膨胀剂、减缩剂对超高性能混凝土自收缩性能的影响

2021-01-18邓宗才连怡红赵连志

北京工业大学学报 2021年1期

邓宗才，连怡红, 赵连志

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124; 2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)由于其致密的内部结构而表现出高的强度和优越的耐久性，然而，其低水胶比、无粗骨料等特点使得其早期自收缩远高于普通混凝土[1]，由于早期强度未发展完善，使得较大的自收缩极大地增加了UHPC的开裂风险，降低了其使用寿命和结构性能.目前国内外学者就UHPC减缩方式进行了诸多研究，其中，添加膨胀剂或减缩剂是实现减缩的有效方法之一[2].

膨胀剂中的膨胀源能够通过水化反应生成钙矾石、氢氧化钙等产物，其水化产物在吸水、结晶等过程中引起体积膨胀.减缩剂则可以减小混凝土内部毛细孔内溶液的表面张力，由此降低毛细管应力，减小自收缩.

已有掺膨胀剂、减缩剂混凝土的性能及机理研究多集中于普通混凝土及高性能混凝土[3-7]，而关于UHPC的研究较少，由于UHPC自收缩发展特点与普通和高性能混凝土有较大不同[8-9]，因此需对掺膨胀剂或减缩剂UHPC的自收缩性能进行研究.传统的膨胀剂膨胀速率慢、膨胀能低，不适用于早期自收缩速率快、自收缩大的UHPC.赵顺增等[10]研制的硫铝酸钙类高性能(high performance calcium sulpho aluminate,HCSA)混凝土膨胀剂具有膨胀能高、绝湿膨胀大等特点，适用于高性能混凝土.黄政宇等[11]将HCSA膨胀剂与国内传统U型膨胀剂(U-type expancing agent,UEA)应用于未掺纤维的UHPC浆体，对两者的减缩效果进行对比，结果显示，适量的HCSA可显著降低UHPC的28 d自收缩，减缩率达95.8%，同掺量UEA的减缩率仅为25.2%.目前HCSA膨胀剂已实际应用于制备补偿收缩混凝土[12-15]，但关于HCSA对掺钢纤维UHPC的减缩规律研究较少.此外，部分学者将膨胀剂、减缩剂分别单掺于UHPC中，研究膨胀剂和减缩剂的减缩规律，并将两者的最优减缩率进行比较，但由于UHPC配合比、膨胀剂与减缩剂种类等差异，所得结论有较大不同[16-18].Park等[16]分别研究单掺CSA膨胀剂、Metolatp 860减缩剂对掺钢纤维UHPC的收缩影响规律，结果显示，最优掺量膨胀剂的28 d减缩率为44.0%，而最优掺量减缩剂的28 d减缩率为21.0%，膨胀剂的减缩效果优于减缩剂.郑秀梅等[17]分别研究SITREN®PSR100减缩剂、F17A膨胀剂对未掺纤维UHPC收缩性能的影响，结果显示，减缩剂与膨胀剂对UHPC的自收缩均有抑制作用，合适掺量减缩剂的28 d减缩率可达50.0%，而膨胀剂的28 d减缩率为20.0%，减缩剂的减缩效果优于膨胀剂.

目前关于双掺膨胀剂与减缩剂UHPC的自收缩减缩规律研究较少，由于UHPC自收缩占自由收缩比例为78.6%～90.0%，因此其减缩规律多参考自由收缩.Maruyama等[19]研究膨胀剂、减缩剂对高强混凝土自由收缩的影响，试验结果表明，使用低热硅酸盐水泥时，双掺组的减缩率高于2个单掺组叠加后的减缩率，膨胀剂与减缩剂存在协同效应，但使用普通硅酸盐水泥时，双掺组的减缩率低于单掺膨胀剂组，其减缩率介于2个单掺组之间.Maltese等[20]研究膨胀剂、减缩剂对水泥砂浆自由收缩的影响，试验结果表明，双掺组的减缩效果优于单掺组，但双掺组减缩率小于2个单掺组叠加后的减缩率，因此未产生协同效应.Park等[16]分别对单掺7.5%膨胀剂、单掺1.0%减缩剂及两者双掺的UHPC进行自由收缩测试，试验结果表明，质量分数为7.5%的膨胀剂可使28 d收缩值降低44.0%，质量分数为1.0%的减缩剂可使28 d收缩值降低8.0%，双掺组的28 d收缩值降低了37.0%，双掺组减缩率介于2个单掺组之间.

综上所述，关于单掺膨胀剂、减缩剂对掺钢纤维UHPC的自收缩影响规律研究较少，由于采用的配合比、外加剂种类等不同，不同研究中显示的减缩效果差异较大，而关于双掺膨胀剂、减缩剂的减缩规律则多借鉴高强混凝土、水泥浆体等，不同研究间变量较多，难以形成统一规律，关于膨胀剂、减缩剂对掺钢纤维UHPC自收缩影响规律的研究尚且不足.基于此，本试验在课题组前期UHPC配合比试验研究的基础上，确定基准组UHPC配合比，选择市场上具有代表性的2种膨胀剂及1种减缩剂，对单掺膨胀剂或减缩剂UHPC的自收缩、扩展度和基本力学性能等进行试验研究，获得膨胀剂及减缩剂掺量变化对UHPC自收缩、扩展度和基本力学性能的影响规律，并进一步探索膨胀剂与减缩剂双掺后的减缩效果，为工程应用提供参考.

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验中UHPC由水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英砂、钢纤维、水、减水剂等拌和而成.其中，水泥采用P.Ⅱ型52.5R级硅酸盐水泥；粉煤灰、矿粉等级分别为F类Ⅰ级、S95级；石英砂采用10～20目、20～40目及40～80目石英砂；钢纤维采用微丝端钩形长钢纤维及直形微丝短钢纤维，参数见表1；减水剂采用418型、435型醚类聚羧酸高效减水剂；膨胀剂采用HCSA型高性能混凝土膨胀剂和高性能低添加型DENKA HP-CSA膨胀剂,分别记作EA1、EA2，主要化学成分见表2、3；减缩剂采用SBT®-SRA(I)型减缩剂，记作SRA，参数见表4.

表1 钢纤维性能参数

表2 EA1主要化学组成

表3 EA2主要化学组成

表4 SRA性能参数

表5 UHPC配合比

1.2 试验方法

UHPC扩展度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；UHPC抗压强度、劈裂抗拉强度均参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，其中，试件尺寸参考GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》相关规定，选用100 mm立方体试块，抗压强度试块采用标准养护，分别测量1、3、7、14、28 d抗压强度.为在后续研究中将劈裂抗拉强度用于UHPC开裂风险评估，应使劈裂抗拉试块的养护环境与自收缩测试环境相同，因此，劈裂抗拉试块成型后即用塑料薄膜密封，置于温度(20±2) ℃的恒温实验室进行养护，测量28 d劈裂抗拉强度.

UHPC自收缩测试采用北京仪创时代科技有限公司依据ASTM C1698-09开发的YC-BWS系列波纹管自收缩测定仪，装置见图1，该方法是传统净浆和砂浆自收缩测试方法的放大版，试验时，试件浇筑于长度(425±5) mm、直径(78±2) mm的波纹管内，以防止UHPC拌合物与外界发生水分交换，测试起点为试件浇筑后3 h，终止时间为28 d，测试环境为温度(20±2) ℃的恒温实验室.每组配合比均浇筑3个波纹管形试件.

图1 自收缩测量装置Fig.1 Autogenous shrinkage measuring device

1.3 配合比设计

为研究膨胀剂及减缩剂掺量对UHPC扩展度、自收缩和基本力学性能的影响及双掺后的减缩效果变化规律，试验共设计13种配合比.所有试样水胶比0.17，砂胶比0.96，减水剂、消泡剂质量分数分别为1.30%、0.02%，钢纤维掺量为2%.其中，A组(即A1)为基准组，未掺入任何膨胀剂或减缩剂；B组(包括B1～B6)为单掺膨胀剂组，EA1质量分数分别为6%、8%、10%，由于EA2为低添加型膨胀剂，经前期试验对比后，选定EA2质量分数分别为4.0%、6.0%、8.0%；C组(包括C1～C3)为单掺减缩剂组，SRA质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%；D组为双掺组，通过前期试验对比，选择减缩效果较好的EA2与SRA进行双掺.EA1、EA2及SRA掺量均为其质量与胶凝材料质量的比值，膨胀剂采用内掺法等量取代水泥掺入，减缩剂采用外掺法掺入.组号及配合比信息见表5.

2 结果与讨论

2.1 单掺组物理力学性能

2.1.1 扩展度

图2为单掺组UHPC扩展度试验结果.由试验结果可知，对于不同种类的膨胀剂或减缩剂，随掺量增加，UHPC扩展度整体均呈现增大趋势.其中，SRA的掺入对UHPC扩展度的增大效果更为显著.

对于掺EA1、EA2的UHPC，由图2(a)可知，与基准组相比，EA1质量分数为6.0%、8.0%、10.0%时的扩展度分别增长了8.6%、9.8%、19.5%；EA2质量分数为4.0%、6.0%、8.0%时的扩展度分别增长了3.6%、7.2%、23.0%.

图2 UHPC扩展度Fig.2 Slump flow of UHPC

对于掺SRA的UHPC，由图2(b)可知，当SRA质量分数为0.5%、1.0%、1.5%时，扩展度分别为715、730、785 mm，与基准组相比，分别增长25.7%、28.3%、40.0%.这与郭清春等[21]关于水泥净浆流动度的试验结果相似，该文章指出，对于双掺减缩剂与醚类聚羧酸减水剂的水泥净浆，减缩剂的掺入使水泥净浆初始流动度增大，同时延缓了浆体稠化.此外，本试验中减缩剂掺入同时引入少量水分，这直接造成扩展度的增大.

2.1.2 抗压强度

图3为单掺组UHPC各龄期的抗压强度.对于掺EA1的UHPC，由图3(a)可知，与基准组相比，龄期发展至1 d时，B1、B2、B3的抗压强度分别提高160.6%、220.2%、179.4%，不同掺量的EA1均显著提高1 d抗压强度；3、7 d时，B1组抗压强度略有降低，降低幅度均小于5.0%，B2、B3组抗压强度略有提升，提升幅度均小于10.0%；14 d时，与基准组相比，各组UHPC抗压强度变化较小，变化幅度均小于5%；28 d时，与基准组相比，B1、B2、B3的抗压强度分别降低11.6%、4.7%、15.6%，不同掺量的EA1均降低28 d抗压强度，B3组对28 d抗压强度的降低作用最大.

对于掺EA2的UHPC，由图3(b)可知，与基准组相比，龄期发展至1 d时，B4、B5、B6的抗压强度分别提高175.2%、88.1%、67.4%，不同掺量的EA2均显著提高1 d抗压强度，但提高幅度低于同掺量的EA1；3 d时，B4、B5、B6的抗压强度分别提高8.4%、7.3%、17.4%；7 d时，B4组抗压强度基本不变，B5、B6组抗压强度分别提高6.9%、5.5%；14 d时，B4、B6组抗压强度基本不变，B5组抗压强度提高4.8%；28 d时，B4、B5、B6组的抗压强度分别降低4.8%、0.4%、9.8%，不同掺量的EA2均降低28 d抗压强度，B6组对28 d抗压强度的降低作用最大.综上，膨胀剂的掺入虽然显著提高UHPC早期抗压强度，但却降低UHPC的28 d抗压强度，当膨胀剂掺量过大时，7、14、28 d的抗压强度几乎相同，后期强度发展停滞.

对于掺SRA的UHPC，由图3(c)可知，与基准组相比，龄期发展至1、3 d时，C1、C2、C3组抗压强度均低于基准组，1 d抗压强度的降低幅度最高为50.9%，3 d抗压强度的降低幅度最高为10.0%；7、14 d时，C3组抗压强度基本不变，C1、C2组的7 d抗压强度分别提高8.8%、3.1%，14 d抗压强度分别提高5.2%、2.0%；28 d时，掺量较低的C1组抗压强度基本不变，C2、C3组抗压强度分别降低4.4%、7.1%，28 d抗压强度随SRA掺量增加不断降低，C3组的降低作用最大.

图3 不同龄期的抗压强度Fig.3 Compressive strength at different ages

2.1.3 劈裂抗拉强度

图4为单掺组UHPC的28 d劈裂抗拉强度.对于掺EA1、EA2的UHPC，由图4(a)可知，与基准组相比，EA1质量分数为6.0%、8.0%、10.0%时28 d劈裂抗拉强度分别增长43.7%、29.4%、0.5%；EA2质量分数为4.0%、6.0%、8.0%时28 d劈裂抗拉强度分别增长22.0%、30.8%、20.6%，增长幅度低于同掺量的EA1.对于掺SRA的UHPC，由图4(b)可知，与基准组相比，SRA质量分数为0.5%、1.0%、1.5%时28 d劈裂抗拉强度分别增长13.0%、38.6%、17.2%.随着膨胀剂或减缩剂掺量的不断增加，UHPC的28 d劈裂抗拉强度均呈现先增大后减小的趋势.

图4 28 d劈裂抗拉强度Fig.4 Splitting tensile strength at the age of 28 days

2.2 单掺组自收缩

图5为单掺组的28 d自收缩发展曲线.由试验曲线可知，各组UHPC自收缩曲线发展特点不同，但发展趋势相似，根据自收缩发展速率的大小，可将28 d自收缩发展曲线大致划分为3个阶段：

1) 第1阶段为测试起点至浇筑后22～34 h，此阶段的UHPC自收缩发展速率均持续高于300×10-6/d，自收缩在短期内急剧增长，迅速达到28 d自收缩的70.0%以上.

2) 第2阶段为第1阶段结束时间点至浇筑后3.3 d～6.5 d，此阶段的自收缩发展速率多低于100×10-6/d，且自收缩发展速率逐渐降低，曲线趋于平缓.

3) 第3阶段为第2阶段结束时间点至浇筑后28 d，此阶段的UHPC自收缩发展进入平稳期，多数曲线中的自收缩变化较小，仅B6组自收缩在后期产生了大幅度下降.

图5 单掺组自收缩发展曲线Fig.5 Development curve of autogenous shrinkage of single-doped group

对于掺EA1的UHPC，由图5(a)(b)可知，在自收缩发展第1阶段，不同掺量的EA1均对自收缩产生抑制作用，至第1阶段结束时，B1、B2、B3组自收缩率分别为491×10-6、619×10-6、724×10-6，B1组减缩效果最佳；第2阶段前期，UHPC内部膨胀作用大于自干燥作用，试件产生短期“膨胀”，B1、B2、B3组膨胀率分别为72×10-6、121×10-6、109×10-6；第2阶段后期，内部膨胀作用小于自干燥作用，试件“膨胀”转变为“收缩”，自收缩回升，此时，B1组由于膨胀剂掺量较低而使得试件内部膨胀作用微弱，因此自收缩增长速率较大，各测试点的增长速率多高于50×10-6/d，接近于同阶段的基准组自收缩增长速率，B2、B3组中膨胀剂掺量较高，膨胀作用持续发展，因此自收缩增长速率均处于较低水平，增长速率多低于50×10-6/d，曲线上升缓慢；第3阶段中，B1、B3组自收缩基本不变，B2组试件在18 d后缓慢膨胀，至28 d时的总膨胀率约为83×10-6.与基准组相比，B1、B2、B3组均显著降低28 d自收缩，降低幅度分别为67.1%、77.1%、63.9%，B2组的28 d减缩效果最佳.

对于掺EA2的UHPC，由图5(a)(b)可知，在自收缩发展第1阶段，不同掺量的EA2均产生减缩效果，至第1阶段结束时，B4、B5、B6组自收缩率分别为492×10-6、350×10-6、814×10-6，B5组减缩效果最佳；第2阶段前期，与掺EA1的UHPC相似，各组试件均产生短期“膨胀”，B4、B5、B6组膨胀率分别为60×10-6、234×10-6、437×10-6，膨胀率随EA2掺量增加而增加；第2阶段后期，自收缩回升，B4组与B1组相似，由于膨胀剂掺量较低而出现自收缩回升较大的现象，其中，B4组曲线各测试点的回升速率多为20×10-6/d左右，回升速率低于B1，而此阶段的B5组回升值较低，B6组曲线则基本未出现自收缩回升现象；第3阶段中，B4、B5组自收缩基本不变，其28 d减缩率分别为72.6%、93.6%，B6组自收缩在9 d后持续降低，且降低速率持续增加，这是由于B6组膨胀剂掺量过大而导致膨胀能过大，此时UHPC已具有较高的强度，过大的膨胀会使UHPC内部出现微裂纹，对于桥面板等结构具有不利影响.

对比同掺量下的EA1、EA2收缩曲线可知，当掺量相同时，EA1在第1阶段的减缩效果优于EA2，但随着自收缩持续发展，EA2在自收缩发展第2阶段的短期“膨胀”较大，且自收缩回升较小，因此28 d减缩效果优于EA1.综上，膨胀剂掺量过低会使试件在自收缩发展第2阶段的膨胀作用小、自收缩回升大，导致减缩效果差，而膨胀剂掺量过高则会加剧试件内部自干燥作用，甚至导致后期膨胀能过大，增加UHPC内部微缺陷，影响薄板类结构的耐久性.合理的膨胀剂掺量可以使其膨胀作用发展与内部自干燥作用发展相协调，在自收缩发展的各个阶段持续发挥减缩作用.

对于掺SRA的UHPC，由图5(c)(d)知，与掺EA1、EA2的UHPC自收缩曲线发展特点不同，掺SRA的UHPC自收缩曲线未出现短期“膨胀”现象.在自收缩发展第1、2阶段，不同掺量SRA均产生减缩效果，自收缩发展至第2阶段结束时间点时，减缩效果随掺量增加而呈先增大后减小的趋势；第3阶段中，各组试件仅产生微小的膨胀或收缩，自收缩发展至28 d时，C1、C2、C3组减缩率分别为30.0%、26.3%、43.0%，质量分数为0.5%、1.0%时减缩效果变化不大，掺量增至1.5%时，减缩率随之增加.

2.3 双掺组自收缩

图6为双掺组UHPC自收缩随龄期发展曲线.由试验曲线可知，双掺后的自收缩曲线与单掺膨胀剂组的自收缩曲线发展特点相似，均在第2阶段前期产生短期“膨胀”，其中，D1、D2、D3组膨胀率分别为90×10-6、241×10-6、279×10-6，不同点在于，与同掺量的单掺组相比，双掺后的膨胀值更高，且双掺组在短期“膨胀”后即快速达到平稳状态，未出现单掺膨胀剂组在第2阶段后期产生的自收缩回升现象.

图6 双掺组自收缩发展曲线Fig.6 Development curve of autogenous shrinkage of double-doped group

由图6(a)(b)可知，与基准组相比，单掺质量分数分别为1.5%(SRA)、4.0%(EA2)时28 d减缩率分别为43.0%、72.6%，两者双掺后的D1组减缩率为68.4%；单掺质量分数分别为1.5%(SRA)、6.0%(EA2)时28 d减缩率分别为43.0%、93.6%，双掺后的D2组减缩率为87.4%；单掺质量分数分别为1.0%(SRA)、6.0%(EA2)时28 d减缩率分别为26.3%、93.6%，双掺后的D3组减缩率为73.5%.综上，SRA与EA2双掺后的减缩效果均高于单掺减缩剂组，低于单掺膨胀剂组，两者未产生协同效应，这与Park等[16]关于UHPC自由收缩的试验结果相似.

对比D1、D2组可知，对于双掺组，当减缩剂掺量不变时，28 d减缩率随膨胀剂掺量增加而增大；对比D2、D3组可知，当膨胀剂掺量不变时，28 d减缩率随减缩剂掺量增加而增大.