抗裂型外加劑對(duì)粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

蔣建華，林明益，裘佳琪

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024)

隨著混凝土材料不斷向高強(qiáng)度、高性能化發(fā)展，現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的早期開(kāi)裂已經(jīng)成為一個(gè)越來(lái)越突出的問(wèn)題?；炷寥舢a(chǎn)生危害性裂縫，將會(huì)對(duì)混凝土力學(xué)性能、耐久性能等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，裂縫控制是保證結(jié)構(gòu)安全與耐久性的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。在混凝土中使用抗裂型外加劑是改善混凝土早期抗裂性能、滿足工程耐久性要求的主要技術(shù)途徑[3-6]。為了更好地指導(dǎo)抗裂型外加劑在混凝土中的應(yīng)用，研究抗裂型外加劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響十分必要。

目前已有學(xué)者在抗裂型外加劑對(duì)混凝土的性能影響方面作了相關(guān)研究。李華[7]等作了含膨脹劑混凝土構(gòu)件損傷的力學(xué)和聲學(xué)分析；Wang[8]等研究了CaO、MgO膨脹劑對(duì)鋼管混凝土變形及力學(xué)性能的影響；崔朋勃[9]對(duì)不同膨脹劑摻量下的噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。高培偉[10]對(duì)摻粉煤灰與新型鎂質(zhì)類膨脹劑的大體積混凝土進(jìn)行了力學(xué)性能研究。周小菲[11]等研究了摻加膨脹劑的混凝土抗裂效果。目前的研究主要集中在特定外加劑對(duì)混凝土各方面性能的改進(jìn)上，而對(duì)于不同類型外加劑及其摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響對(duì)比研究有待加強(qiáng)，因此有必要對(duì)其開(kāi)展試驗(yàn)研究。

本文針對(duì)抗裂型外加劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，選取兩種抗裂型外加劑，并考慮外加劑摻量的影響，分別研究了粉煤灰混凝土在養(yǎng)護(hù)條件與硫酸鹽腐蝕條件下的抗壓強(qiáng)度演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料采用F級(jí)粉煤灰；粗骨料為粒徑為5～15 mm的碎石，級(jí)配良好；細(xì)骨料為河砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)2.5；無(wú)水硫酸鈉，純度大于99.5%。

本試驗(yàn)采用兩種外摻型抗裂劑，分別為UEA型膨脹劑、HME-V(溫控·防滲)高效抗裂防滲劑。UEA型膨脹劑以硫鋁酸鹽為主，通過(guò)適度膨脹補(bǔ)償收縮。HME-V(溫控-防滲)高效抗裂防滲劑是一種具有調(diào)控水泥水化放熱速度、補(bǔ)償水泥基材料收縮雙重作用，由混凝土水化溫升抑制劑，與氧化鈣類或硫鋁酸鈣-氧化鈣類或氧化鎂復(fù)合膨脹劑按照一定比例復(fù)合的水泥基膨脹材料。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制備

試件設(shè)計(jì)為100 mm×100 mm×100 mm立方體，水膠比為0.40。養(yǎng)護(hù)試件粉煤灰摻量為10%、20%、30%；腐蝕試件粉煤灰摻量為20%。參照各類型外加劑的摻量范圍，UEA型膨脹劑考慮2%、5%和8%三種摻量，HME-V的摻量為5%、8%和10%，粉煤灰和外加劑均采用等量取代水泥的方式。表1為摻兩種抗裂劑的粉煤灰混凝土試件配合比。

1.3 養(yǎng)護(hù)與硫酸鹽腐蝕

試件脫模后分為養(yǎng)護(hù)試件與腐蝕試件，養(yǎng)護(hù)試件放入裝有溫度(20±2)℃的清水養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)測(cè)試齡期(7、28、60、90、120 d)。將用于硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)的試件養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后，放入溫度(20±2)℃，濃度15%的Na2SO4溶液中以全浸泡的方式模擬腐蝕環(huán)境，腐蝕齡期設(shè)計(jì)為60、150、210 d。每月定期更換一次溶液，以保證pH的穩(wěn)定。

表1 混凝土試件配合比 (單位：kg/m3)

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

采用200噸微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖1)，根據(jù)《GBT 50081—2019混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。測(cè)得的抗壓強(qiáng)度用于對(duì)比和研究不同工況下試件力學(xué)性能的變化規(guī)律，因此結(jié)果中所用的抗壓強(qiáng)度值直接采用立方體試件的破壞強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)混凝土力學(xué)性能的常用指標(biāo)，通過(guò)比較各侵蝕齡期抗壓強(qiáng)度的變化，以反映混凝土受硫酸鹽侵蝕各階段的性能劣化過(guò)程，對(duì)比分析不同外加劑、外加劑不同摻量對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響規(guī)律。

2.1 UEA膨脹劑的影響

2.1.1 不同粉煤灰摻量下28 d抗壓強(qiáng)度變化

為了比較不同粉煤灰摻量下UEA膨脹劑的摻量影響，得到不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的變化，如圖2所示。

圖1 萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)

圖2 不同粉煤灰摻量對(duì)UEA試件28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2知，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，5%UEA膨脹劑摻量下的試件抗壓強(qiáng)度較2%摻量下的試件強(qiáng)度增長(zhǎng)3.4%，8%摻量下的試件強(qiáng)度較5%下降13.3%；粉煤灰摻量為20%時(shí)，隨著外加劑摻量的增加，強(qiáng)度略有提高，5%摻量下的試件強(qiáng)度較2%增加3.3%，8%較5%增長(zhǎng)2.1%；粉煤灰摻量為30%時(shí)，5%摻量下的試件強(qiáng)度較2%增加16%，8%較5%下降18.6%?？傮w而言，不同粉煤灰摻量下，5%的UEA摻量是較優(yōu)摻量。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

圖3 UEA膨脹劑混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的影響

在特定的齡期對(duì)摻加UEA膨脹劑的混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，選取30%粉煤灰摻量的試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)，得到不同膨脹劑摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律(圖3)。由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，在28 d至60 d齡期之間，強(qiáng)度顯著性提高。90 d的試件強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定。2%、5%、8%外加劑摻量下，60 d較28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)44.8%、26.2%和35.8%。隨著水泥熟料礦物成份的充分水化，強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于粉煤灰前期主要作為惰性填充材料，其火山灰效應(yīng)主要表現(xiàn)在后期，水泥水化時(shí)產(chǎn)生的游離Ca(OH)2和粉煤灰中的活性成分SiO2與Al2O3之間的二次反應(yīng)產(chǎn)生了附加水化產(chǎn)物，且由熟料水化反應(yīng)所產(chǎn)生的高堿性水化物與粉煤灰中的活性氧化硅反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為低堿性水化物使膠凝性能提高，從而提高了混凝土強(qiáng)度[1]?？傮w而言，抗壓強(qiáng)度在60 d至90 d后已趨于穩(wěn)定。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)齡期內(nèi)，總體而言，膨脹劑摻量為5%的抗壓強(qiáng)度整體最高，其后分別為2%和8%。

2.1.3 抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的變化

對(duì)于硫酸鹽腐蝕后的試件，經(jīng)強(qiáng)度試驗(yàn)后得到不同UEA膨脹劑摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度隨硫酸鹽侵蝕齡期的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 摻UEA膨脹劑混凝土抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的變化

圖4表明，UEA混凝土150 d抗壓強(qiáng)度大于60 d抗壓強(qiáng)度，210 d混凝土抗壓強(qiáng)度小于150 d抗壓強(qiáng)度。2%摻量下的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，8%摻量下的強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，這一階段的強(qiáng)度為粉煤灰的火山灰作用及硫酸鹽侵蝕共同作用的結(jié)果。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰參與二次水化的速率加快，生成較高粘接強(qiáng)度的水化硅酸鈣凝膠，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高了混凝土力學(xué)性能。由于二次水化需要Ca(OH)2，其為水泥水化后的產(chǎn)物，隨著膨脹劑取代率的增加而減小，因此強(qiáng)度增長(zhǎng)率表現(xiàn)為2%依次大于5%和8%。此時(shí)由于腐蝕齡期較短，腐蝕破壞造成的強(qiáng)度損失小于二次反應(yīng)的增強(qiáng)作用，強(qiáng)度仍表現(xiàn)為上升階段。隨著腐蝕的持續(xù)進(jìn)行，齡期達(dá)到210 d時(shí)，膨脹劑摻量為5%和8%時(shí)，強(qiáng)度下降，2%摻量下的混凝土強(qiáng)度基本保持不變。

2.2 HME-V抗裂劑的影響

2.2.1 不同粉煤灰摻量下28 d抗壓強(qiáng)度變化

為了比較不同粉煤灰摻量下HME-V的摻量影響，得到不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的變化情況，如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰摻量對(duì)UEA試件28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可知，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，8%HME-V抗裂劑摻量作用下的抗壓強(qiáng)度較5%摻量增加48.33%，10%摻量較8%降低51.63%。粉煤灰摻量較低時(shí)，即10%摻量下，抗壓強(qiáng)度隨著外加劑摻量的增加呈現(xiàn)出先增后降的變化趨勢(shì)；20%粉煤灰摻量下，HME-V抗裂劑摻量增加至10%時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度具有較大的促進(jìn)作用，較5%摻量下的強(qiáng)度增長(zhǎng)39.7%；30%粉煤灰摻量下，三者的強(qiáng)度較為接近，8%摻量下的強(qiáng)度略有降低。不同粉煤灰摻量下，HME-V抗裂劑的摻量對(duì)28 d強(qiáng)度會(huì)有影響，10%粉煤灰摻量下以8%的試件28 d強(qiáng)度最高，當(dāng)粉煤灰含量為20%、30%時(shí)，隨著HME-V抗裂劑含量增加，試件28 d強(qiáng)度先降后升。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

為研究不同摻量的HME-V抗裂劑對(duì)養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展的影響，選取30%粉煤灰含量的試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)，得到試件強(qiáng)度隨齡期(7～120 d)的發(fā)展規(guī)律，如圖6所示。

圖6 HME-V抗裂防滲劑摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的影響

從圖6可以看出，抗壓強(qiáng)度28 d至60 d齡期增長(zhǎng)顯著，90～120 d內(nèi)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。5%、8%、10%摻量下，120 d強(qiáng)度較28 d分別增長(zhǎng)61%、27%和50.8%，而28～60 d強(qiáng)度增長(zhǎng)占比59.8%、60%、65.8%。由于混凝土本身存在較大的離散型，導(dǎo)致10%外加劑摻量下的混凝土試件在90 d齡期時(shí)的強(qiáng)度略有波動(dòng)。

5%HME-V摻量下的抗壓強(qiáng)度大于10%和8%。由于粉煤灰取代水泥比例較高，早期水泥的水化產(chǎn)物生成量相對(duì)減少，強(qiáng)度降低，而隨著外加劑摻量的增加，進(jìn)一步減少了水泥用量，同時(shí)其膨脹應(yīng)力較大對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，由此5%外加劑摻量下的抗壓強(qiáng)度高于其余兩組試件。由于氧化鈣類型外加劑通過(guò)水化反應(yīng)生成氫氧化鈣，在增加堿度的同時(shí)促進(jìn)粉煤灰的二次水化作用，利于強(qiáng)度的增長(zhǎng)，由此10%外加劑摻量下的強(qiáng)度相對(duì)于8%略有提高。

2.2.3 抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的變化

摻HME-V抗裂劑混凝土在硫酸鹽侵蝕60 d至210 d的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 摻HME-V抗裂劑混凝土抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的變化規(guī)律

圖7表明，摻HME-V抗裂劑混凝土在硫酸鹽侵蝕達(dá)210 d時(shí)強(qiáng)度未出現(xiàn)損失。5%摻量下，立方體60 d與210 d抗壓強(qiáng)度基本相近；8%摻量下隨侵蝕齡期的增加強(qiáng)度略有增長(zhǎng)；10%摻量下，強(qiáng)度增加較為顯著。硫酸根離子侵入內(nèi)部生成鈣礬石等侵蝕性產(chǎn)物，致使強(qiáng)度略有提升?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，摻HME-V抗裂劑能有效提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能。

2.3 不同外加劑對(duì)比分析

2.3.1 不同粉煤灰摻量下28 d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

針對(duì)不同粉煤灰摻量，對(duì)摻加兩種抗裂型外加劑試件的28 d抗壓強(qiáng)度作對(duì)比分析，不同類型外加劑混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度在不同粉煤灰摻量下的對(duì)比圖如圖8所示。

由圖8可知，5%和8%兩種摻量下，隨著粉煤灰摻量的提高(10%～30%)，兩種抗裂外加劑的試件28 d抗壓強(qiáng)度均降低。不同粉煤灰摻量下UEA試件28 d強(qiáng)度總是大于HME-Ⅴ試件。5%和8%兩種摻量下，UEA試件和HME-Ⅴ試件的28 d強(qiáng)度隨粉煤灰含量的變化規(guī)律相似。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

進(jìn)一步分析不同外加劑作用下，30%粉煤灰含量的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期(7～120 d)的增長(zhǎng)規(guī)律。不同外加劑摻量下，混凝土試件各齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖9所示。

由圖9可知， UEA膨脹劑摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度在試驗(yàn)齡期內(nèi)分別大于同摻量下的HME-Ⅴ抗裂劑混凝土。UEA膨脹劑和HME-Ⅴ抗裂劑混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律較為一致，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d齡期內(nèi)強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，至60 d時(shí)達(dá)到后期強(qiáng)度的85%至90%，且二者強(qiáng)度逐漸接近。28 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)主要為粉煤灰的二次水化貢獻(xiàn)作用，兩種外加劑作用下的混凝土均在90 d后強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定值，表明在該養(yǎng)護(hù)齡期下粉煤灰及水泥水化反應(yīng)已趨于穩(wěn)定。相同摻量下，摻加UEA膨脹劑的試件強(qiáng)度總在摻加HME-V的試件之上。

2.3.3 抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的變化

不同抗裂型外加劑對(duì)混凝土硫酸鹽腐蝕后的力學(xué)性能影響程度不同。通過(guò)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律可以直觀反映試件力學(xué)性能退化過(guò)程，以對(duì)比抗裂型外加劑對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響。不同外加劑摻量的混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的變化如圖10所示。

圖8 不同粉煤灰摻量下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的對(duì)比

圖9 不同類型外加劑混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的對(duì)比

圖10 不同類型外加劑混凝土抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期的對(duì)比

摻UEA型膨脹劑混凝土腐蝕150 d抗壓強(qiáng)度較初始強(qiáng)度增長(zhǎng)31.5%；摻HME-Ⅴ抗裂劑混凝土腐蝕60 d強(qiáng)度較未腐蝕混凝土強(qiáng)度增加一倍，強(qiáng)度顯著增長(zhǎng)，至210 d腐蝕齡期，強(qiáng)度仍未表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。兩種摻量下，摻HME-Ⅴ抗裂劑混凝土強(qiáng)度總在摻加UEA的混凝土之上。

HME-V抗裂劑以氧化鈣為膨脹源，水化生成氫氧化鈣補(bǔ)償收縮，在硫酸鹽腐蝕過(guò)程中，氫氧化鈣與硫酸鈉、水化鋁酸鈣等反應(yīng)生成鈣礬石，此反應(yīng)消耗的部分漿體中的氫氧化鈣由早期外加劑水化生成的氫氧化鈣不斷補(bǔ)充，由于鈣礬石相較于氫氧化鈣密度小，反應(yīng)過(guò)程中體積大幅增加，產(chǎn)生適度的體積膨脹應(yīng)力利于強(qiáng)度增長(zhǎng)[12]。且相較于未腐蝕前，孔隙更為致密，孔隙率下降，后期SO42-離子侵蝕緩慢，210 d內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)損傷不明顯，強(qiáng)度未出現(xiàn)損失。UEA型膨脹劑通過(guò)鈣礬石填充孔隙，溶液與填充產(chǎn)物無(wú)法進(jìn)一步反應(yīng)，因此在腐蝕過(guò)程中，抗壓強(qiáng)度的小幅增長(zhǎng)主要由侵蝕產(chǎn)物鈣礬石、石膏對(duì)孔隙的進(jìn)一步填充引起，此后較大的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致210 d強(qiáng)度開(kāi)始下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，HME-V外加劑相對(duì)于UEA外加劑在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下，早期對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大的促進(jìn)作用，后期離子的腐蝕破壞作用相對(duì)緩慢，對(duì)強(qiáng)度的負(fù)面效應(yīng)相對(duì)延遲。就抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，HME-V外加劑較UEA能進(jìn)一步延緩混凝土的硫酸鹽腐蝕進(jìn)程。

3 結(jié)論

1)不同粉煤灰摻量下，5%的UEA摻量是較優(yōu)摻量。30%粉煤灰摻量的UEA混凝土試件在養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，抗壓強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，在90 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；UEA摻量為5%的抗壓強(qiáng)度整體最高，其后分別為2%和8%。硫酸鹽腐蝕后以5%摻量的試件損失最低。

2)粉煤灰摻量不同時(shí)，HME-V作用效果也不同。30%粉煤灰摻量的HME-V混凝土試件抗壓強(qiáng)度在90 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，HME-V摻量為5%的抗壓強(qiáng)度最高，其后為10%和8%。硫酸鹽腐蝕后以5%摻量的試件損失最低。

3)對(duì)比VEA型膨脹劑和HME-V高效抗裂防滲劑兩種外加劑在5%和8%兩種摻量下，隨著粉煤灰摻量的提高(10%～30%)，兩種抗裂外加劑的試件28 d抗壓強(qiáng)度均降低，強(qiáng)度變化規(guī)律相似。養(yǎng)護(hù)的30%粉煤灰摻量的UEA試件強(qiáng)度總大于HME-V的試件，硫酸鹽腐蝕以后摻加HME-V的試件強(qiáng)度大于UEA試件強(qiáng)度。硫酸鹽腐蝕環(huán)境下，HME-V外加劑較UEA能進(jìn)一步延緩混凝土的硫酸鹽腐蝕造成的力學(xué)性能損失。