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补偿收缩混凝土变形性能研究进展

2016-10-12姜洪伟马晓杰

硅酸盐通报 2016年1期
关键词:铝酸钙矾石膨胀剂

李 鹏,苗 苗,苗 芳,姜洪伟,马晓杰

(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400045,2.国网营口供电公司,营口 115000)



补偿收缩混凝土变形性能研究进展

李鹏1,苗苗1,苗芳2,姜洪伟2,马晓杰1

(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400045,2.国网营口供电公司,营口115000)

向混凝土中掺加膨胀剂制成补偿收缩混凝土是解决混凝土收缩开裂的一种重要措施。本文针对近年来补偿收缩混凝土变形性能的研究进展进行了综述。膨胀剂种类繁多,不同膨胀剂膨胀机理各不一样,致使出现同种掺量同种补偿对象但膨胀剂不同则补偿收缩效果不同,甚至截然相反现象。另一方面,影响补偿收缩混凝土变形性能因素众多,主要有水胶比、矿物掺合料种类及掺量、膨胀剂掺量、外加剂、养护条件等,但更多时候是若干个影响因素同时出现,整体变形结果更加不确定,也会导致工程上膨胀剂应用失效现象出现。

补偿收缩; 膨胀剂; 自收缩; 水化

1 引 言

收缩是混凝土的固有属性,对混凝土结构有重大影响,可能引起混凝土开裂,影响混凝土结构的外观和耐久性,甚至影响结构安全。按收缩机理不同,混凝土收缩可划分为化学收缩、塑性收缩,自收缩,干燥收缩(简称干缩),温度收缩和碳化收缩[1]。

针对混凝土的不同收缩种类采取的相应削弱方法各不相同,当前研究多集中在对混凝土自收缩和干燥收缩的规律的研究和对应的削弱方法上。针对混凝土的自收缩开裂,已有很多相应的削弱办法,对普通混凝土,通常是通过外部湿养护减弱其自收缩量[2]。但对结构密实,渗透率低的高强高性能混凝土,或大体积混凝土而言,传统的通过外部湿养护降低混凝土的自收缩就无效了[3]。近年来,向混凝土中掺加含饱和水的多孔轻骨料或超吸水聚合物以对混凝土补充多余水分—即内养护,以降低混凝土的自干燥程度进而阻碍自收缩的发展已成为常见的措施和研究的热点[4-6]。但使用轻骨料代替天然骨料会导致混凝土强度的下降[7],而超吸水聚合物成本较高。降低混凝土的干缩采用的方法常有加入减缩剂[8,9],有时候则是减缩剂和膨胀剂混合使用[10,11]。

与以上削弱混凝土收缩的办法相比,在混凝土中掺加膨胀剂补偿混凝土的收缩是一种常用的手段。在超长混凝土结构,钢管混凝土和自防水混凝土工程中得到了大规模的使用和普及。目前,利用膨胀组分在水化过程中所产生体积膨胀来补偿水泥基材料的收缩,被认为是抑制水泥基材料收缩开裂的既经济又有效的措施之一。本文针对近年来关于膨胀剂补偿混凝土收缩变形的研究进展进行综述。

2 补偿收缩混凝土的补偿机理

混凝土膨胀剂是指用于加入混凝土中,经水化反应生成与反应物相比体积增大的产物,进而使混凝土产生体积膨胀的外加剂。用膨胀剂解决混凝土收缩问题,必须有适当的限制条件,因为自由膨胀不能产生自应力,只有限制膨胀才能产生自应力,改变结构的应力状态,用限制膨胀来部分或全部抵消混凝土的收缩,达到补偿收缩和防裂的效果。

按化学组分差异,膨胀剂可分为硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂、硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂和氧化镁类膨胀剂。

2.1硫铝酸钙类膨胀剂

硫铝酸钙类膨胀剂是指与水、水泥拌合后经水化反应生成钙矾石,主要利用钙矾石膨胀效果的混凝土膨胀剂,具有膨胀缓和,可控制性好,使用安全,存放期长等特点,是我国目前用量最大,使用范围最广的膨胀剂[12],包括UEA、ZY和CSA等系列。

关于膨胀源为钙矾石的膨胀剂的膨胀驱动力,有3种主要观点[13]:(1)局部化学反应或溶液形成晶体的生长压力;(2)带负电荷具有胶体尺寸的钙矾石或水泥凝胶吸水引起的膨胀;(3)由渗透压引起的膨胀。游宝坤等[14]认为是凝胶状钙矾石吸水肿胀和结晶状钙矾石对孔缝产生的膨胀压的共同作用,使水泥石产生体积膨胀,而凝胶状钙矾石的膨胀驱动力比结晶状钙矾石大得多。但目前尚未形成统一认识。

2.2硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂

硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂是指与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石和氢氧化钙的混凝土膨胀剂,典型的如HCSA膨胀剂。硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂的矿物组成中含30%~40%的轻烧氧化钙,水化反应中既可与无水硫铝酸钙反应生成钙矾石,又能使浆体溶液长期保持高碱度,还可避免加入矿物掺合料后降低溶液碱度;高碱度环境也能促进钙矾石晶体的离子群以近程扩散方式沉淀析晶,析出高比表面积的细小钙矾石晶体,产生的膨胀量增大[15]。

冯竟竟[13]研究发现:HCSA膨胀剂的主要矿物成分是无水石膏、生石灰和无水硫铝酸钙,膨胀源是Ca(OH)2和钙矾石;无需借助水泥水化产物Ca(OH)2,仅靠自身的矿物组成即可生成钙矾石。这是双膨胀源类膨胀剂早期膨胀速度快,膨胀量大的本质原因。

2.3氧化钙类膨胀剂

氧化钙类膨胀剂是指与水、水泥拌合后经水化反应生成氢氧化钙的混凝土膨胀剂。同时,氧化钙类膨胀剂是最新一代应用于配制补偿收缩混凝土的膨胀剂,因其具有膨胀效能高、对工作性和强度影响小、温湿度敏感性低等优异性能,正逐步取代传统硫铝酸盐类膨胀剂[16,17]。

2.4氧化镁类膨胀剂

氧化镁类膨胀剂作为补偿混凝土收缩的外加剂应用于水工结构在中国已有数十年的历史[18]。针对掺MgO膨胀剂的混凝土试样或大坝的研究表明,一旦MgO水化完毕,则MgO混凝土膨胀曲线保持稳定,这是由于Mg(OH)2稳定的化学性质及比Ca(OH)2低达200倍的低溶解度所决定的[19]。水泥中MgO产生膨胀的根本原因是MgO的水化,MgO水化为Mg(OH)2固体摩尔体积会膨胀117%,CaO水化为Ca(OH)2固体摩尔体积会膨胀90%。Mo[3]认为被水泥水化产物包围的MgO颗粒水化成Mg(OH)2进而引起自膨胀,由于膨胀受到水泥基体的限制,而产生膨胀应力进而引起水泥净浆的宏观膨胀效果。MgO水化时水化产物固相体积增大118%,但在水泥浆体中并未引起同等的体积膨胀,原因尚未得到合理解释[20],故导致目前关于MgO膨胀机理并未得到普遍统一。莫立武等[20]针对当前关于MgO膨胀剂的膨胀机理进行了综述解释。

文献[21]认为MgO类膨胀剂具有延迟微膨胀特性,水化需水量较低特点,可通过调节混凝土自生体积变形控制混凝土的裂缝,研究发现外掺MgO膨胀剂的混凝土膨胀量随龄期的增长而增大,主要的膨胀量发生在龄期7~90d;膨胀速率早期大,后期小,7~90d最大,每年膨胀量仅增(0.5~3)×10-6,并渐趋稳定,和大体积混凝土温度变化历程相近。

3 补偿收缩混凝土补偿收缩变形的影响因素及规律

理论上,所有与混凝土性能相关的因素均可对补偿收缩混凝土的变形造成影响,但根据目前研究结论,影响补偿收缩混凝土补偿收缩效率的因素主要有:水胶比、膨胀剂种类及掺量、矿物掺合料、外加剂和养护条件等。同时,研究多集中在硫铝酸钙类、硫铝酸钙-氧化钙类、氧化镁类膨胀剂三种膨胀剂中,氧化钙类膨胀剂研究相对很少。

3.1水胶比

水胶比对补偿收缩混凝土的收缩变形的补偿有重要影响:①通过改变混凝土的强度发展速率和最终值,影响混凝土强度发展与膨胀变形的协调性;②补偿收缩混凝土的微观结构和水化产物,尤其是孔隙率和钙矾石的形貌、位置也与水胶比有重大关联;③混凝土收缩类型随水胶比变化而转变,进而改变补偿收缩类型。

水胶比越小,混凝土强度增长速率越快,混凝土强度越大,在混凝土内部迅速形成很强的约束,抑制膨胀剂的效能发挥。关于强度与膨胀剂膨胀协调性确定,研究中一般有两种方法:比较混凝土各龄期强度及限制膨胀率增长速率,即与最终值的百分比随龄期变化曲线的拟合程度进行判断,两者曲线越接近,则协调性越好[13,22,23];或限制膨胀率与强度相对于膨胀剂掺量变化曲线[24]。冯竟竟[13]发现:水胶比越大,材料内部孔隙越粗大,钙矾石晶体尺寸就越大,大量针棒状钙矾石晶体杂乱填充在孔隙中,对硬化浆体的膨胀贡献不大;水胶比越低,材料内部越致密,钙矾石结晶尺寸就越小,多为凝胶颗粒状,它们的吸水肿胀是产生膨胀的主要驱动力。因此,水胶比的改变影响补偿收缩混凝土的内部结构和膨胀成分水化产物形貌位置的改变。

水胶比不同,混凝土收缩主要类型不同,有研究发现水灰比为0.4和0.3时,自收缩分别占总收缩的40%和50%,并随水胶比降低自收缩所占比重增大[25]。中高水胶比补偿收缩混凝土的主要补偿对象为干缩和冷缩;而低水胶比的主要补偿对象是自收缩,文献[26]针对膨胀剂对干缩和自收缩的补偿机制进行了分析。研究发现膨胀剂的膨胀效能在混凝土自收缩快速发展向缓慢发展的拐点处开始显现,膨胀剂的补偿作用主要体现在自收缩稳定发展阶段;膨胀剂对混凝土收缩变形的补偿受水胶比影响很大,水胶比越大,膨胀剂补偿收缩变形量越高,陈志诚[27]和苗苗[26]分别采用UEA膨胀剂和HCSA膨胀剂研究低水胶比混凝土3d内自收缩,均发现类似结论。朱建强等[28]研究硫铝酸钙类膨胀剂对水泥净浆自收缩的影响时发现,在1~7d内,膨胀剂补偿了大约20%的自收缩,但1d龄期内膨胀剂对于水泥浆体早期自收缩基本没有补偿作用。刘加平等[29]研究发现:由MgO和CaO组成的氧化镁复合膨胀剂,无论饱水养护还是密封的条件下,均可有效消除混凝土早期自收缩,产生自膨胀,且这种新型的氧化镁复合膨胀剂对干缩也表现出非常明显的抑制效果,降低幅度随干燥龄期的延长更加显著,28d和120d测试龄期时干缩的减缩率仍分别达20.3%、21.3%及36.1%、50.2%。Mo等[3]通过密封试样阻止混凝土和外部水分交换,模拟水胶比为0.28且无外部湿养条件下,MgO类膨胀剂及硫铝酸钙类膨胀剂的水化及对于低水胶比水泥材料收缩的补偿,结果如图1所示。因此,利用MgO混凝土的延迟微膨胀特性,能补偿大体积混凝土在降温阶段产生的体积收缩,提高混凝土自身的抗裂能力。

图1 掺5%和8%MgO类膨胀剂和硫铝酸盐类膨胀剂的水泥净浆在非湿养条件下自变形[3]Fig.1 Autogenous deformations of Portland cement pastes containing various contents of MEA under non-wet curing condition[3]

图2 掺5%和8%MgO类膨胀剂和硫铝酸盐类膨胀剂的水泥净浆在非湿养条件下自变形[3]Fig.2 Autogenous deformations of fly ash cement pastes containing various contents of MEA under non-wet curing condition[3]

3.2矿物掺合料

矿物掺合料对膨胀剂膨胀效能的影响途径可分为三类:①掺加矿物掺合料相当于降低水泥掺量并提高混凝土早期实际水胶比,进而降低收缩,同时使得膨胀剂有更多水分可供水化,形成向水胶比大的方向发展的态势,即混凝土自收缩减小[27];②矿物掺合料的水化消耗了浆体中Ca(OH)2含量,降低孔溶液碱度,影响钙矾石的形貌和膨胀量[30];③矿物掺合料能降低硬化水泥石中孔隙的尺寸和数量,影响钙矾石的形貌和混凝土自收缩值。就目前使用最广泛的粉煤灰、矿渣、硅灰三种矿物掺合料而言有:

粉煤灰对膨胀剂限制膨胀率有降低效果,且掺量越大,降低效果越明显,胡建勤等[30],朱建强等[28],陈志诚[27]使用硫铝酸钙类膨胀剂均发现类似结论。苗苗[23]使用HCSA膨胀剂也发现了同样的结论,此外还得出结论:为有效发挥膨胀剂膨胀效能,膨胀剂掺量不得超过10%,水胶比为0.32,0.36,0.40时,粉煤灰掺量应分别为35%~50%,20%~50%和20%~35%以更好使得膨胀和强度的发展相协调。但也有研究[26,31]认为粉煤灰能增加限制膨胀率。还有研究认为粉煤灰对限制膨胀率的影响与粉煤灰的掺量有关[32],文献[33]研究发现:粉煤灰掺量为22.5%,45%时,14d限制膨胀率相对0%掺量时分别是后者的6.85倍和2.85倍;适量掺加粉煤灰可显著促进混凝土限制膨胀率增长,降低混凝土转干空后早期干缩落差,且随掺量增大试件转干空后干缩落差进一步降低,但掺量过大会导致早期约束不足,对限制膨胀率促进作用较小。王栋民等[24]发现粉煤灰对补偿收缩混凝土补偿收缩效率的影响与粉煤灰种类有关。关于矿物掺合料对MgO膨胀剂的补偿收缩效果的影响研究较少,且结论并不统一。Mo等[3]研究了MgO膨胀剂对低水胶比水泥-30%粉煤灰净浆的收缩的补偿,结果如图2所示,MgO类膨胀剂能够补偿水泥-30%粉煤灰净浆的自收缩和长期温度收缩,与粉煤灰是否加入无关。但文献[34]发现MgO膨胀剂掺量相同时,粉煤灰掺量越高,膨胀越小。

目前普遍研究表明,磨细矿渣粉能降低膨胀剂的补偿收缩效果,且掺量越大,则限制膨胀率越小。陈志诚[27]发现从补偿效率来看,采用8%掺量的UEA-H混凝土膨胀剂对纯水泥混凝土的自收缩补偿效果最好,其次是含粉煤灰的混凝土,对含矿渣的混凝土自收缩不但起不到补偿作用,反而使自收缩有所增加。

针对单掺硅灰对补偿收缩混凝土变形性能影响研究少见诸报导,更多是与粉煤灰或矿渣复掺研究。冯竟竟[13]针对HCSA膨胀剂掺量为10%,并掺有22.5%,37.5%,52.5%矿渣,7.5%硅灰的水泥胶砂试件200d内限制膨胀率发展进行研究:相对于200d总限制膨胀率,1d可达39%~80%,7d可达80%~95%,之后变缓,60d后达稳定状态,之后基本不再增长;与文献[22]所得,水胶比越小,限制膨胀率越大,磨细矿渣掺量越大,限制膨胀率越小的结论相吻合;膨胀剂掺量是影响膨胀效能发挥的主要因素,但非决定性因素,膨胀剂掺量一定时,调整磨细矿渣掺量和水胶比也可达到很好的膨胀效果。

3.3外加剂

外加剂对混凝土凝结时间、密实度、强度有重要影响,进而影响混凝土的变形,但其对膨胀剂膨胀效能的影响迄今少有研究涉及。何廷树,张圣菊等[35,36]研究了葡萄糖酸钠等缓凝剂对硫铝酸钙类膨胀剂效能的影响,认为缓凝组分降低了膨胀能利用率,不利于混凝土膨胀和补偿收缩。

徐文[16]系统研究了葡萄糖酸钠和柠檬酸钠2种缓凝剂对掺有CaO膨胀剂水泥净浆不同龄期自由自生体积变形和限制自生体积变形的影响。结果表明:缓凝剂的使用延缓了CaO膨胀剂水化进程,0.08%掺量下纯水中11h和水泥净浆中7d水化程度分别降低了15%和25%以上;减小了约束状态下的限制自生体积变形,0.08%掺量下最大膨胀率降低了超过90%以上,从而抑制了CaO膨胀剂的膨胀指数和膨胀效能。关于硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂的研究较少报导。

3.4养护条件

膨胀剂与水泥是水化性能相差很大的两种材料,温度增高,会同时促进水泥和膨胀剂的水化,既增大膨胀能,也显著促进水泥水化和矿物掺合料的二次火山灰反应,生成更多C-S-H凝胶,提高强度,则强度与限制膨胀率的协调发展发生变化;也会导致膨胀剂与水泥对有限水分的剧烈竞争[33,37]。不同温度时,膨胀剂水化产物的生成速率、生成位置、形貌等都会发生很大变化,对混凝土的膨胀和强度发展产生很大影响[38,39]。

阎培渝等[40]针对不同养护温度下使用UEA膨胀剂的胶凝材料的限制膨胀率,发现:不论胶凝材料组成如何,30 ℃和40 ℃养护时混凝土的限制膨胀率最大,50 ℃养护时限制膨胀率开始降低,60 ℃养护时限制膨胀率低于20 ℃养护时的数值。冯竟竟[37]针对温度对HCSA膨胀剂的影响研究发现:20 ℃时,大多数钙矾石在孔隙中生长,对膨胀的贡献低于生长在C-S-H凝胶中的钙矾石,1d时胶砂试件的膨胀量即可接近100d膨胀量的50%,7d时膨胀效能平均发挥80%左右;40 ℃养护时,胶砂试件各龄期的限制膨胀率均低于20 ℃养护时,且3d后膨胀量基本不再增长;60 ℃养护时,胶砂试件的1d膨胀量即达最大值,约是20 ℃时1d膨胀量的4倍,之后不再增长,28d时略有降低。MgO膨胀剂掺量相同时,养护温度越高,则膨胀速率越大,达到稳定膨胀值所需时间越短[41]。这是由于高温下MgO水化速度加快引起的[19]。莫立武[42]认为:养护温度既能影响MgO的水化速度,又能影响其膨胀效能的发挥,一般养护温度越高,MgO水化速率越快,其膨胀速率与膨胀量也越大。文献[43]研究发现:水泥熟料中的方镁石在20 ℃水中养护90d时,其水化程度约为20%,300d的水化程度只有40%左右;而在50 ℃养护条件下,28d的水化程度为40%,90d的水化程度高达70%,300d时基本水化完全。Mehta等[44]的研究也证明了这一点。

目前的研究中,关于养护条件对补偿收缩混凝土变形的影响多集中在养护温度上,而关于养护湿度的研究则较少。因水分对于MgO混凝土中膨胀相MgO产生膨胀是必需的,故相对湿度是另一个影响MgO混凝土膨胀的因素,干燥条件下MgO的膨胀会由于水分供给的缺乏而受到限制[45],但由于MgO水化需水量低,故绝湿条件下的混凝土的自收缩仍可由MgO有效补偿[3,46],因此在工程中对MgO混凝土进行充足的水分养护是必要的。

4 结 论

(1)不同的膨胀剂膨胀机理不同,因此同等掺量用于相同补偿对象的不同膨胀剂的补偿收缩效果可能完全不同;

(2)补偿收缩混凝土补偿收缩效率影响因素众多,有水胶比、矿物掺合料、外加剂、养护条件等,但更多时候是若干个因素的叠加,使得对补偿收缩效果的分析更加复杂。

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ResearchProgressofDeformationPerformanceoftheShrinkage-CompensatedConcrete

LI Peng1,MIAO Miao1,MIAO Fang2,JIANG Hong-wei2,MA Xiao-jie1

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China;2.StateGridYingkouElectricPowerSupplyCompany,Yingkou115000,China)

Addingtheexpansiveagentintotheconcreteisoneofthemostimportantapproachtoresolvetheproblemoftheshrinkageorcrackoftheconcrete.Forthisreason,thearticlesummarizedtheprogressinresearchofdeformationperformanceoftheshrinkage-compensatedconcrete.Thereareavarietyofexpansiveagents.Differentkindsofexpansiveagentsleadtodifferentexpansivemechanism.Evenforthesamedosageandthesamecompensatedobject,differentexpansiveagentresultindifferentresultsorevencompletelyopposite.Andthedeformationperformanceoftheshrinkage-compensatedconcretewillbeeffectonmanyimpactfactors,suchastheratioofwatertobinder,mineraladmixtures,dosageoftheexpansiveagent,admixtures,curingconditionsandsoon.Nevertheless,inmostcases,itismanyimpactfactorsappearingatthesametimethatresultsintheresultofthedeformationunsure.Andtheusageoftheexpansiveagentsgoeswrongfrequently.

shrinkage-compensation;expansiveagents;autogeousshrinkage;hydration

中央高校基本科研业务费(CDJZR13130029);高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20130191120019)

李鹏(1989-),男,硕士研究生.主要从事高强高性能混凝土方面的研究.

苗苗,博士,讲师.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0192-06

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