微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

朱圣敏

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 概述

微膨脹混凝土是指在普通的混凝土中添加一定的膨脹劑或水泥中摻加膨脹劑，使混凝土在水化期間能夠依靠膨脹劑的作用而發(fā)生一定的膨脹，從而彌補(bǔ)了混凝土的收縮，達(dá)到防治混凝土裂縫，提高混凝土性能的目的，亦稱為補(bǔ)償收縮混凝土。該技術(shù)的發(fā)展已有半個(gè)多世紀(jì)，在國(guó)內(nèi)也已應(yīng)用20多年。

混凝土中摻入一定量的膨脹劑，依靠水化過程中，反應(yīng)生成膨脹性結(jié)晶水化物－鈣礬石，使混凝土適度膨脹，在鋼筋的約束下，可產(chǎn)生 (0.2～0.7)MPa 的自應(yīng)力，大致抵消混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而防止或減少混凝土收縮開裂，同時(shí)微膨脹混凝土在水化過程中所產(chǎn)生的鈣礬石結(jié)晶起到了填充堵塞毛細(xì)孔的作用，使混凝土致密提高了混凝土的抗?jié)B能力。近些年微膨脹混凝土在我國(guó)水工建筑發(fā)展應(yīng)用速度加快，主要用于導(dǎo)流洞封堵、壓力管道外圍回填襯砌工程、大壩防滲體、結(jié)構(gòu)混凝土（基礎(chǔ)底板、墻、梁施工縫）后澆帶、大壩維修等。隨著建筑技術(shù)和新材料開發(fā)的進(jìn)步以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，應(yīng)用技術(shù)也應(yīng)得到補(bǔ)充和完善，但在國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，致使在應(yīng)用中缺乏指導(dǎo)性的文件，產(chǎn)生了一些問題，不利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2 微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

根據(jù)補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程 JGJ/T 178－2009 規(guī)定，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定。使用的膨脹劑品種應(yīng)根據(jù)工程要求和施工要求事先進(jìn)行選擇。微膨脹混凝土的質(zhì)量除符合現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50164－2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定外，還應(yīng)符合設(shè)計(jì)所要求的強(qiáng)度等級(jí)、熱學(xué)性能、限制膨脹率，抗?jié)B等級(jí)和耐久性技術(shù)指標(biāo)。

微膨脹混凝土的限制膨脹率應(yīng)符合表 1 的規(guī)定。限制膨脹率的試驗(yàn)和檢驗(yàn)應(yīng)按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50119－2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，還應(yīng)滿足設(shè)計(jì)圖紙中明確注明不同部位的限制膨脹率指標(biāo)要求。

3 微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

微膨脹混凝土的配合比設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及要點(diǎn)，除水膠比、用水量、砂率等參數(shù)外，重點(diǎn)是不同膨脹劑摻量、粉煤灰摻量、水膠比與混凝土強(qiáng)度、限制膨脹率、自生體積變形之間的關(guān)系，分析硬化混凝土的各項(xiàng)性能，從而選出最優(yōu)的配合比。而其參數(shù)選定尤為關(guān)鍵?，F(xiàn)以某工程導(dǎo)流底孔封堵微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)為例，介紹微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)具體方法。

3.1 水膠比的選定

補(bǔ)償收縮混凝土的水膠比不宜大于 0.50。應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求（具體見表 2）計(jì)算出水膠比，按照設(shè)計(jì)混凝土等級(jí)、設(shè)計(jì)文件中的限制水膠比以及混凝土抗凍抗?jié)B的要求（JGJ55中對(duì)抗?jié)B等級(jí)有水膠比限制）選擇合適的三個(gè)水膠比。

表1 微膨脹混凝土的限制膨脹率

表2 某工程導(dǎo)流底孔封堵混凝土配合比技術(shù)要求

由上表混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選定 0.50、0.45、0.40 三個(gè)水膠比。

3.2 膨脹劑摻量的選定

膨脹劑的的摻入可以等量取代水泥，減少水泥用量，降低水化熱，其水化時(shí)幾乎沒有水化熱。所選用的膨脹劑應(yīng)在其適宜摻量范圍內(nèi)，選定三個(gè)摻量。膨脹劑摻量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求的限制膨脹率，并應(yīng)采用實(shí)際工程使用的材料，經(jīng)過混凝土配合比試驗(yàn)后確定。規(guī)范規(guī)定配合比試驗(yàn)的限制膨脹率值應(yīng)比設(shè)計(jì)值高 0.005%，試驗(yàn)時(shí)，每立方米混凝土膨脹劑用量可按照 JGJ/T 178－2009 規(guī)范中表 3 選用。能夠獲得所需的新拌混凝土性能，并對(duì)硬化混凝土性能無負(fù)面影響。

表3 每立方米混凝土膨脹劑用量

膨脹劑的摻量不能太大也不能太小，它只能在適宜的范圍內(nèi)才能發(fā)揮有利的作用，膨脹劑摻入小，膨脹量小，達(dá)不到補(bǔ)償收縮的效果。膨脹劑過大，混凝土構(gòu)件中承受的內(nèi)應(yīng)力越大最終導(dǎo)致開裂。不要拘泥于膨脹劑的推薦摻量，應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位，科學(xué)地?fù)饺氩煌瑪?shù)量的膨脹劑，才能達(dá)到補(bǔ)償收縮的要求，根據(jù)規(guī)范要求及混凝土設(shè)計(jì)要求，選取12%、14%、16% 的三個(gè)摻量。

3.3 粉煤灰摻量的選定

在混凝土中摻一定量的粉煤灰能等量取代水泥來減少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土的水化熱溫升，并延緩混凝土水化熱，對(duì)防止大體積混凝土開裂起到了很好的作用。微膨脹混凝土粉煤灰摻量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求選擇合適的摻量，短齡期的混凝土粉煤灰摻量不宜過大，長(zhǎng)齡期的混凝土的摻量可適當(dāng)提高。根據(jù)混凝土及各項(xiàng)指標(biāo)要求，故選擇30%、40% 的摻量。

3.4 單位用水量的選定

選定了水膠比，根據(jù)微膨脹混凝土單位膠凝材料應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50119－2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，且補(bǔ)償收縮混凝土單位膠凝材料用量不宜小于300kg/m3，用于膨脹加強(qiáng)帶和工程接縫部位的補(bǔ)償收縮混凝土單位膠凝材料的用量不宜小于 350kg/m3，初步確定混凝土的單位用水量 140kg 左右，實(shí)際要根據(jù)試拌結(jié)果最終確定。

3.5 外加劑摻量的選定

根據(jù)初步選定單位用水量、水膠比進(jìn)行混凝土試拌，外加劑摻量應(yīng)根據(jù)滿足混凝土坍落度、含氣量等性能最終選定。在混凝土中摻入適當(dāng)外加劑可以明顯地改善混凝土拌和物及混凝土性能，減少用水量，延緩混凝土凝結(jié)時(shí)間，降低水化熱，提高混凝土的抗凍性、抗?jié)B性等，本次試驗(yàn)混凝土外加劑主要為聚羧酸類泵送劑和引氣劑。泵送劑 JM-PCA 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)摻量為 0.8%，引氣劑摻量根據(jù)實(shí)際拌合含氣量4%～6% 來控制。

3.6 新拌混凝土性能進(jìn)行配合比試拌調(diào)整成型

選定三個(gè)水膠比，合適的粉煤灰摻量、外加劑摻量，進(jìn)行三個(gè)不同摻量的膨脹劑的組合試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表 4。

表4 混凝土拌和具體試驗(yàn)方案

（1）當(dāng)試拌混凝土不能達(dá)到所需的新拌混凝土性能時(shí)，應(yīng)對(duì)外加劑、單位體積用水量、進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如要求性能中包括含氣量，也應(yīng)加以適當(dāng)調(diào)整。

（2）當(dāng)上述調(diào)整仍不能滿足要求時(shí)，應(yīng)對(duì)使用材料進(jìn)行變更。如變更較難時(shí)，應(yīng)對(duì)配合比重新進(jìn)行綜合分析，調(diào)整新拌混凝土性能目標(biāo)值，重新設(shè)計(jì)配合比，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

按照以上方案試件進(jìn)行成型不同水膠比、不同膨脹劑摻量的混凝土各項(xiàng)性能試驗(yàn)。

3.6.1 混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能

選擇水膠比 0.40、0.45、0.50，進(jìn)行不同粉煤灰及膨脹劑摻量進(jìn)行混凝土拌和物和易性及硬化混凝土抗壓、劈拉、極限拉伸試驗(yàn)?；炷量箟簭?qiáng)度應(yīng)按照 JGJ/T 178－2009 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，試模應(yīng)采用鋼制試模，試件成型后應(yīng)帶模養(yǎng)護(hù)7d。

（1）在膨脹劑摻量一定情況下，不同粉煤灰摻量與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

選擇不同的水膠比，膨脹劑摻量為 12%，粉煤灰摻量為30%、40% 拌制混凝土，進(jìn)行混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表 5。 由試驗(yàn)結(jié)果得出，在膨脹劑摻量一定情況下，粉煤灰摻量越高，混凝土強(qiáng)度越低。粉煤灰摻量增長(zhǎng) 10%，混凝土強(qiáng)度平均降低 9.5%。

（2）粉煤灰摻量一定的情況下，不同膨脹劑摻量與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

選擇水膠比 0.45，粉煤灰摻量為 30%，膨脹劑摻量為12%、14%、16% 拌制混凝土，進(jìn)行混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表 6。由試驗(yàn)結(jié)果看出，在粉煤灰摻量一定情況下，膨脹劑摻量越高，混凝土強(qiáng)度越低。膨脹劑摻量每增長(zhǎng)2%，混凝土強(qiáng)度平均降低 4.2%。三個(gè)水膠比、不同粉煤灰摻量、不同膨脹劑摻量的混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。其中，水膠比 0.50、 12% 膨脹劑、40% 粉煤灰的混凝土強(qiáng)度最低，其極限拉伸滿足 ≥0.85 的設(shè)計(jì)要求,故其他強(qiáng)度高的混凝土的變形性能更為優(yōu)異，均高于設(shè)計(jì)要求。

表5 泵送混凝土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表6 泵送混凝土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

3.6.2 混凝土耐久性

選擇水膠比 0.45，12% 膨脹劑摻量，30%、40% 粉煤灰進(jìn)行混凝土抗凍抗?jié)B試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表 7、8。

從試驗(yàn)結(jié)果看，水膠比 0.45，12% 膨脹劑摻量，30%、40% 粉煤灰微膨脹混凝土抗凍抗?jié)B均滿足設(shè)計(jì)要求，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土動(dòng)彈模量率略有降低，但凍融循環(huán) 250次混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量率都達(dá)到 80% 以，相對(duì)動(dòng)彈模率較高，說明微膨脹混凝土的抗凍融性能良好。

表7 混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果

表8 混凝土具體抗凍試驗(yàn)結(jié)果

3.6.3 混凝土自身體積變形

根據(jù)表 4 試驗(yàn)方案，進(jìn)行不同水膠比、粉煤灰摻量及膨脹劑摻量的混凝土自身體積變形試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見 9。

從最終試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

（1）在水膠比、粉煤灰摻量一定情況下，膨脹劑摻量越大，混凝土自身體積變形越大。

（2）在膨脹劑、粉煤灰摻量一定情況下，水膠比的大小對(duì)混凝土自身體積變形影響不大。

（3）在水膠比、膨脹劑摻量一定的情況下，粉煤灰摻量越大，混凝土自身體積變形越大。

（4）不同水膠比，不同粉煤灰摻量，12%～16% 不同膨脹劑摻量的微膨脹混凝土，其 180d 自生體積變形均滿足設(shè)計(jì)≥50με 的要求。

表9 不同水膠比、粉煤灰摻量、膨脹劑摻量的混凝土自身體積變形 με

3.6.4 混凝土限制膨脹率

限制膨脹率試驗(yàn)依據(jù) GB 50119－2013 規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，其具體結(jié)果見表 10。

表10 混凝土限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

從表 10 試驗(yàn)結(jié)果看，混凝土中摻入膨脹劑后，早期膨脹效果明顯大于普通混凝土，摻入膨脹劑大大提高了混凝土的限制膨脹率，其 14d 水中和 28d 空氣中的限制膨脹率均滿足了規(guī)范 GB 50119－2013 要求，摻膨脹劑對(duì)于減少混凝土早期的裂縫是有一定積極意義的，達(dá)到了微膨脹的效果。

3.7 推薦混凝土配合比

根據(jù)以上硬化混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)（強(qiáng)度、自身體積變形、極限拉伸、限制膨脹率），對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多方面的總結(jié)比較，在滿足規(guī)范微膨脹混凝土的膠凝材料用量不宜小于300kg/m3前提下，再結(jié)合委托方技術(shù)要求，在限制水膠比范圍內(nèi)最終確定膨脹劑的摻量及合適的配合比參數(shù)。其結(jié)果見表 11。

表11 推薦微膨脹混凝土配合比 kg/m3

4 結(jié)語

通過以上不同水膠比（0.40、0.45、0.50）、不同粉煤灰摻量（30%、40% ）及膨脹劑摻量（12%、14%、16%）混凝土物理力學(xué)性能及配合比試驗(yàn)結(jié)果，可以得出：

（1）水膠比、粉煤灰摻量相同的情況下，膨脹劑摻量越高，混凝土強(qiáng)度越低，但下降幅度不大；

（2）水膠比、膨脹劑摻量相同的情況下，粉煤灰摻量越高，混凝土強(qiáng)度越低，混凝土自身體積變形越大；

（3）采用中熱 42.5 水泥摻加 16% 的膨脹劑，同摻 30%粉煤灰，14d 內(nèi)混凝土自身體積變形最大為 166με。

總之，對(duì)于中熱 42.5 水泥，膨脹劑摻量超過 10%，混凝土強(qiáng)度也沒明顯降低，混凝土力學(xué)、變形等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，且熱學(xué)指標(biāo)優(yōu)于普通混凝土。當(dāng)膨脹劑摻量大于 10% 時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土強(qiáng)度略有下降，但整體看來相差不大。