吴绍见

(广东长大试验技术开发有限公司，广州 511431)

自密实混凝土是近几十年出现的一种新型建筑材料，具有流动度大、不离析、均匀稳定、不需要附加振捣即可密实填充等特性[1,2]。与普通混凝土不同，自密实混凝土配合比具有胶凝材料用量高、浆骨比高等特点，因此自密实混凝土同时存在干燥收缩相对较大，开裂变形风险高等问题[3-5]。

深中通道项目是世界级的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，是国家“十三五”重大工程和《珠三角规划纲要》确定建设的重大交通基础设施项目，工程施工难点高，工程质量要求高。深中通道沉管隧道采用钢壳混凝土组合结构形式，该结构为国内首次应用，国际上首次大规模使用。为确保钢壳沉管混凝土良好的施工质量，提高钢壳沉管混凝土的密实填充性，深中通道各参建单位专家反复研究论证，提出开展C50钢壳沉管自密实混凝土干燥收缩抑制技术研究的需求。该文以深中通道沉管隧道用C50钢壳沉管自密实混凝土为研究对象，对比研究了钙镁复合类膨胀剂(CME)、硫铝酸盐类膨胀剂(SE)、塑性膨胀剂(SP)对C50钢壳沉管自密实混凝土自密实性能及干缩性能的影响，提出了对混凝土自密实性能影响较小且对28 d干燥收缩抑制最为显著的膨胀剂掺用措施，解决了自密实混凝土收缩大的技术问题，为国内低收缩自密实混凝土的配制及应用提供参考。

1 原材料

1)水泥：华润水泥有限责任公司生产的 PⅡ 42.5 硅酸盐水泥，表面积宜控制在 355 m2/kg，碱含量0.20%，氯离子含量0.005%，3 d强度29.5 MPa，28 d强度 46.9MPa；2)粉煤灰：国家能源集团某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，烧失量2.2%，45 μm筛筛余4%，需水比92%；3)矿粉：唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生产的 S95 级粒化高炉矿渣粉，7 d活性指数 80%，28 d活性指数97%，流动度比 99%；4)减水剂(PCE)：聚羧酸系高性能减水剂，含固量35%，减水率35%；5)膨胀剂：分别为江苏某外加剂厂生产的钙镁复合类膨胀剂(CME)，河北某厂生产的硫铝酸盐类膨胀剂(SE)，山东某厂生产的塑性膨胀剂(SP)；6)砂：Ⅱ区中砂，含泥量为0.3%，细度模数2.8； 7)碎石：深中专供石场生产的 5～10 mm和10～20 mm 级配反击破碎石，压碎值为9%，母岩强度115 MPa。

2 配合比及试验方法

2.1 配合比

技术文件要求C50钢壳沉管自密实混凝土的28 d抗压强度≥59 MPa，混凝土坍落扩展度≥650 mm、V型漏斗通过试验<15 s，T500<5 s，倒置坍落度筒排空时间(倒筒时间)<5 s。C50钢壳沉管自密实混凝土基准配合比见表1，其中胶凝材料总量550 kg/m3，水胶比0.31，砂率0.5，粉煤灰占胶凝材料总质量的比例为36%，矿粉占胶凝材料总质量的比例为15%，减水剂掺量为1%。

表1 C50钢壳沉管自密实混凝土基准配合比 /(kg·m-3)

以基准配合比为基础，掺入不同种类及掺量膨胀剂的C50钢壳沉管自密实混凝土试验配合比见表2，其中配合比A1、A2、A3对应的塑性膨胀剂(SP)掺量分别为0.04%、0.08%及0.12%，配合比A4、A5、A6对应的膨胀剂SE掺量分别为8%、9%及10%，配合比A7、A7、A9对应的膨胀剂CME掺量分别为3%、4%及5%。考虑到SE及CME膨胀剂的掺量普遍较高，为避免外掺膨胀剂时，粉体材料大量增加对混凝土拌合物性能及强度造成较大的影响，膨胀剂采用等量取代胶凝材料的方式，考虑到基准配合比中水泥占比已经很低(50%)，为确保混凝土的配制强度，采用膨胀剂等量取代粉煤灰的取代方式。

表2 C50钢壳沉管自密实混凝土试验配合比 /(kg·m-3)

2.2 试验方法

1)混凝土拌合物性能试验方法参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080)进行，测试混凝土的坍落扩展度及1 h坍落扩展度、T50、倒筒时间、V型漏斗通过时间。

2)抗压强度试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)进行，测试混凝土的28 d抗压强度。

3)干燥收缩率试验方法参照《普通混凝土长期性能及力学性能试验方法标准》(GB/T 50082)进行，测试混凝土的28 d干燥收缩率。

3 结果与讨论

C50钢壳沉管自密实混凝土基准配合比及试验配合比拌合物性能、28 d抗压强度及28 d干燥收缩率试验结果见表3。

表3 C50钢壳沉管自密实混凝土试验结果

3.1 坍落扩展度

由表1可知，配合比A9组初期坍落度为640 mm，不满足技术要求，其他配合比均满足技术要求。塑性膨胀剂SP的掺入有利于混凝土坍落扩展度的增加，塑性膨胀剂SP的掺量越高混凝土初期坍落扩展度越大，与基准配合比相比，SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土初期坍落扩展度分别增加1.4%、3.6%及4.3%；膨胀剂SE及CME对混凝土坍落扩展度有抑制作用，SE及CME掺量越高混凝土初期坍落扩展度越小，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土初期坍落扩展度分别降低1.4%、2.9%及4.3%，CME掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土初期坍落扩展度分别降低4.3%、5.8%及7.3%，相对而言，CME掺入后混凝土初期坍落扩展度减小更明显。

塑性膨胀剂SP的掺入会降低混凝土坍落扩展度的经时损失，塑性膨胀剂SP的掺量越高混凝土1 h坍落扩展度越大，与基准配合比相比，塑性膨胀剂SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土1 h坍落扩展度分别增加2.2%、5.1%及5.9%；膨胀剂SE及CME的掺入会增加混凝土坍落扩展度的经时损失，SE及CME掺量越高混凝土1 h坍落扩展度越小，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土1 h坍落扩展度分别降低2.9%、5.9%及8.8%，EA2掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土1 h坍落扩展度分别降低5.9%、8.8%及16.2%，相对而言，CME掺入后混凝土坍落扩展度损失更明显。

研究表明[6，7]，塑性膨胀剂掺入后会释放少量的微气泡，提升混凝土的含气量，改善混凝土的和易性，提升混凝土的坍落度。SE及CME膨胀剂取代粉煤灰后，减弱了粉煤灰的“微集料”及“滚珠”作用[8，9]，混凝土坍落扩展度降低。同时，膨胀剂SE及CME需要与水发生化学反应后才能发挥作用，随着膨胀剂作用的发挥，混凝土中对流动度起正面作用的自由水减少，混凝土坍落扩展度降低。

3.2 T500及倒筒时间

由表3试验结果可知，配合比A5、A6、A8及A9组T500均大于5 s，不满足技术要求，其他配合比均满足技术要求。塑性膨胀剂SP的掺入有利于混凝土T500的降低，混凝土T500随着塑性膨胀剂SP掺量的增加先降低后保持不变，与基准配合比相比，塑性膨胀剂SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土T500分别降低0、33.3%及33.3%；膨胀剂SE及CME的掺入会增加混凝土的T500，SE及CME掺量越高混凝土T500越大，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土T500分别增加33.3%、100%及166.7%，CME掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土T500分别增加66.7%、133.3%及233.3%，相对而言，CME掺入后混凝土T500增加更明显。

配合比A5、A6、A7、A8及A9组倒筒时间均大于5 s，不满足技术要求，其他配合比均满足技术要求。塑性膨胀剂SP的掺入有利于混凝土倒筒时间的降低，混凝土倒筒时间随着塑性膨胀剂SP掺量的增加而降低，与基准配合比相比，SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土倒筒时间分别降低25%、25%及50%；膨胀剂的掺入会增加混凝土的倒筒时间，SE及CME掺量越高混凝土倒筒时间越大，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土倒筒时间分别增加25%、50%及125%，CME掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土倒筒时间分别增加50%、75%及175%，相对而言，CME掺入后混凝土倒筒时间增加更明显。

研究表明，塑性膨胀剂SP掺入后混凝土的含气量增加，混凝土粘度降低，混凝土T50及倒筒时间降低。如前所述，SE及CME膨胀剂取代粉煤灰后，减弱了粉煤灰的“微集料”及“滚珠”作用，同时膨胀剂对自由水的吸收等原因导致混凝土流动粘度增加，T500及倒筒时间增大。

3.3 V型漏斗通过时间

C50钢壳沉管自密实混凝土V型漏斗通过时间试验结果见表3。由试验结果可知，配合比A9组V型漏斗通过时间大于15 s，不满足技术要求，其他配合比均满足技术要求。塑性膨胀剂SP的掺入有利于混凝土V型漏斗通过时间的降低，混凝土V型漏斗通过时间随着塑性膨胀剂SP掺量的增加逐渐降低，与基准配合比相比，塑性膨胀剂SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土V型漏斗通过时间分别降低10%、20%及30%；膨胀剂SE及CME的掺入会增加混凝土的V型漏斗通过时间，SE及CME掺量越高混凝土V型漏斗通过时间越大，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土V型漏斗通过时间分别增加10%、30%及50%，CME掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土V型漏斗通过时间分别增加20%、50%及70%，相对而言，CME掺入后混凝土V型漏斗通过时间增加更明显。

3.4 28 d抗压强度

由表3试验结果可知，除A3组配合比外其他各组配合比的28 d抗压强度均满足技术要求。塑性膨胀剂SP掺入后混凝土28 d抗压强度下降，混凝土28 d抗压强度随着塑性膨胀剂SP掺量的增加逐渐降低，与基准配合比相比，SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土28 d抗压强度分别下降1.1%、2.7%及5.8%；膨胀剂SE及CME的掺入可增加混凝土的28 d抗压强度，SE及CME掺量越高混凝土28 d抗压强度越大，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土28 d抗压强度分别增加2.3%、3.7%及5.5%，CME掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土28 d抗压强度分别增加1.0%、1.5%及2.1%，相对而言，SE掺入后混凝土28 d抗压强度增加更明显。

塑性膨胀剂SP对混凝土28 d抗压强度的降低可能与其 “引气”作用有关，塑性膨胀剂SP掺入后混凝土的引气作用降低了混凝土的密实程度，混凝土抗压强度降低[10，11]。

3.5 28 d干燥收缩率

由表3试验结果可知，塑性膨胀剂SP的掺入有利于混凝土28 d干燥收缩率的降低，混凝土28 d干燥收缩率随着塑性膨胀剂SP掺量的增加逐渐降低，与基准配合比相比，SP掺量为0.04%、0.08%及0.12%时，混凝土28 d干燥收缩率分别降低34.5%、41.7%及51.1%；膨胀剂SE及CME的掺入会降低混凝土的28 d干燥收缩率，SE及CME掺量越高混凝土28 d干燥收缩率越小，与基准配合比相比，SE掺量分别为8%、9%及10%时，混凝土28 d干燥收缩率分别降低22.9%、35.0%及49.8%，CME掺量分别为3%、4%及5%时，混凝土28 d干燥收缩率分别降低18.4%、23.3%及31.8%，相对而言，塑性膨胀剂SP掺入后混凝土28 d干燥收缩率降低更明显。不同膨胀剂对混凝土干燥收缩的抑制则主要与其补偿收缩作用有关[14，15]。

综合考虑不同膨胀剂对混凝土拌合物性能、抗压强度及28 d干燥收缩率影响的试验结果可知，在拌合物性能均满足技术指标要求的基础上，塑性膨胀剂SP掺量为0.08%时，混凝土的拌合物性能最优，28 d抗压强度满足技术指标要求，28 d干燥收缩率最低。

4 结 论

a.在拌合物性能均满足技术指标要求的基础上，塑性膨胀剂SP掺量为0.08%时，混凝土的拌合物性能最优，28 d抗压强度满足技术指标要求，28 d干燥收缩率最低，此时混凝土的坍落扩展度为715 mm，T500为2 s，倒筒时间为3 s，V型漏斗通过时间为8 s，28 d抗压强度60.2 MPa，28 d干燥收缩率130×10-6。

b.塑性膨胀剂SP的掺入可提高混凝土的初期及1 h坍落扩展度，降低混凝土的T500、倒筒时间及V型漏斗通过时间，降低混凝土的28 d抗压强度，降低混凝土的28 d干燥收缩率，SP掺量越高对混凝土各项性能的影响越显著，SP掺量为0.12%时对混凝土各项性能影响最明显。

c.膨胀剂SE的掺入可降低混凝土的初期及1 h坍落扩展度，增加混凝土的T500、倒筒时间及V型漏斗通过时间，提高混凝土的28 d抗压强度，降低混凝土的28 d干燥收缩率，SE掺量越高对混凝土各项性能的影响越显著，SE掺量为10%时对混凝土各项性能影响最明显。

d.膨胀剂CME的掺入可降低混凝土的初期及1 h坍落扩展度，增加混凝土的T500、倒筒时间及V型漏斗通过时间，提高混凝土的28 d抗压强度，降低混凝土的28 d干燥收缩率， CME掺量越高对混凝土各项性能的影响越显著， CME掺量为5%时对混凝土各项性能影响最明显。