用鈣、鎂基膨脹劑補償混凝土收縮的試驗研究

陳裕佳

（1. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027；2. 廈門市建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

0 前言

混凝土在澆筑硬化過程中，由于化學(xué)減縮、冷縮、干縮等原因會引起體積收縮，表現(xiàn)為混凝土開裂破壞、混凝土抗?jié)B性不良造成滲漏破壞、開裂導(dǎo)致的鋼筋銹蝕、體積不穩(wěn)定等[1]。這些收縮開裂破壞損害了混凝土的體積穩(wěn)定性從而影響其結(jié)構(gòu)功能，降低了混凝土耐久性能，因而縮短了其服役壽命[2-4]。在混凝土中摻加膨脹劑，利用其產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)補償混凝土的收縮，制成體積穩(wěn)定性好的補償收縮混凝土是一種常用的經(jīng)濟、有效又實用的方法[5]。

1 補償收縮機理

1970 年日本小野田水泥公司開發(fā)出以 CaO 為膨脹源的石灰系混凝土膨脹劑，該膨脹劑是用石灰石、石膏、粘土作原料，在高溫煅燒成含 40%～50% 游離鈣基膨脹劑的膨脹熟料，再經(jīng)粉磨而成。其膨脹反應(yīng)為：

石灰系膨脹劑的膨脹分為兩個階段：首先在水泥水化初期，在水泥顆粒骨架間隙中生成凝膠狀 Ca(OH)2產(chǎn)生第一期膨脹；接著發(fā)生 Ca(OH)2重結(jié)晶開始第二期膨脹，這一過程在石灰水化反應(yīng)到 Ca(OH)2晶體全部轉(zhuǎn)化為大的異方型、六角板狀結(jié)晶后才結(jié)束。從宏觀上看，隨著晶體的轉(zhuǎn)化，體積不斷膨脹。

由于石灰系膨脹劑的膨脹速率對溫度、濕度等環(huán)境影響十分敏感而較難于控制，其生產(chǎn)與使用時間不能間隔過長，且保質(zhì)期短，故而較少用于一般混凝土的補償收縮。目前，主要用于制備灌漿料，為設(shè)備基礎(chǔ)和地腳螺栓等灌漿，以及用于無聲爆破時的靜態(tài)破碎劑[6]。

補償混凝土收縮的膨脹劑不僅有鈣基的，還有鎂基的（氧化鎂系列膨脹劑），鎂基膨脹劑是將燒成溫度在900～950℃ 的鎂基膨脹劑（MgO）磨制而成，MgO 的細(xì)度控制在 300～1180μm 內(nèi)，其膨脹反應(yīng)式為：

其膨脹過程與石灰膨脹劑基本相同。MgO 所產(chǎn)生的膨脹率能符合大體積混凝土補償收縮的要求，可以解決大體積混凝土的收縮裂縫問題。

基于上述機理，擬通過在膠凝材料中摻加一定比例的以活性氧化鈣或氧化鎂為主要成份的膨脹劑，利用其水化過程的體積膨脹來補償混凝土收縮的影響。

2 試驗

2.1 試驗設(shè)計

分別以 0%、5%、10% 和 15% 的比例，用兩種膨脹劑以內(nèi)摻法替代水泥，保持水膠比、用水量、骨料和減水劑用量不變，配制混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，測試其收縮性能。具體配合比如表1所示（基準(zhǔn)組編號為 JZ，鈣基為 C，鎂基為 M）。

2.2 原材料

2.2.1 水泥

表1 使用膨脹劑的混凝土配合比

試驗所用水泥為福建紅獅水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5 級散裝水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表 2。

表2 試驗所用水泥的性能指標(biāo)

2.2.2 鈣、鎂基膨脹劑

鈣基膨脹劑為工業(yè)級 CaO，此鈣基膨脹劑由石灰石煅燒法制得。鎂基膨脹劑為工業(yè)級輕燒 MgO，其物理化學(xué)性質(zhì)見表 3。

表3 鈣、鎂基膨脹劑的基本物理化學(xué)性質(zhì)

2.2.3 其他

試驗所用減水劑為聚羧酸減水劑，砂的細(xì)度模數(shù)為 2.6，石子是由 4.75～9.5mm、9.5～19mm 和 19～31.5mm 三種級配的機械碎石組成。所用水為普通城市自來水，水質(zhì)符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定。

2.3 試驗方法

本試驗混凝土抗壓強度的檢測按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm?；炷潦湛s性的測試是根據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定進行的，試驗采用接觸法，試件尺寸為100mm×100mm×515mm 的棱柱體。試件放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，每到齡期取出試件檢測之后便重新放回養(yǎng)護室。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 鈣、鎂膨脹劑對混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土拌合過程通過調(diào)節(jié)外加劑的方法，控制坍落度在 160～190mm 之間，混凝土沒有出現(xiàn)泌水、骨料堆積等狀況，和易性良好。

鈣、鎂基膨脹劑對混凝土力學(xué)性能影響的試驗結(jié)果如表 4、圖1及圖2所示。

表4 摻入不同比例鈣、鎂基膨脹劑混凝土力學(xué)性能

圖1 摻入不同比例鈣基膨脹劑混凝土的力學(xué)性能

圖1 的結(jié)果顯示，鈣基膨脹劑的摻量為 5% 時，混凝土的抗壓與抗彎拉強度較基準(zhǔn)試樣均有所提高。隨著膨脹劑摻量的繼續(xù)增加，混凝土的抗壓強度值逐漸地降低。在膨脹劑摻量為 15% 時，混凝土試樣的 7d和 28d 抗壓強度甚至低于基準(zhǔn)試樣，而 7d 和 28d 抗彎拉強度雖然較摻 5% 膨脹劑的試樣要低，但依然高于基準(zhǔn)試樣。說明摻適量的鈣基膨脹劑（≤5%），有助于改善混凝土的力學(xué)性能，但是鈣基膨脹劑的摻量過大（≥10%），會對混凝土的力學(xué)性能尤其是抗壓強度產(chǎn)生不利的影響。

圖2 摻入不同比例鎂基膨脹劑混凝土的力學(xué)性能

圖2 是摻加鎂基膨脹劑對混凝土力學(xué)性能影響的試驗結(jié)果，與摻加鈣基膨脹劑的結(jié)果類似，摻加適量（≤5%）鎂基膨脹劑，有助于改善混凝土的力學(xué)性能。但是膨脹劑摻量過大（≥10%），會對混凝土的力學(xué)性能尤其是抗壓強度產(chǎn)生不利影響。

3.2 鈣基膨脹劑對混凝土收縮性能的影響

使用鈣基膨脹劑補償混凝土收縮的試驗結(jié)果如表 5和圖3所示。

表5 摻加不同比例鈣基膨脹劑混凝土的收縮率

圖3 摻入各比例鈣基膨脹劑混凝土的收縮率

由圖3可知，在摻加鈣基膨脹劑后，由于氧化鈣水化生成氫氧化鈣的體積膨脹效應(yīng)，可以有效補償混凝土的收縮。尤其是在前3天，摻 5% 和 10% 鈣基膨脹劑的混凝土試樣收縮率幾乎為零（如圖 3A），摻 15% 鈣基膨脹劑的混凝土試樣甚至還產(chǎn)生了微量膨脹。3 天以后，摻補償劑的混凝土試樣雖然還有收縮，但其收縮率較不摻補償劑的基準(zhǔn)試樣顯著減小，28 天僅為基準(zhǔn)試樣收縮率的 46%～57%。且摻入 5% 的鈣基膨脹劑即可獲得顯著的收縮補償效果，摻量增加到 10% 和 15%后，收縮補償效果再無明顯改善（如圖 3B）。

3.3 鎂基膨脹劑對混凝土收縮性能的影響

使用鎂基膨脹劑補償混凝土收縮的試驗結(jié)果如表 6和圖 4。

表6 摻加不同比例鎂基膨脹劑混凝土的收縮率

圖4 摻入各比例鎂基膨脹劑對混凝土的收縮率

由圖4可知，鎂基膨脹劑對混凝土的收縮補償作用較鈣基膨脹劑更明顯。在前3天，不僅補償了混凝土的收縮，還使試樣總體出現(xiàn)了微量膨脹（如圖 4A），這應(yīng)該是因為鎂基膨脹劑的反應(yīng)活性比鈣基的要強，其水化反應(yīng)進行得更快的緣故。3 天后摻鎂基膨脹劑的混凝土試樣雖然還有收縮，但其收縮率較之基準(zhǔn)試樣已明顯減少，28 天時的收縮率僅為基準(zhǔn)試樣的 36%～52%。如圖 4B，與鈣基膨脹劑一樣，雖然隨著補償劑摻量的增加，收縮補償作用進一步增強，但改善幅度并不大。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述內(nèi)容的研究結(jié)果表明：鈣基和鎂基膨脹劑均可有效補償混凝土的收縮。鎂基膨脹劑比鈣基膨脹劑的補償效果要更好。綜合考慮收縮補償效果與經(jīng)濟性，膨脹劑的適宜摻量為膠凝材料總量的 5%。摻適量的鈣、鎂基膨脹劑（≤5%），有助于改善混凝土的力學(xué)性能，但是摻量過大（≥10%）時，會對混凝土的力學(xué)性能尤其是抗壓強度產(chǎn)生不利的影響。