全补偿型混凝土膨胀剂及其对高强混凝土干缩的补偿.pdf

2 0 1 0 年 第 8期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 1 HEoRETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 0 7 全补偿型混凝土膨胀剂及其对高强混凝土干缩的补偿 李乃珍 ，谢敬坦 ，雷亚光 ，张立新 ， ，张志征 。刘翠华 ( 1 石家庄市太行特种水泥与防水工程研究所，河北 石家庄 0 5 0 0 3 1 ；2 石家庄功能建材有限公司，河北 石家庄 0 5 0 0 3 5 ) 摘要： 介绍 了全补偿型混凝土膨胀剂 F E A1 0 0的组成原理及 主要性 能 ， 通过混凝土试验 ， 认为 F E A1 0 0用于 C 5 0 C 9 0高强混凝土时 可使其干缩得到 8 0 - 1 0 0 的补偿； 可以制取自应力值达 1 5 MP a 或更高水平的钢管混凝土及大配筋率抗裂混凝土。 关键词 ： 膨胀剂 ；全补偿 ；高强混凝土 ；钢管混凝 土；无 收缩灌浆材料 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 】 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 2 1 02 Compl e t e c om p ens a t i on t yp e c onc r e t e e xp andi ng a dmi xt ur e an d i t s c ompen s a t i on f or dr yi ng s hr i nk ag e o f hi gh- s t r eng t h c onc r e t e L INa i - z h e n ， XI EJ i n g - t a n ， LE IYa - g ua n g ， Z HANG Li - xin ， ZHANG Z h i - z he n g： , L I U Cu i - hu a ( 1 S h i a z h u a n g T a i h a n g S p e c i a l C e me n t a n d Wa t e r p r o o fi n g E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 S h ij i a z h u ang F u n c t i o n a l Ma t e ri a l s Co ， L t d ， S h ij i a z h u a n g 0 5 0 0 3 5 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ：Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e c o mp o s i t i o n p r i n c i pl e an d t h e ma i n p e r f o r man c e o f F E A 1 0 0， a c o mpl e t e c o mp e n s a t i o n t y p e c o n c r e t e e x p a n d i n g a d mi x t u r e B y c o n c r e t e t e s t ， w e f o u n d t h a t F E A1 0 0 u s e d i n C5 0 - - C 9 0 h i g h s t r e n g t h C o n c r e t e c o u l d g i v e 8 0 1 0 0 o f c o mp e n s a t i o n f o r d r y i n g s h r i n k a g e o f t h e c o n c r e t e I t ma y b e u s e d i n ma k i n g c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub e ( C F S T) wi t h an a u t o s t r e s s i n g v a l u e o f 1 5 MP a o r h i g h e r and an t i c r a c k c o n c r e t e wi th l a r g e r e i n f o r c e m e n t r a t i o K e y wo r d s ： e x p a n d i n g a d mi x t u r e ； c o mp l e t e c o mp e n s a t i o n ； h i gh s tr e n g t h c o n c r e t e ； c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub e ( C F S T) ； n o n - s h r i n k a g e g r o u t i n g ma t e ri a l 0 引 言 我国混凝土膨胀剂品种较多， 性能也有差异， 反映在补偿 收缩混凝土上， 就是膨胀率偏低、 干缩偏大、 补偿效率还不够高， 对高强混凝土、 钢管混凝土及高强无收缩灌浆材料的应用等受 到较大制约， 本文所述的 F E A1 0 0混凝士膨胀剂， 是一种低干 缩、 高补偿效率的全补偿型混凝土膨胀剂 ， 在标准检验条件下， 2 1 d干空限制膨胀率10 ， 已成功使用于石家庄先天下广场 C 5 0 钢管混凝土、 文化广场 4 5 0 m m厚长墙工程、 海洋石油平台水下 自应力灌浆卡箍及国内外高强无收缩灌浆材料等方面， 可以预 期， 在已有和待开发的工程领域， 具有良好的应用前景。 1 F E A1 0 0膨胀 剂的组成 和原理 F E A1 0 0的主要原料为高级硫铝酸盐熟料、 活I生氧化钙熟料、 优质硬石膏及明矾石 ， 化学成分含量范围为 ： Al ： O 5 1 2 、 活 性 C a O 3 5 7 0 、 S O3 1 5 3 0 。 高级硫铝酸盐熟料的Al ： 0， 3 5 ， C , A， S 7 0 。活性氧化 钙熟料经 1 4 0 0 1 4 2 0煅烧获得， 无 c A矿物熔融相为 C , A F ， C a O具有良好的结晶状态， 既不同于见水即消化的生石灰， 也不 同于硅酸盐水泥中死烧的 。 F E A1 0 0 具有 3 个膨胀源， 各膨胀源所占有的作用密度 ， 在 配合比中得到体现。 钙矾石膨胀源 ， 可以保持产品的耐化学侵蚀性、 耐水溶性， 避免以往石灰膨胀剂不适用于水工工程的缺陷。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 1 7 氧化钙膨胀源 ， 可以获得高膨胀能， 高补偿效率， 满足补偿 能力的贮存条件， 对水养条件比纯钙矾石膨胀剂有所宽松； 早期 水化生成的 C a ( O H) ： ， 向形成钙矾石及硅酸凝胶 2 个方向转化， 利于致密度增高、 抗碳化能力增强 ； 成分与 P O水泥靠近， 对化 学外加剂适应性较好 。 明矾石用量处于 R 2 0符合标准要求的范围内， 可提供微小 的后期膨胀， 以补充干缩损失， 使贮存的补偿能力维持在一个 相对稳定 的水平 。 2 F E A1 0 0膨胀 剂的主要性 能 2 1 基本 性 能 为了谋求产品的最佳性能及实现定型生产， 设计了几种配 合比的 F E A1 0 0膨胀剂， 按不同掺量， 进行砂浆的标准检验， 结 果列于表 1 。可以看出， 各配合比样品的 7 d水中限制膨胀率 均高于 5 x 1 0 一 ， 2 1 d干空限制膨胀率均0 ， 优于混凝土膨胀剂 G B 2 3 4 3 9规定的型产品指标。 2 2 长期 膨胀 性能 研究了 F E A1 0 0砂浆试件长期的膨胀与干缩特性， 结果列于 表 2 。统计表明， 水中限制膨胀率以2 8 d为基准， 7 d的增进率 为 8 5 ， 至 1 年龄期增长 2 2 ， 也即膨胀能主要在早期发挥出 来 ； 干空限制膨胀率， 以2 1 d为基准 ， 至 9 0 d龄期干缩损失为 8 0 ， 1 年龄期有的样品完全损失 ， 有的还保存着较大的膨胀能。 3种膨胀源的结合， 避免了膨胀能持续时间较短及膨胀快、 干缩 也快的缺陷， 可有效地降低干缩率。 21 表 1 F E A1 0 0的基本性能 内掺量 水 中 1 0 。 ， 干空 l 0 7 d 2 8 d 9 0 d 1 8 0 d 1 年2 1 d 9 0d 1 8 0d 1年 2 3 对砂浆干缩的补偿效率 进行同条件下标准砂浆试件的补偿效率试验， 所测得的限 制膨胀( 或干缩) 率， 包含了除水化热因素外的所有变形结果。 从表 3可知， 不同水泥的于空 2 1 d限制膨胀率( 或称于缩率) 存 在差别， 使用的 F E A1 0 0掺量同为 8 时补偿效果也有差别； 对 P 0水泥的补偿效率高于 P s水泥。表 4同样显示对 P O水 泥的补偿效率高于 P S水泥； 随着 F E A1 0 0掺量的增加补偿效 率显著提高。在工程应用中， 欲获得满意的补偿收缩效果， 应该 而且必须使用工程确定采用的水泥， 进行混凝土补偿效率试验， 这比只用基准水泥复验膨胀剂指标更为重要， 以往那种直接按 照厂家推荐的掺量应用于工程的做法， 存在补偿效率的不确定 性。补偿效率使用式( 1 ) 计算 ： l n 千l C s = I 堕 l 1 0 0 ( 1 ) l l 式中： c 一 膨胀剂对水泥干缩的补偿效率； s 未掺膨胀剂的水泥砂浆干空 2 1 d的剩余限制膨胀 率， 1 0 ； s 掺膨胀剂的水泥砂浆干空 2 1 d的剩余限制膨胀 率 1 0 - 4 。 表 3 F E A1 0 0对不 同水泥的补偿效率 表 4 F E A 1 O 0不同掺量时的补偿效率 2 4长期 强度 性 能 进行了F E A1 0 0砂浆试件的长期强度性能观测 ， 结果列于 表 5 ， 自由试件是指无钢筋限制的 4 O mmx 4 0 mmx 1 6 0 n l n l 的标 准试件 ， 限制试件尺寸同自由试件， 肛为 O 7 8 ， 数据显示， 随膨 胀剂掺量的提高， 自由试件的强度损失增大 ； 抗折强度对膨胀 的敏感性大于抗压强度 ； 掺膨胀剂的后期强度增进率高( 见表 5 末栏 ) ， 1 年龄期的自由试件抗压强度 比2 8 d值提高 4 4 2 ； 1 年龄期的限制试件强度， 无论是水中还是干空养护， 比2 8 d值 提高 6 5 以上， 说明 F E &1 0 0具有持续增长的强度性能， 但在 表 5 F E A1 O 0的长期 强度性能 22 工程应用中， 应注意到膨胀率高时对早期强度会产生一定影响， 需通过试验正确处理与平衡膨胀一 强度一 补偿效率三者之间的 关系， 在强度保证的基础上， 求得需要的最佳补偿效率。 3混 凝 土 试 验 3 1 掺粉煤灰混凝土的补偿效率 考虑预拌混凝土泵送、 掺大量粉煤灰的现状 ， 进行了掺粉 煤灰混凝土的补偿效率试验 ， 并探讨了与减缩剂复合使用的效 果。使用 GB 8 0 7 6混凝土外加剂规定的基准混凝土配合比， 胶 凝材料用量 3 6 0 k g m， ， 泵送剂 1 5 ， 浙江产减缩剂外加4 ， 补 偿效率 c s 借用式( 1 ) 计算。结果列于表 6 、 7 。可以看出， 对不含 粉煤灰的No 0 2空白混凝土， F E A1 0 0的补偿效率为2 7 6 2 5 ， 减缩剂的为 1 0 4 8 ； 对含 3 0 粉煤灰的No 0 7混凝土， F E A1 0 0 的 C 为 3 1 5 8 ， 掺减缩剂的为 1 0 5 3 ； F E A1 0 0与减缩剂复合 适用时 提高至3 4 2 1 ， 在工程实际应用中， 无必要追求过高 的 值 ， F E A1 0 0或减缩剂的用量可酌量减少。 表 6 掺粉煤灰混凝土配合比 3 2 高强混凝土的补偿效率 进行了 F E A1 0 0对 C 5 0 , -C9 0高强度等级混凝土的补偿效 下转第 3 4页 b r i d g e J T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h Re c o r d ， 1 9 9 4 ( 1 4 6 0 )： 9 4 - 1 0 5 3 】 康为江 钢筋混凝土箱梁日照温度效应研究 D 长沙 ： 湖南大学结构 工程专业 ， 2 0 0 0 【 4 黄毅 混凝土连续箱梁桥日照温度场及温度效应研究 D 武汉 ： 武汉 理工大学， 2 0 0 9 5 贺栓海矫梁结构理论与计算方法 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 2 【 6 张朝晖A N S Y S 结构分析工程应用实例解析 M E 京： 机械工业出 上接第 2 2页 表 7 对掺粉煤灰混凝土的补偿效率 E r 率试验， 结果列于表 8 、 9 。其中， 0 8 C组为 C 5 0 ， 掺 2 0 粉煤灰 ； 0 8 D组与w组为C 6 0 ， 掺 1 谋灰； w组未掺粉煤灰； 0 8 E组为 C 9 0 ， 掺 1 0 硅灰。 结果表明： 掺F E A1 0 0 后， 高强混凝土的限制膨 胀率并不太高， 反映了高强度的自我约束作用； 对 C 5 0 、 C 6 0混凝 土， 加人 F E A1 0 0可使 2 8 d的干缩完全补偿， 至一年龄期时， 补偿 效率仍保持在 5 0 以上； C 9 0 混凝土， 掺硅灰的比不掺时干缩增 大， 使用 F E A1 0 0可使其 2 8 d的干缩补偿效率达 8 0 ， 至一年龄 期时， 补偿效率升至接近 1 0 0 。这一现象可以这样解释， 作为 F E A1 0 0的水化产物也是膨胀源的C a ( O H) ， 即使在于空条件下， 构件内部的水分也可使其继续和活性大的硅灰反应， 生成的硅 酸凝胶不仅使致密度增加、 提高强度， 而且改善了形变能力。 表 8 高强混凝土配合比 水 中 1 0 干空 B 1 0 抗压强度 MP a l j ； 鼍 7d 1 4 d 2 8 d 1 年 2 8 d 1 年 7 d 2 8 d 1 年 3 3 高 自应 力值 混凝 土试验 进行了高 自应力值细石( 5 1 0 mm) 混凝土试验， 采用配合 34 版社 ， 2 0 0 8 作者简介 单位地址 联 系电话 崔秀琴( 1 9 6 7 一 ) ， 女， 副教授， 博士研究生， 主要从事桥梁的 施工监控研究。 河南省焦作市人民大道东段( 4 5 4 0 0 0 ) 1 3 8 3 9 1 8 91 78 比为 ( 水 泥 + F E A1 0 0 ) ： 砂 ： 细石 = 1 ： O 8 ： 1 2 ； 试 件尺 寸 4 0 i n l T l x 4 0 m mx l 6 0 n l i n ， 为 1 2 4 ； 使用 P O 5 2 5 级邯郸水泥及 D7 配 合比的 F E A1 0 0 。自应力值 用式( 2 ) 计算： o - - e ( 2 ) 式中： l 配筋率 ， 1 2 4 ； 钥 筋的弹性模量， 1 9 6 x 1 0 MP a ； 一 混凝土限制膨胀率， 。 试验结果列于表 1 0 ，表明掺加 8 0 1 0 0 的F E A1 0 0 ， 可 以获得 2 8 d自应力值达 1 3 1 7 MP a的混凝 土 ， 和 日本 钢管混 凝土的自应力值水平一致； 对于高强无收缩灌浆材料 ， 可获得 远高于钙矾石类膨胀剂的竖向膨胀率。 当 F E A1 O 0掺量达 1 4 以上后， 水中限制膨胀率不升反降， 这是 偏低及混凝土的钢 筋握裹力不足造成的， 大膨胀率会导致配筋不足试件的变形或 开裂。因此， 对于有钢板围护限制的钢管混凝土及大配筋率抗裂 混凝土， F E A1 0 0可使用略为偏高的掺量， 以得到更高的自应力 值和限制强度提高的增益。 表 1 0 F E A1 O 0混凝土的 自应力试验 结果 4结 论 ( 1 ) F E A1 0 0全补偿型混凝土膨胀剂， 使用 3种膨胀源， 砂 浆干空 2 1 d的限制膨胀率0 ， 膨胀主要在早期发挥 ， 膨胀能高 并能持续维持较长的时间， 利于补偿能力的贮存。 ( 3 ) F E A1 0 0 对 C 5 0 C 9 0高强度等级混凝 土的干缩具有 良 好的补偿效果 ， 干空 2 8 d的补偿效率可达 8 0 1 0 0 ， 至 1 年 龄期 时补偿效率仍保持在 5 0 以上 。 ( 3 ) 利用 F E A可制取 自应力值达 1 5 MP a 或略高水平的钢 管混凝土、 大配筋率抗裂混凝土， 适用于配制竖向膨胀率较高 的高强无收缩灌浆材料。 参 考文献 ： 1 】吴中伟补偿收缩混凝土 M E 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 【 2 游宝坤， 赵顺增 混凝土膨胀剂及其应用 M 京 ： 中国建材工业出 版社， 2 0 0 6 【 3 】 游宝坤， 李乃珍 膨胀剂及其补偿收缩混凝土【 M 】 北京 ： 中国建材工 业出版社 ， 2 0 0 5 4 】 李乃珍， 谢敬坦 厂义的补偿收缩混凝土及补偿效率【 J ( 待发表) 作者简介： 李乃珍( 1 9 4 2 一 ) ， 男， 教授级高级工程师。 单位地址 ： 石 家庄市长安区西兆通运河路 6号 ( 0 5 0 0 3 1 ) 联 系电话 ： 0 3 1 1 - 8 5 3 0 5 1 8 6