大體積混凝土中高效減水劑與膨脹劑復合使用會降低早期限制膨脹率，這一點與常溫條件下有著類似的規律。

    （3）高效減水劑與膨脹劑復摻用于大體積混凝土中，減水劑品種和摻量對膨脹和強度發展的協調性有很大影響。

    （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，建議在工程實踐中嚴格控制降溫速度，緩慢降溫。

    （5）與常溫下相比，模擬溫度下，摻入高效減水劑會進一步降低膨脹劑砂漿的膨脹和強度發展協調性。

 

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

[2] 何廷樹，張圣菊，楊松林.緩凝劑對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，何廷樹等.同流動度下高效減水劑對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,何廷樹等.緩凝劑與高效減水劑的協同效應對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.外加劑對硫鋁酸鹽型膨脹劑效能的影響.西安：西安建筑科技大學，2007：22-25

[6] 王智，鄭洪偉，韋迎春. 鈣礬石形成與穩定及對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：中國水利水電出版社,2006:69-70

 

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)