微膨胀混凝土配合比设计研究

朱圣敏

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 概述

微膨胀混凝土是指在普通的混凝土中添加一定的膨胀剂或水泥中掺加膨胀剂，使混凝土在水化期间能够依靠膨胀剂的作用而发生一定的膨胀，从而弥补了混凝土的收缩，达到防治混凝土裂缝，提高混凝土性能的目的，亦称为补偿收缩混凝土。该技术的发展已有半个多世纪，在国内也已应用20多年。

混凝土中掺入一定量的膨胀剂，依靠水化过程中，反应生成膨胀性结晶水化物－钙矾石，使混凝土适度膨胀，在钢筋的约束下，可产生 (0.2～0.7)MPa 的自应力，大致抵消混凝土收缩产生的拉应力，从而防止或减少混凝土收缩开裂，同时微膨胀混凝土在水化过程中所产生的钙矾石结晶起到了填充堵塞毛细孔的作用，使混凝土致密提高了混凝土的抗渗能力。近些年微膨胀混凝土在我国水工建筑发展应用速度加快，主要用于导流洞封堵、压力管道外围回填衬砌工程、大坝防渗体、结构混凝土（基础底板、墙、梁施工缝）后浇带、大坝维修等。随着建筑技术和新材料开发的进步以及工程实践经验的不断积累，应用技术也应得到补充和完善，但在国内尚无统一的行业标准，致使在应用中缺乏指导性的文件，产生了一些问题，不利于该项技术的推广应用。

2 微膨胀混凝土配合比设计原则

根据补偿收缩混凝土应用技术规程 JGJ/T 178－2009 规定，配合比设计应符合现行行业标准 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比设计规程》的规定。使用的膨胀剂品种应根据工程要求和施工要求事先进行选择。微膨胀混凝土的质量除符合现行的国家标准 GB 50164－2011《混凝土质量控制标准》的规定外，还应符合设计所要求的强度等级、热学性能、限制膨胀率，抗渗等级和耐久性技术指标。

微膨胀混凝土的限制膨胀率应符合表 1 的规定。限制膨胀率的试验和检验应按照现行国家标准 GB 50119－2013《混凝土外加剂应用技术规范》的有关规定，还应满足设计图纸中明确注明不同部位的限制膨胀率指标要求。

3 微膨胀混凝土配合比设计方法

微膨胀混凝土的配合比设计的难点及要点，除水胶比、用水量、砂率等参数外，重点是不同膨胀剂掺量、粉煤灰掺量、水胶比与混凝土强度、限制膨胀率、自生体积变形之间的关系，分析硬化混凝土的各项性能，从而选出最优的配合比。而其参数选定尤为关键。现以某工程导流底孔封堵微膨胀混凝土配合比设计为例，介绍微膨胀混凝土配合比设计具体方法。

3.1 水胶比的选定

补偿收缩混凝土的水胶比不宜大于 0.50。应根据工程设计要求（具体见表 2）计算出水胶比，按照设计混凝土等级、设计文件中的限制水胶比以及混凝土抗冻抗渗的要求（JGJ55中对抗渗等级有水胶比限制）选择合适的三个水胶比。

表1 微膨胀混凝土的限制膨胀率

表2 某工程导流底孔封堵混凝土配合比技术要求

由上表混凝土设计技术要求，选定 0.50、0.45、0.40 三个水胶比。

3.2 膨胀剂掺量的选定

膨胀剂的的掺入可以等量取代水泥，减少水泥用量，降低水化热，其水化时几乎没有水化热。所选用的膨胀剂应在其适宜掺量范围内，选定三个掺量。膨胀剂掺量应根据设计要求的限制膨胀率，并应采用实际工程使用的材料，经过混凝土配合比试验后确定。规范规定配合比试验的限制膨胀率值应比设计值高 0.005%，试验时，每立方米混凝土膨胀剂用量可按照 JGJ/T 178－2009 规范中表 3 选用。能够获得所需的新拌混凝土性能，并对硬化混凝土性能无负面影响。

表3 每立方米混凝土膨胀剂用量

膨胀剂的掺量不能太大也不能太小，它只能在适宜的范围内才能发挥有利的作用，膨胀剂掺入小，膨胀量小，达不到补偿收缩的效果。膨胀剂过大，混凝土构件中承受的内应力越大最终导致开裂。不要拘泥于膨胀剂的推荐掺量，应根据不同结构部位，科学地掺入不同数量的膨胀剂，才能达到补偿收缩的要求，根据规范要求及混凝土设计要求，选取12%、14%、16% 的三个掺量。

3.3 粉煤灰掺量的选定

在混凝土中掺一定量的粉煤灰能等量取代水泥来减少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土的水化热温升，并延缓混凝土水化热，对防止大体积混凝土开裂起到了很好的作用。微膨胀混凝土粉煤灰掺量应根据设计文件要求选择合适的掺量，短龄期的混凝土粉煤灰掺量不宜过大，长龄期的混凝土的掺量可适当提高。根据混凝土及各项指标要求，故选择30%、40% 的掺量。

3.4 单位用水量的选定

选定了水胶比，根据微膨胀混凝土单位胶凝材料应符合国家标准 GB 50119－2013《混凝土外加剂应用技术规程》的规定，且补偿收缩混凝土单位胶凝材料用量不宜小于300kg/m3，用于膨胀加强带和工程接缝部位的补偿收缩混凝土单位胶凝材料的用量不宜小于 350kg/m3，初步确定混凝土的单位用水量 140kg 左右，实际要根据试拌结果最终确定。

3.5 外加剂掺量的选定

根据初步选定单位用水量、水胶比进行混凝土试拌，外加剂掺量应根据满足混凝土坍落度、含气量等性能最终选定。在混凝土中掺入适当外加剂可以明显地改善混凝土拌和物及混凝土性能，减少用水量，延缓混凝土凝结时间，降低水化热，提高混凝土的抗冻性、抗渗性等，本次试验混凝土外加剂主要为聚羧酸类泵送剂和引气剂。泵送剂 JM-PCA 根据以往经验掺量为 0.8%，引气剂掺量根据实际拌合含气量4%～6% 来控制。

3.6 新拌混凝土性能进行配合比试拌调整成型

选定三个水胶比，合适的粉煤灰掺量、外加剂掺量，进行三个不同掺量的膨胀剂的组合试验。具体试验方案见表 4。

表4 混凝土拌和具体试验方案

（1）当试拌混凝土不能达到所需的新拌混凝土性能时，应对外加剂、单位体积用水量、进行适当调整。如要求性能中包括含气量，也应加以适当调整。

（2）当上述调整仍不能满足要求时，应对使用材料进行变更。如变更较难时，应对配合比重新进行综合分析，调整新拌混凝土性能目标值，重新设计配合比，直至满足设计要求。

按照以上方案试件进行成型不同水胶比、不同膨胀剂掺量的混凝土各项性能试验。

3.6.1 混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能

选择水胶比 0.40、0.45、0.50，进行不同粉煤灰及膨胀剂掺量进行混凝土拌和物和易性及硬化混凝土抗压、劈拉、极限拉伸试验。混凝土抗压强度应按照 JGJ/T 178－2009 标准要求进行试验，试模应采用钢制试模，试件成型后应带模养护7d。

（1）在膨胀剂掺量一定情况下，不同粉煤灰掺量与混凝土强度的关系

选择不同的水胶比，膨胀剂掺量为 12%，粉煤灰掺量为30%、40% 拌制混凝土，进行混凝土力学性能试验，其试验结果见表 5。 由试验结果得出，在膨胀剂掺量一定情况下，粉煤灰掺量越高，混凝土强度越低。粉煤灰掺量增长 10%，混凝土强度平均降低 9.5%。

（2）粉煤灰掺量一定的情况下，不同膨胀剂掺量与混凝土强度的关系

选择水胶比 0.45，粉煤灰掺量为 30%，膨胀剂掺量为12%、14%、16% 拌制混凝土，进行混凝土力学性能试验，其试验结果见表 6。由试验结果看出，在粉煤灰掺量一定情况下，膨胀剂掺量越高，混凝土强度越低。膨胀剂掺量每增长2%，混凝土强度平均降低 4.2%。三个水胶比、不同粉煤灰掺量、不同膨胀剂掺量的混凝土强度均满足设计要求。其中，水胶比 0.50、 12% 膨胀剂、40% 粉煤灰的混凝土强度最低，其极限拉伸满足 ≥0.85 的设计要求,故其他强度高的混凝土的变形性能更为优异，均高于设计要求。

表5 泵送混凝土室内试验结果

表6 泵送混凝土室内试验结果

3.6.2 混凝土耐久性

选择水胶比 0.45，12% 膨胀剂掺量，30%、40% 粉煤灰进行混凝土抗冻抗渗试验，具体试验结果见表 7、8。

从试验结果看，水胶比 0.45，12% 膨胀剂掺量，30%、40% 粉煤灰微膨胀混凝土抗冻抗渗均满足设计要求，随着粉煤灰掺量的增加混凝土动弹模量率略有降低，但冻融循环 250次混凝土的相对动弹模量率都达到 80% 以，相对动弹模率较高，说明微膨胀混凝土的抗冻融性能良好。

表7 混凝土耐久性试验结果

表8 混凝土具体抗冻试验结果

3.6.3 混凝土自身体积变形

根据表 4 试验方案，进行不同水胶比、粉煤灰掺量及膨胀剂掺量的混凝土自身体积变形试验，其试验结果见 9。

从最终试验结果可以得出：

（1）在水胶比、粉煤灰掺量一定情况下，膨胀剂掺量越大，混凝土自身体积变形越大。

（2）在膨胀剂、粉煤灰掺量一定情况下，水胶比的大小对混凝土自身体积变形影响不大。

（3）在水胶比、膨胀剂掺量一定的情况下，粉煤灰掺量越大，混凝土自身体积变形越大。

（4）不同水胶比，不同粉煤灰掺量，12%～16% 不同膨胀剂掺量的微膨胀混凝土，其 180d 自生体积变形均满足设计≥50με 的要求。

表9 不同水胶比、粉煤灰掺量、膨胀剂掺量的混凝土自身体积变形 με

3.6.4 混凝土限制膨胀率

限制膨胀率试验依据 GB 50119－2013 规范进行试验，其具体结果见表 10。

表10 混凝土限制膨胀率试验结果

从表 10 试验结果看，混凝土中掺入膨胀剂后，早期膨胀效果明显大于普通混凝土，掺入膨胀剂大大提高了混凝土的限制膨胀率，其 14d 水中和 28d 空气中的限制膨胀率均满足了规范 GB 50119－2013 要求，掺膨胀剂对于减少混凝土早期的裂缝是有一定积极意义的，达到了微膨胀的效果。

3.7 推荐混凝土配合比

根据以上硬化混凝土各项性能指标（强度、自身体积变形、极限拉伸、限制膨胀率），对试验结果进行多方面的总结比较，在满足规范微膨胀混凝土的胶凝材料用量不宜小于300kg/m3前提下，再结合委托方技术要求，在限制水胶比范围内最终确定膨胀剂的掺量及合适的配合比参数。其结果见表 11。

表11 推荐微膨胀混凝土配合比 kg/m3

4 结语

通过以上不同水胶比（0.40、0.45、0.50）、不同粉煤灰掺量（30%、40% ）及膨胀剂掺量（12%、14%、16%）混凝土物理力学性能及配合比试验结果，可以得出：

（1）水胶比、粉煤灰掺量相同的情况下，膨胀剂掺量越高，混凝土强度越低，但下降幅度不大；

（2）水胶比、膨胀剂掺量相同的情况下，粉煤灰掺量越高，混凝土强度越低，混凝土自身体积变形越大；

（3）采用中热 42.5 水泥掺加 16% 的膨胀剂，同掺 30%粉煤灰，14d 内混凝土自身体积变形最大为 166με。

总之，对于中热 42.5 水泥，膨胀剂掺量超过 10%，混凝土强度也没明显降低，混凝土力学、变形等各项性能指标均满足设计要求，且热学指标优于普通混凝土。当膨胀剂掺量大于 10% 时，随着膨胀剂掺量的增加，混凝土强度略有下降，但整体看来相差不大。