复合膨胀剂对高性能混凝土力学行为和收缩开裂行为的影响.pdf

2 0 1 3年第 1 1期( 总第 2 8 9期 ) 混 Nu m b e r 1 1 i n 2 Ol 3 ( To t a l No2 8 9) d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 1 0 1 9 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE 复合膨胀剂对高性能混凝土力学行为和 收缩开裂行为的影响 孔祥付 ，郭飞 。田倩 。张守治 ( 1 汀苏博特新材料有限公司，汀苏 南京 2 1 l 1 0 3 ； 2 J ： 苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木 1 ： 程材料国家重点实验室， 苏 I 幸 J 京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 选取了两种钙镁复合膨胀剂， 分别考察了其对 C 3 0 和 C 5 0 高性能混凝土力学行为和变肜行为的影响规律 结果表明： 膨 胀剂外掺时町提高混凝土抗压强度 ， 2 8 d 抗压强度增幅为 2 5 ； S B T J M MC ( I I ) 膨胀剂的湿度敏感性更小， 对低水胶比混凝上 的十燥收缩补偿效果更优， 更适合在高性能混凝土中使用 ； 掺加 S B T J M MC ( I I ) 复合膨胀剂后混凝上开裂时 J j 显著延 长， 且初裂 宽度显著减小 关键词 ： 复合膨胀剂；外掺 ；湿度敏感性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 4 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 l 3 ) l 1 0 0 6 8 0 4 E ffe c t o f c omp o un d e x p a n s i v e a g e n t o n t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r a n d de f or m a t i on beha vi or o f hi gh per f or m a nc e conc r e t e KO NGXi a n g f u ， GUOF e i ， T I ANQi a n 2 Z H ANGS h o u z h i ( 1 J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e C o ， L t d ， N a n j i n g 2 1 1 1 0 3 ， C h i n a ； 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H i g h P e r f o r ma n c e Ci v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l ， J i a n g s u Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Bu i l d i n g S c i e n c e ， Na i n g 2 1 0 0 0 8 ， Ch i n a ) Abs t r act： Two c o mpo u n d e x p a n s i v e a g e n t s we r e s e l e c t e d t o d i s c u s s t h e me c ha ni c a l be h a v i or and de for ma t i o n b e h a vi o r o f C3 0 a nd C5 0 hi g h pe r f o rm a n c e c o n c r e t e The r e s u l t s s ho we d t h a t t h e c o mp o u n d e x pa ns i v e a g e n t wi th e xt e r na l mi x i n g r a i s e d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f h i g h p e r f o rm a nc e c o n c r e t e i n c r e a s e a mp l i t u d e o f 28 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s 2 5 ； t h e hu mi di t y s e n s i t i v i t y o fS BT J M M e( 1 1 )i s s ma l l e r i t c a n b e t t e r c o mp e n s a t e t he d r y i ng s h r i n ka g e o f c o n c r e t e wi t h l o w wa t e r bi n d e r r a t i o， a n d i t i s mo r e s u i t a b l e f o r h i g h p e r for ma n c e c o n c r e t e ； c o n c r e t e wi t h S BT J M MC( I I ) c r a c k e d s i g n i fi c a n t ly l a t e r t h a n r e f e r e n c e c o n c r e t e ， a n d t h e c r a c k wi d t h i s s i g n i f i c a n t l y s ma l l e r t o o Key wor ds ： c o mp o u n d e x p a n s i v e a g e n t ； e x t e ma l mi x i n g； h u mi d i t y s e n s it i v i t y 0 引 言 高性能混凝土是当代土木T程结构 的发展趋势。 高性 能? 昆 凝土( H P C) 是一种新型 的高技术混凝土 ， 是在大幅度 提 高常规混凝 性能的基础上 ， 采用现代混凝 土技术 ， 选 用优质原材料 ， 在妥善的质量控制 下制成 的； 除采用优质 水 泥 、 水 和集料 以外 ， 必须采用低水胶 比和掺加足够数量 的矿物细掺料与高效外加剂 ， H P C应 同时保证下列性 能 ： 耐久性 、 T作性 、 各种 力学性能 、 适用性 、 体积稳定性 和经 济合 理性 l l1 。 H P C _已广泛的应用于大跨度桥梁 、 大体 积基 础 、 离岸海上建筑 等大型 r 程口 ， 社会效益和经济效益 日 益 显著 ， 但是 由于采J j 了低水胶 比和高胶凝材料用量 ， 使 得 HP C的收缩 裂问题 _ 1 益严重【 5 _ 1 。 掺加膨胀剂在混凝土 裂缝控制方 面已成为 一个有效 的技术措施 。 根据膨胀剂与水泥 、 水拌和后经水化反应生 成的产物来 划分 ， 通 常将膨胀剂分为 3 类 ： 硫铝酸钙类膨 胀剂 、氧化钙类膨胀剂和氧化镁类膨胀 刹。 日前钊 对膨胀 剂的研究多是针对单一类型膨胀剂 ， I 单 品种膨胀剂 补偿混凝 土收缩过程 叶 l 均存在 一 一 定 的缺陷 ， 比耍 氧化争 与 类 膨胀 刹水化反应速率过快 ， 主要补偿? 昆 凝 t 期的收缩 ， 而氧化镁类膨胀剂水化反应速率相对较慢 ， 主嘤对混凝士 的后期收缩起补偿作用。 若将不同种类的膨胀剂复合 n f 发 挥其各 自的优势 ， 实现混凝土收缩 的全过程补偿 本试验选取了两种钙镁复合类膨胀剂 ， 分别考察 j ， 其对 C 3 0和 C 5 0高性能混凝土力学行为和变形行为的影响规律 1 试 验 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥 ： 江南小野 田P I 1 5 2 5 。 ( 2 ) 粉煤灰 ： I 级粉煤灰。 ( 3 ) 粗骨料 ： 5 2 5 m i l l 连续级 酣玄武岩。 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 5 1 0 基金项目： 家杰m卣 科学基金( 5 1 2 2 5 8 0 1 ) ； “ 十二 五” 国家科技 芰撑计划( 2 0 1 1 B A E 2 7 B 0 1 2 ) 6 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 4 ) 细骨料 ： 黄砂 ， 细度模数 2 6 。 ( 5 ) 外加剂： 采用江苏博特新材料有限公司生产的 J M B 高效减水剂 。 ( 6 ) 膨胀 剂 ： 采用江苏博特新 材料有限公 司提供 的两 种复合膨胀剂 ， S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M Mc ( I I ) 。 1 2西 己 合 比 试验选取 了 2 组不同强度等级的混凝 土 ， 强度等级设 计值分别为 C 3 0 、 C 5 0 ， 基准混凝土配合如表 1 。 水胶 比分别 为 0 4 5 、 0 3 5 ； 胶凝材料用量分 别为 3 8 0 、 4 6 0 k g m ； 砂率 为 4 0 ； 粉煤灰掺量为 2 0 ； C 3 0混凝 土的矿 粉掺量 为 3 5 、 C 5 0 混凝土 的矿粉掺量为 2 5 。 表 1 混凝土配合比 表 2 、 3 分别是 C 3 0和 C 5 0 外掺 、 内掺 8 膨胀 剂的混 凝 土的配合 比 ， 和基准配合 比相 比， 混凝土的水胶 比、 矿物 掺合料掺量 、 砂率均保持一致 。 表 2 外掺膨胀剂( 8 ) 混凝土的配合比 2 试验 结果 与讨论 2 1 抗 压 强度 图 l 为 两种 膨胀剂 不 同掺加 方式 C 3 0混 凝 土抗 压 强度 。 结 果表 明 ， 膨胀 剂 内掺时 ， 掺加 S B T J M MC( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 两种膨胀剂 的混凝土 7 、 2 8 d强度均有所 降低， 2 8 d 抗压强度降低幅度分别为 1 0 、 4 ； 膨胀剂外掺 时 ， 掺加 S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 两种膨胀剂 的 混凝 土 7 、 2 8 d 强度 与基准混凝土相差不大， 甚至略有提高 ， 2 8 d 抗压强度增 幅分别为 3 、 5 。 5 O 40 云 。 营 0 l 0 O 龄期 ， d 龄 期 ， d ( a ) 内掺 ( b ) 外掺 图 1 掺加膨胀剂 G 3 0混凝土的抗压强度 图 2为 两种 膨胀剂 不 同掺加 方 式 C 5 0 混 凝 土抗 压 强度 。 结 果表 明 。 膨胀 剂 内掺时 ， 掺加 S B T J M MC ( I ) 和 ： ： 皇 5 0 0 龄 期 ， d 龄期 ， d ( a ) 内掺 ( b ) 外掺 图 2 掺加膨胀剂 C 5 0混凝土的抗压强度 S B T J M MC ( I I ) 两种膨胀剂 的混凝土 7 、 2 8 d强度均有所 降低 ， 2 8 d抗压强度 降低幅度分别为 1 1 、 1 7 ， 膨胀剂 内 掺对 C 5 0混凝土抗压强度的影响程度超过 了对 C 3 0 混凝 土抗压强度的影响 ； 膨胀剂外掺时 ， 掺加 S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 两种膨胀剂 的混凝土 7 、 2 8 d强度与基准 混凝土相差不大 ， 7 d 抗压强度略有降低 ， 降幅均为 2 ， 而 2 8 d 抗压强度略有提高 ， 增幅均 为 2 。 可见对于钙镁复合膨胀剂来说 ， 在不影响强度的条件 下宜采用外掺方式。 2 2 掺复合膨胀剂混凝土的变形行为和开裂敏感性 2 2 1 掺复合膨胀剂混凝土的干燥收缩与 白干燥收缩 基 于膨 胀 剂对 混 凝 土抗 压 强 度 的影 响试 验 结果 ， S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M MC ( H ) 两种 复合膨胀剂均选取 外掺方式 ， 研究 了两种复合膨胀剂对 C 3 0 、 C 5 0 混凝土的变 形性能 的影响。 图 3 、 4 分别是掺加 S B T J M Mc ( 1 ) 和 S B T J M MC ( I I ) 两种复合膨胀剂后 C 3 0 、 C 5 0 混凝土的干燥收缩， 从图中可以 看出， 掺加复合膨胀剂的混凝土的干燥收缩值均小于基准混 凝土的干燥收缩值 ， 掺加 S B T J M MC ( n ) 对混凝土的干燥收 缩补偿效果最显著 ， 混凝土的干燥收缩得到了大幅的抑制。 对 龄期 图3 G 3 0混凝土的干燥收缩 龄期 ， d 图4 C 5 0混凝土的干燥收缩 69 _ 【 、 0 u _ O H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 于 C 3 0 混凝土， 掺加 S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M Mc ( I I ) 后混 凝土的干燥收缩相差不大 ， 2 8 d 龄期时掺加 S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 凝土的干燥收缩较基准混凝土分别降 低 了 1 9 4 、 2 0 3 ； 而对于 C 5 0 混凝土， 掺加 S B T J M MC ( I I ) 最大幅度的降低了混凝土的干燥收缩 ， 2 8 d 龄期时混凝土干 燥 收缩值仅为 1 1 9 x 1 0 ， 而基准混凝土的干燥收缩值高达 3 1 7 x 1 0 4 , 2 8 d 龄期时掺加 S B T J M Mc ( I ) 和 S B TJ M MC ( I I ) 混凝土的干燥收缩分别降低了 3 5 7 、 6 2 3 。 C 3 0 混凝土水胶 比为 0 4 5 ， 混凝 土内部湿含量较 高 ， 内部 有较 多 的水 分供 膨胀 剂 水化 反应 所用 ， 此 时掺加 S B T J M。 MC ( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 对 C 3 0 混凝土的干燥收缩 补偿程度相当； 而 C 5 0 混凝土水胶 比为 0 3 5 ， 混凝土 内部湿 含量较低 ， 内部可供膨胀剂水化反应所用的水分远少于 C 3 0 混凝土 ， 此时掺加 S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 对 C 5 0 混凝土的干燥收缩补偿程度相差巨大， 掺加 S B T J M Mc ( I I ) 对 C 5 0 混凝土的十燥收缩补偿效果更好 ， 说明 S B T J M MC ( I I ) 膨胀剂水化反应对水分的需求要小于 S B T J M MC ( I ) ， 其湿 度敏感性更小 ， 对低水胶 比混凝土的干燥收缩补偿效果更 优 ， 更适合在高性能混凝土中使用。 图 5 、 6分别是掺加 S BT J M MC ( I ) 和 S B T J M MC( I I ) 两种复合膨胀剂后 C3 0、 C5 0混凝土的 白干燥收缩 ， 从 图中 可以看I叶 J ， 对于密封条件下混凝土的白干燥收缩 ， C 3 0 混凝 土的 白干燥收缩值要明显低于 C 5 0 混凝土的 白干燥收缩 ， 且无论是 S B T J M MC( I ) 和 S BT J M MC( I I ) ， 混凝土 的 自 十燥收缩值均低于基准混凝土。 0 = 髓 制 龄期 d 图5 G 3 0混凝土的自干燥收缩 龄 期 ， d 图6 G 5 0混凝土的干燥 自收缩 掺入膨胀剂的混凝土试件在密封养护条件下存 在两 种相 反的体积变化 ， 一是水泥水化所引起 的 白干燥 收缩 ， 一 是膨胀剂水化 产生 的体积膨胀 。 对 于 C 3 0 混凝土 ， 掺入 复合膨胀剂后 6 7 d 膨胀到达最高值 ， 且后期无明显回落 ， 混凝土存 2 8 d时变形值为正值 ， 较初值表现为微膨胀 ， 膨 7 0 胀 剂 水化 产 生 的膨 胀 值超 过水 泥水 化造 成 的收 缩值 ， S B T J M MC ( I I ) 的膨胀值最大 ， 2 8 d时膨胀值为 2 6 9 x 1 0 4 ； 对 于 C 5 0 混凝土 ， 掺加 S B T J M MC ( I ) 和 S B T J M MC ( I I ) 混凝土早期表现为膨胀 ， 随着 时间的增加 ， 混凝 士体积变 形逐渐表现 为收缩 ， 2 8 d时掺加 S B T J M MC ( I ) 膨 胀剂 的 混凝 土变形表现为收缩 ， 收缩值为 5 1 x l 0 ， 膨胀剂水化产 生的膨胀不能完全补偿水泥水化造成的收缩 ， 2 8 d时掺 加 S B T J M MC ( I I ) 膨胀剂的混凝 土变形依然表现为膨胀 ， 膨 胀值为 1 8 4 1 0 。 2 2 2 掺复合膨胀剂混凝土的开裂敏感性 本试验 使用 的 圆环模 具是 参考 美 国道路 程学会 ( A A S H T 0) 建议 的方法设计的模具。 模具 由外环和内环组 成 ， 试验圆环尺寸为 ： 混凝土内径 2 5 0 m m， 外径 3 0 0 mm， 高 l 5 0 mm。 成型后 2 d拆除外环 ， 拆模后放入恒温恒湿窜 ( ( 2 0 + 2 ) ， 月 = ( 6 0 _+ 3 ) ) 。 试验采J J 混凝土配合比， 剔 除粗骨料 ， 膨胀 剂选取 S B T J M MC ( I I ) 进 行试验。 模具文 物 图见 7所示。 图 7 圆环模具实物图 表 4 混凝土开裂时间和初裂宽度 由表 4可以看 出， C 3 0基准配合 比在放入恒温恒湿事 后 1 1 7 h 后开裂， 掺加 S B T J M MC ( I I ) 复合膨胀剂后 2 6 7 h 后开裂， 开裂时间延长 了 6 d以上 ， 且初裂宽度也从 0 1 mm 降低为 0 0 5 m m； C 5 0基准配合比存放入恒温恒湿窜后 1 1 4 h 后开裂 ， 稍早于 C 3 0 混凝土 ， 掺加 S B T J M MC ( I I ) 复 合膨胀剂后 1 8 4 h后开裂 ， 开裂时间延长了接 近 3 d ， 初 裂 宽度从 0 0 3 mm降低为 0 0 1 m m。 掺加 S B T J M MC ( I I ) 复合 膨胀剂后 ， C 3 0 和 C 5 0 的抗开裂性能明显提高， 开裂敏感性 都显著的得到降低 ， 其 中 C 3 0 开裂时间延长一倍以上且裂 缝宽度减小一半 ； C 5 0开裂时间延长 6 0 ，裂缝宽度仅为 基准配合 比的 1 3 。 3结 论 ( 1 ) 复合膨胀剂内掺时对混凝土抗压强度不利 ， 外掺 时可提高混凝土抗压强度 ， 2 8 d 抗压强度增幅为 2 5 ( 2 ) S BTJ M MC ( I I ) 膨胀剂水化反应对水分的需求要小 于 S B T J M MC ( I ) ， 其湿度敏感性更小 ， 对低水胶比混凝土的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m