HME-V混凝土抗裂劑在水泥砂漿中的力學(xué)特性研究

陳彥紅， 陳季， 楊建新， 竇建瑜， 黃鈺程， 史培新， 唐強(qiáng)*

(1.中鐵十局集團(tuán)第五工程有限公司， 江蘇 蘇州 215011； 2.蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215131)

地下隧道是一個(gè)復(fù)雜的體系，由于地層條件的復(fù)雜性、隧道設(shè)計(jì)和施工的難度大，往往在投入使用后會(huì)出現(xiàn)許多問題，其中，較為常見的為隧道滲漏水。中國60%以上的隧道存在不同程度的病害，其中29.4%的隧道由于漏水嚴(yán)重而不能繼續(xù)使用。病害形式多與隧道漏水、結(jié)構(gòu)開裂密切相關(guān)，常被稱為“十隧九漏”[1-5]。

由于混凝土制備過程中會(huì)發(fā)生變形、膨脹和收縮，混凝土在養(yǎng)護(hù)成型之后就不可避免地出現(xiàn)許多微小的孔洞和裂縫。這些孔洞和裂縫通常是沒有危害的，不會(huì)對混凝土的日常使用造成影響，但當(dāng)它們受到外界因素包括荷載、溫差等影響后，這些微小的裂縫就會(huì)不斷增加，相互之間也會(huì)發(fā)生連通，最后往往會(huì)形成影響建筑物安全性和耐久性的宏觀裂縫。地下工程的側(cè)墻、頂板、底板等由于考慮到其長期結(jié)構(gòu)可靠性，內(nèi)部鋼筋密集，一方面使結(jié)構(gòu)體內(nèi)約束大，整體剛度大，不利于混凝土抗裂；另一方面過密的鋼筋布置給混凝土的施工澆筑及振搗帶來一定的困難，極易造成混凝土不密實(shí)，而出現(xiàn)開裂滲水現(xiàn)象[6-7]。

補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)在現(xiàn)澆大規(guī)模結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用較為普遍，運(yùn)用于抑制養(yǎng)護(hù)過程中由于內(nèi)部溫度應(yīng)力產(chǎn)生的先期裂縫。限制膨脹并彌補(bǔ)混凝土的部分收縮[8-10]。對補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)的深入研究是解決地下工程混凝土裂縫問題的一項(xiàng)重要措施。砂漿作為混凝土中不可或缺的成分，不僅包裹住混凝土中的粗骨料，還填充粗骨料的間隙，所以砂漿性能的影響因素同樣也會(huì)直接對混凝土的性能造成影響[11-13]。該文先從研究補(bǔ)償收縮砂漿技術(shù)著手,運(yùn)用不同配合比的砂漿，通過稠度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析，研究抗裂劑在砂漿中的補(bǔ)償收縮、提高強(qiáng)度、抑制裂縫的效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)中，抗裂劑選自江蘇HME-V膨脹劑，粉煤灰為試驗(yàn)室用Ⅰ級(jí)粉煤灰，粉煤灰與抗裂劑的主要化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰和抗裂劑的主要化學(xué)成分 %

試驗(yàn)選用砂漿攪拌機(jī)為JJ-5型砂漿攪拌機(jī)，砂漿裝模振動(dòng)擠密選用380 V型混凝土振動(dòng)臺(tái)。試驗(yàn)制備階段所用的儀器如圖1(a)所示。恒溫干燥箱用于粗砂的干燥，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱用于試塊制備后的先期標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，先期養(yǎng)護(hù)結(jié)束即可進(jìn)行室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)。

如圖1(b)所示，測試試件抗折強(qiáng)度的儀器為50 kN壓力試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫200 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)用于測試試件的抗壓強(qiáng)度，另有試驗(yàn)用試件夾具。

圖1 試驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)方案及測試方法

參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》，使用水泥、砂、粉煤灰以及HME-V抗裂劑按照不同的配合比攪拌、振搗密實(shí)，在溫度為(20±3) ℃、相對濕度為60%～80%的條件下養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后脫模。該文試驗(yàn)除水砂比保持0.20、水灰比保持0.45不變外，HME-V膨脹劑摻量和粉煤灰摻量為主要變量，每組配合比有3個(gè)平行試件，具體配合比見表2。

表2 試驗(yàn)配合比

(1) 稠度試驗(yàn)

稠度試驗(yàn)所用儀器為SC-145型砂漿稠度儀，主要用來考究水泥砂漿的流動(dòng)性以及施工和易性，通過試驗(yàn)研究水灰比、粉煤灰和膨脹劑對水泥砂漿稠度的影響以及稠度對后續(xù)抗裂性能與強(qiáng)度的影響。

(2) 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

抗折試驗(yàn)所用儀器為FBS-10KNW型壓力試驗(yàn)機(jī)以及抗折夾具。試驗(yàn)中，試件尺寸為40 mm40 mm160 mm的長方體試件?？拐墼囼?yàn)以0.01 mm/min的加載速度進(jìn)行連續(xù)加載，直至壓斷試塊并記錄損壞時(shí)的荷載和位置?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)旨在測試水泥砂漿試塊的抗折強(qiáng)度，作為比較抗裂劑對強(qiáng)度影響的因素之一。試件抗折強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(1)

式中：fb為水泥砂漿抗折強(qiáng)度(MPa)；P為破壞荷載(N)；L為支撐點(diǎn)間距(mm)；b為試件截面寬度(mm)；h為試件截面高度(mm)。

(3) 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓試驗(yàn)采用UTM5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)中，試件尺寸為70.7 mm70.7 mm70.7 mm。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度設(shè)置為0.15 mm/min，當(dāng)應(yīng)力曲線達(dá)到峰值下降時(shí)停止加載以防碎塊飛濺?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)主要測試水泥砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度，作為比較抗裂劑對強(qiáng)度影響的主要因素。水泥砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(2)

式中：fm,cu為水泥砂漿立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)；Nu為破壞荷載(N)；A為試塊承壓面積(mm2)；K為換算系數(shù)，取1.35。

(4) RFPA數(shù)值模擬

RFPA是Realistic Failure Process Analysis的簡稱。是基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材料破裂過程分析數(shù)值計(jì)算方法，能夠模擬材料損傷與破壞過程的數(shù)值模擬手段。該文模擬主要運(yùn)用RFPA-2D軟件，RFPA-2D能夠進(jìn)行巖石、混凝土等脆性材料受載的變形破壞分析，能夠模擬混凝土損傷與裂縫發(fā)展的全過程。主要通過此軟件來對最優(yōu)配合比的水泥砂漿試塊進(jìn)行受壓破壞的分析模擬[14-15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂漿稠度

水灰比為0.45時(shí)，HME-V膨脹劑摻量和粉煤灰摻量對水泥砂漿的稠度影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 稠度變化圖

由圖2可知：當(dāng)HME-V膨脹劑摻量或粉煤灰摻量增加時(shí)，稠度值逐步降低。這是因?yàn)橄嗤|(zhì)量的HME-V膨脹劑或粉煤灰需水量大于水泥，過高的稠度以及過低的稠度都不利于實(shí)際施工的運(yùn)用，也不能充分發(fā)揮砂漿在混凝土中的黏結(jié)、潤滑作用，導(dǎo)致裂縫發(fā)展較早、較快。當(dāng)HME-V膨脹劑摻量為8%且粉煤灰摻量為20%時(shí)，水泥砂漿的稠度值適中，和易性較好。

2.2 砂漿抗折強(qiáng)度

(1) 膨脹劑摻量影響

當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，砂漿強(qiáng)度最大，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均選取水灰比0.45、粉煤灰摻量20%條件下的試驗(yàn)結(jié)果。HME-V膨脹劑摻量變化對水泥砂漿7、28 d的抗折強(qiáng)度影響結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：摻入HME-V膨脹劑可以有效提高水泥砂漿試塊的7、28 d抗折強(qiáng)度，但當(dāng)HME-V膨脹劑摻量過大時(shí)，水泥砂漿抗折強(qiáng)度增量不明顯，由于膨脹劑的量較大，使得砂粒黏結(jié)較為潤滑，更加明顯的膨脹效果使得孔隙變多，潛在的裂縫成因也隨之增加。當(dāng)HME-V膨脹劑摻量為8%時(shí)，水泥砂漿試塊的7、28 d抗折強(qiáng)度均為最高[16-17]。

圖3 抗折強(qiáng)度-膨脹劑摻量關(guān)系圖

如圖4所示，比較7、28 d的砂漿抗折強(qiáng)度，膨脹劑摻量的增加使得抗折強(qiáng)度在后期自然養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度提升有很大的作用。當(dāng)摻量為8%時(shí)，強(qiáng)度增幅最大；而在8%時(shí)的抗折強(qiáng)度達(dá)到7 MPa以上，且增幅較為穩(wěn)定[18]。8%摻量的膨脹劑使得試件在成型養(yǎng)護(hù)階段有了良好的膨脹特性，不滲水也沒有干裂和出現(xiàn)過多的氣泡，這對后期的強(qiáng)度有舉足輕重的作用。

圖4 7、28 d抗折強(qiáng)度對比圖

(2) 粉煤灰摻量影響

當(dāng)水灰比為0.45，膨脹劑摻量為8%時(shí)的砂漿抗折強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 抗折強(qiáng)度-粉煤灰摻量關(guān)系圖

由圖5可知：7、28 d的砂漿抗折強(qiáng)度峰值均出現(xiàn)在20%粉煤灰摻量條件下，而15%和25%粉煤灰配比試件的早期抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)28 d的后期抗折強(qiáng)度有所變化。具體表現(xiàn)在，15%粉煤灰的試件早期強(qiáng)度較25%粉煤灰試件稍高，而28 d抗折強(qiáng)度恰好相反，且極限荷載差值均在0.2 kN以內(nèi)。這表明：粉煤灰對水泥的水化有一定抑制作用，使得25%粉煤灰試件的早期強(qiáng)度略低。另一方面得益于抗裂劑的效果，在28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的時(shí)程累計(jì)上減緩了水化過程，減少早期體積膨脹并使后期試件收縮得到限制，相比15%摻量一定程度上提高了后期抗折強(qiáng)度。

2.3 砂漿抗壓強(qiáng)度

(1) 膨脹劑摻量影響

圖6為水灰比0.45、粉煤灰摻量20%以及不同膨脹劑摻量試驗(yàn)所得的7、28 d砂漿抗壓強(qiáng)度曲線。7 d抗壓強(qiáng)度曲線趨勢相對一致，但相比于28 d抗壓強(qiáng)度曲線，顯示出些許的趨勢差異。28 d的應(yīng)力曲線強(qiáng)化階段趨勢幾乎一致。造成這種現(xiàn)象的原因可能是7 d時(shí)，試件的內(nèi)部仍然處于黏合狀態(tài)，由于膨脹劑摻量的差異，硬化的過程也有所區(qū)別。如圖6所示，7 d與28 d抗壓強(qiáng)度都在8%膨脹劑摻量的條件下達(dá)到了峰值，并且曲線斜率最大[19]。

圖6 抗壓強(qiáng)度-膨脹劑摻量關(guān)系圖

如圖7所示，與抗折強(qiáng)度的結(jié)果類似，當(dāng)膨脹劑摻量為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到70 MPa以上，相比沒有膨脹劑以及4%摻量膨脹劑的試件抗壓強(qiáng)度提升超過10%[20-21]。膨脹劑使水泥作為“膠水”將砂與其他組分黏結(jié)，從7 d砂漿抗壓強(qiáng)度看出，試件彈性階段的模量有了些許提升，達(dá)到屈服點(diǎn)后，有更明顯的塑性發(fā)展。這樣的趨勢表明試件中潛在的細(xì)小裂縫較少，實(shí)際工程中也不易被液體穿透，兼?zhèn)淇節(jié)B性與高強(qiáng)度。

圖7 7、28 d抗壓強(qiáng)度對比圖

(2) 粉煤灰摻量影響

砂漿抗壓強(qiáng)度變化受粉煤灰摻量的影響與砂漿抗折強(qiáng)度類似，而28 d的抗壓強(qiáng)度趨勢與7 d幾乎相同。如圖8所示，隨著粉煤灰摻量的提高，抗壓強(qiáng)度升高， 而25%摻量的試件抗折強(qiáng)度低于15%抗折強(qiáng)度。這使得過量粉煤灰降低砂漿抗壓強(qiáng)度更加明顯。粉煤灰的強(qiáng)度低于水泥，過量的粉煤灰不僅不能有效降低水泥水化熱，相反成為水泥黏結(jié)作用的阻塞，夾雜在組分中，同時(shí)也影響了膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用。因此，在此次試驗(yàn)中，20%摻量的粉煤灰最為合適。

圖8 抗壓強(qiáng)度-粉煤灰摻量關(guān)系圖

2.4 RFPA試件壓縮模擬

試件壓縮模擬的二維云圖如圖9所示。通過該模型的最大主應(yīng)力的后處理分析可以得出，水泥砂漿模型的受壓破壞大致可以分為3個(gè)階段：第一階段，隨著計(jì)算步數(shù)的增加，模型內(nèi)部逐漸產(chǎn)生了細(xì)小的斜裂縫；第二階段，模型內(nèi)部的細(xì)小裂縫繼續(xù)發(fā)展并且開始連通，連通的裂縫沿豎向繼續(xù)發(fā)展；第三階段，裂縫在模型的內(nèi)部微細(xì)發(fā)展，逐漸貫通形成多條裂隙，從而將模型分成若干個(gè)小柱體, 最后模型四側(cè)隆起直至破壞。

圖9 試件模擬破壞過程

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，試塊的破壞形式如圖10所示。和REPA數(shù)值模擬對比，試件壓縮數(shù)值模擬較好地模擬了最優(yōu)配合比的水泥砂漿試塊的破壞過程，裂縫發(fā)展部位幾乎相同，發(fā)展的趨勢與形式不盡相同?？梢詫箟簭?qiáng)度試驗(yàn)以及裂縫的發(fā)展進(jìn)行模擬預(yù)測。

圖10 試件試驗(yàn)破壞圖

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究表明：HME-V膨脹劑確保了砂漿先期強(qiáng)度的可靠性，具有足夠抗壓與抗折強(qiáng)度的同時(shí)兼具良好的和易性，能有效防治裂縫的發(fā)展。該文試驗(yàn)所得水泥砂漿最優(yōu)配合比對以后研究混凝土補(bǔ)償收縮技術(shù)以及將來的工程實(shí)踐具有很好的指導(dǎo)意義。具體結(jié)論如下：

(1) 水泥砂漿的流動(dòng)性會(huì)隨著HME-V膨脹劑和粉煤灰的摻入而增加，當(dāng)HME-V膨脹劑摻量為8%、粉煤灰摻量為20%時(shí)，砂漿和易性適中。

(2) 摻入適量的HME-V膨脹劑能夠有效提高水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度。當(dāng)膨脹劑摻量過量時(shí)，水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度提高幅度下降，甚至低于未摻入膨脹劑的水泥砂漿的強(qiáng)度；當(dāng)摻入8%的HME-V膨脹劑時(shí)，水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值。

(3) 摻入適量的粉煤灰能夠增加水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)，其試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均會(huì)因粉煤灰摻量的增加先上升后下降，且當(dāng)摻入20%的粉煤灰時(shí)，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

(4) 膨脹劑的摻入對于砂漿的先期強(qiáng)度有不小的提升，一定程度上增加了水泥對于砂粒的黏結(jié)作用，并減少了氣泡孔隙，對于后期強(qiáng)度也有不小的提升，從而有效地抑制了裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

(5) RFPA-2D通過數(shù)值模擬可以很好地模擬出水泥砂漿試塊的破壞過程，彌補(bǔ)了實(shí)際試驗(yàn)中無法仔細(xì)觀察試件內(nèi)部裂縫發(fā)展的不足，和試驗(yàn)破壞試件對比不盡相同。這使得對裂縫的試驗(yàn)研究、理論分析乃至實(shí)際工程的預(yù)測都具有參考價(jià)值。