養(yǎng)護(hù)溫度和膨脹劑耦合作用對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

李月霞，祝方平，苗苗

（1重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；2中國(guó)建筑第二工程局有限公司，重慶 400020；3重慶大學(xué) 材料學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

隨著混凝土技術(shù)的迅速發(fā)展，高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的制備與應(yīng)用變得越來越普及。但是，與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土高膠凝材料用量和低水膠比的特點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生更大的收縮變形和更高的開裂風(fēng)險(xiǎn)?；炷烈坏╅_裂，其強(qiáng)度和耐久性問題將無法保證。這很大程度上限制了現(xiàn)澆高強(qiáng)混凝土在建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用[1-3]。

目前，使用膨脹劑或膨脹水泥配制補(bǔ)償收縮混凝土是降低收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)的重要手段之一。補(bǔ)償收縮高強(qiáng)混凝土已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)自防水、鋼管核芯混凝土、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無縫施工等領(lǐng)域[1，4-9]。不同種類膨脹劑對(duì)普通混凝土（水膠比在0.4～0.7范圍內(nèi)）的補(bǔ)償收縮影響及機(jī)理已有大量研究，對(duì)高強(qiáng)混凝土的研究較少，針對(duì)更適用于高強(qiáng)混凝土的硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑（HCSA）的研究也較少[9-12]。且不同的養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥水化及混凝土的收縮變形有較大影響[13-16]。因此，本文結(jié)合試樣的孔結(jié)構(gòu)特征，研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度和HCSA膨脹劑耦合作用對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥化學(xué)組成見表1，物理和力學(xué)性能見表2。

表1 水泥和膨脹劑的化學(xué)組成（%）

表2 水泥的物理和力學(xué)性能

HCSA膨脹劑：HCSA的化學(xué)組成見表1，XRD物相分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 HCSA膨脹劑XRD物相分析圖

減水劑（SP）：蘇博特PCA系列聚羧酸高性能減水劑，固含量為23%，減水率為30%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）混凝土配合比及其養(yǎng)護(hù)制度

試驗(yàn)配合比如表3所示，其中C-0、C-8、C-10分別表示膨脹劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0%、8%和10%，減水劑摻量按混凝土坍落度指標(biāo)達(dá)到 （200±10）mm來確定。養(yǎng)護(hù)溫度分別為20℃、40℃和60℃。混凝土試件帶模養(yǎng)護(hù)（模擬限制條件）且表面密封（防止試件與環(huán)境進(jìn)行水分交換）。

表3 混凝土配合比

（2）混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

高強(qiáng)混凝土的制備和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）進(jìn)行。

（3）孔結(jié)構(gòu)測(cè)試分析

采用美國(guó)麥克公司的ASAP2010比表面孔徑分析儀對(duì)試樣進(jìn)行氮吸附和脫附試驗(yàn)。根據(jù)BJH理論對(duì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和表征。

（4）XRD物相分析

采用日本理光TTR-ⅢX-射線衍射儀對(duì)HCSA膨脹劑進(jìn)行物相分析（掃描速度為8°/min，掃描角度2θ=10°-70°）。

2 結(jié)果與討論

HCSA膨脹劑摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度及其強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響如圖2（a）和2（b）所示。對(duì)不同膨脹劑摻量下的高強(qiáng)混凝土試樣（養(yǎng)護(hù)1d）進(jìn)行孔徑分布測(cè)試分析，其氮?dú)獾葴匚?、脫附曲線如圖3（a）所示，孔徑分布對(duì)比如圖4所示。

圖2 膨脹劑摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土（a）抗壓強(qiáng)度及其（b）強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響

圖3 （a）不同膨脹劑摻量和（b）不同養(yǎng)護(hù)溫度的高強(qiáng)混凝土試樣的氮?dú)馕?、脫附曲線

圖4 不同膨脹劑摻量試樣的孔徑分布對(duì)比（a）累計(jì)孔徑分布（b）孔徑分布

由圖2（a）可以看出：摻加膨脹劑可以提高高強(qiáng)混凝土在限制條件下的抗壓強(qiáng)度。對(duì)比不同膨脹劑摻量試樣的28d抗壓強(qiáng)度值可知，8%的膨脹劑摻量為本試驗(yàn)條件下的最佳摻量，可獲得最高的抗壓強(qiáng)度值。不同膨脹劑摻量的試樣各齡期的抗壓強(qiáng)度與其28d抗壓強(qiáng)度的比值，可以用來分析試樣的強(qiáng)度發(fā)展。由圖2（b）可知：在水化初期，未摻膨脹劑的混凝土試樣1d抗壓強(qiáng)度發(fā)展最快，其次是8%膨脹劑摻量試樣，最后是10%膨脹劑摻量試樣。而3d時(shí)10%膨脹劑試樣抗壓強(qiáng)度發(fā)展速率最大，其次是未摻膨脹劑的混凝土試樣，最后是8%膨脹劑試樣，說明在1-3d期間內(nèi)摻膨脹劑試樣強(qiáng)度發(fā)展迅速，而且此時(shí)8%膨脹劑試樣的3d強(qiáng)度發(fā)展速率雖然仍落后于未摻膨脹劑試樣，但二者差距很??；7d時(shí)，10%膨脹劑試樣仍最快，8%膨脹劑試樣的強(qiáng)度發(fā)展速率已經(jīng)超過未摻膨脹劑試樣；而在后期，90d強(qiáng)度發(fā)展速率排序與7d時(shí)的正好相反（與1d時(shí)的相同），即未摻膨脹劑的混凝土試樣強(qiáng)度發(fā)展最快，8%膨脹劑試樣其次，10%膨脹劑試樣最慢。

摻與不摻膨脹劑，試樣在早期和后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率表現(xiàn)出明顯的差異，這可能與膨脹劑對(duì)強(qiáng)度發(fā)展有正負(fù)兩方面作用有關(guān)。一方面，膨脹劑與水泥在水化過程中會(huì)發(fā)生水分競(jìng)爭(zhēng)，HCSA膨脹劑的競(jìng)爭(zhēng)需水能力強(qiáng)于水泥，導(dǎo)致用于水泥水化的水量減少，水泥早期水化速率變慢，即膨脹劑會(huì)抑制水泥早期水化，對(duì)早期強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生負(fù)作用；而另一方面，膨脹劑在早期快速生成鈣礬石等水化產(chǎn)物，有利于細(xì)化孔隙，對(duì)強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生正作用。而最終的結(jié)果是二者的博弈。所以，在1d時(shí)，摻膨脹劑混凝土中雖然有部分膨脹產(chǎn)物生成，但在大孔隙率情況下負(fù)作用占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為不摻膨脹劑混凝土強(qiáng)度發(fā)展快于摻膨脹劑。但隨著基體孔隙率的不斷降低，尤其是在限制條件下，膨脹產(chǎn)物使混凝土更加密實(shí)的作用越來越顯著，在3d后開始正作用占主導(dǎo)。而通常HCSA的膨脹劑在14～28d達(dá)到穩(wěn)定期，當(dāng)膨脹產(chǎn)物不再生成，后期又轉(zhuǎn)為負(fù)作用占主導(dǎo)。

不同孔徑在吸附等溫線上具有特征吸附效應(yīng)。微孔 （孔寬＜2 nm）相互之間的距離只有幾個(gè)分子直徑，臨近孔壁勢(shì)場(chǎng)相互疊加增加了吸附劑與氣體分子的相互作用，導(dǎo)致在較低的相對(duì)壓力下吸附量明顯增加，使吸附等溫線快速上升；中孔（孔寬2～50 nm）凝聚和解凝相對(duì)壓力不同，使吸附等溫線形成滯后環(huán)；而大孔（孔寬＞50 nm）的尺寸范圍較寬，相對(duì)壓力接近于1[17-18]。所以根據(jù)不同種類的孔在液氮溫度下的吸附特點(diǎn)可分析出材料的孔隙結(jié)構(gòu)。如圖3（a）、圖4所示：摻加膨脹劑的混凝土試樣其吸附、脫附等溫線的分離程度明顯小于未摻加膨脹劑的試樣組。且摻加8%膨脹劑試驗(yàn)組的孔結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于未摻加膨脹劑和膨脹劑摻量為10%的試驗(yàn)組。而摻10%膨脹劑試驗(yàn)組的大孔數(shù)量多于未摻膨脹劑試驗(yàn)組。這也從微觀角度解釋了圖2中養(yǎng)護(hù)期為1d時(shí)，摻加8%膨脹劑的試樣組抗壓強(qiáng)度最高，而摻10%膨脹劑試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度略低于未摻加膨脹劑試樣組的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5為最佳膨脹劑摻量 （本試驗(yàn)條件下最佳摻量為8%）的混凝土試樣在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度增長(zhǎng)率的試驗(yàn)結(jié)果。圖3（b）、圖6分別為不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土試樣（養(yǎng)護(hù)1d）的氮?dú)獾葴匚健⒚摳角€和孔徑分布對(duì)比。

圖5 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)高強(qiáng)混凝土（a）抗壓強(qiáng)度及其（b）強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響

圖6 不同養(yǎng)護(hù)溫度下試樣的孔徑分布對(duì)比（a）累計(jì)孔徑分布（b）孔徑分布

由圖6可以看出：摻加8%膨脹劑的混凝土試樣的1d、3d抗壓強(qiáng)度值和抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率都隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大，而其28d、90d抗壓強(qiáng)度值卻隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而減小。養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時(shí)混凝土1d、3d抗壓強(qiáng)度值達(dá)到其28d抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度值的94.7%、96.2%，而40℃和20℃時(shí)分別為79.1%、85.4%和58.5%、70.6%。這主要是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)溫度升高極大地促進(jìn)了水化反應(yīng)的進(jìn)行，使早期強(qiáng)度迅速提高，表現(xiàn)為試樣1～7d的抗壓強(qiáng)度值和抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率都隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大。但是，高溫作用下水化反應(yīng)迅速，水化產(chǎn)物來不及形成致密的相互搭接，不利于混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。所以試樣28d、90d抗壓強(qiáng)度值隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低。但是，在60℃的養(yǎng)護(hù)條件下，摻加8%膨脹劑的混凝土試樣的28d抗壓強(qiáng)度值仍高于20℃養(yǎng)護(hù)條件下未摻加膨脹劑的混凝土試樣。這說明，限制條件下，摻加膨脹劑可以提高高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度值，且在本試驗(yàn)條件下膨脹劑對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響大于養(yǎng)護(hù)溫度的影響。

由圖4（b）、圖7可以看出：隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，混凝土試樣吸附、脫附等溫線的分離程度逐漸增大，總孔隙體積減小且孔徑尺寸細(xì)化。這也從微觀角度解釋了圖6中養(yǎng)護(hù)期為1d時(shí)，抗壓強(qiáng)度值和抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率都隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大的試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)論

本文主要研究了膨脹劑摻量以及養(yǎng)護(hù)溫度和膨脹劑耦合作用對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，得到了如下結(jié)論：

（1）養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、絕濕的試驗(yàn)條件下，摻加HCSA膨脹劑可以優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，提高高強(qiáng)混凝土的28d抗壓強(qiáng)度值。且本試驗(yàn)條件下?lián)郊?%膨脹劑的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度值最高。

（2）摻與不摻膨脹劑，試樣在早期和后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率表現(xiàn)出明顯的差異，這可能與膨脹劑對(duì)強(qiáng)度發(fā)展有正負(fù)兩方面作用有關(guān)。在早期（1d）和后期（90d）是負(fù)作用占主導(dǎo)，表現(xiàn)為不摻膨脹劑混凝土強(qiáng)度發(fā)展速率快于摻膨脹劑混凝土，且速率隨著摻量增大而減小，而在中期（3d后）是正作用占主導(dǎo)，表現(xiàn)為在此期間摻膨脹劑混凝土強(qiáng)度發(fā)展更快，且摻量越大作用效果越顯著。

（3）膨脹劑摻量為8%的高強(qiáng)混凝土試件，其1～7d抗壓強(qiáng)度值和抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率都隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大，且養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時(shí)，試樣1d抗壓強(qiáng)度值高達(dá)其28d抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度值的94.7%。而試樣的28d、90d抗壓強(qiáng)度值卻隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低，但仍大于不摻膨脹劑的高強(qiáng)混凝土試件。

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