膨胀剂、减缩剂及合成纤维对大流动性混凝土早期形变的影响

孙贺，刘贵双，卢传泰，陈威威，张展鹏，张如娜，衡永生，王童，李宇洋

（1. 徐州铸建建材科技有限公司，江苏 徐州 221300；2. 江苏诚意工程技术研究院有限公司，江苏 徐州 221300）

0 前言

混凝土是使用最广泛的建筑材料，稳居世界建筑材料产量首位[1]。全世界每年混凝土用量不断增长，纷繁复杂的现代建筑对混凝土的性能提出更高的要求。裂缝是混凝土材料常出现的问题，是混凝土工程最应消除的病害之一，不利于混凝土的力学性能和耐久性能[2]，且不美观。宏观裂缝的形成来自微裂纹的连通和贯穿，而裂纹主要是由混凝土收缩引起的[3-4]。

混凝土早期收缩主要包括化学收缩、自收缩、干燥收缩和温度收缩。化学收缩是由于水泥水化产物总体积小于反应物总体积引起的，自收缩是由水泥水化消耗毛细孔中水分而引起的附加压力造成的，干燥收缩是由于毛细孔中水分蒸发离开体系而引起的附加压力造成的，温度收缩是由水化放热使混凝土升温后逐渐恢复到环境温度的过程中温度变化引起的[5]。此外，水化放热引起混凝土早期内部温度梯度产生的内应力也会引起混凝土开裂[6]。随着超高层建筑、大跨度建筑和结构复杂的建筑的发展进步，这些建筑工程对混凝土的工作性能提出更高要求，大流动度的混凝土用量逐年增大。大流动性混凝土具有浆体体积大、胶凝材料用量大的特点，因此其收缩开裂问题较严重[7]，28d 内的收缩明显且表面常产生大量裂缝。

现有的减缩抗裂方法主要从结构设计、施工养护和材料方面来提出。结构设计、施工及养护方面主要包括合理安排施工顺序、覆膜养护、预埋冷却水管及钢筋网片等。材料方面主要包括使用中低热水泥，掺加活性混合材、合适的外加剂和纤维材料等[4,8]。设计、施工和养护方面的方法已成为各类标准中规定操作，但这些方法在实际工程中取得的减缩抗裂效果尚不足够[9]。材料方面的方法更加治本，减缩剂一般通过降低混凝土孔隙水表面张力来减小毛细孔失水引起的附加压力，从而降低收缩；膨胀剂主要通过其水化体积膨胀来补偿收缩；各类合成纤维主要通过增强增韧减小混凝土的形变[10]。然而，这些材料之间及其与胶凝材料间的适应性等问题，相关研究报道还较少。本文针对 C35 和 C45 的大流动性混凝土，初步探索了膨胀剂、减缩剂和合成纤维单独使用及复配使用对混凝土早期形变情况和强度的影响并分析原因，旨在辨明这三种常用的减缩抗裂掺加物之间的适应性及其对混凝土早期形变及强度的影响，以指导工程实践。

1 原材料与方法

1.1 原材料

试验采用符合 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的 P·O42.5 水泥。试验采用 ISO 标准砂，粒径10～20mm 碎石。试验所用减水剂为聚羧酸系减水剂（PCE），其固含量为 20%，液体减缩剂固含量为40%，粉体膨胀剂为硫铝酸钙型膨胀剂，合成纤维为聚乙烯纤维（长 50 mm），拌和用水为可饮用水。

1.2 配合比

按照表1 拌制混凝土。其中，C35-N 混凝土为未掺加任何 PCE 以外的外加剂的空白对照，C35-C 为复合掺加膨胀剂、减缩剂和聚乙烯纤维的混凝土。所有试样按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》之方法拌制。拌制时控制各组混凝土坍落度均在 (220±10)mm 范围内[1]。C35-系列的混凝土的水胶比均为 0.35，单位用水量均为 180kg/m3，骨胶比均为4.0，砂率均为 45.9%，粉煤灰掺量均为 20.0%。膨胀剂外掺胶凝材料质量的 6%，减缩剂内掺胶凝材料质量的2.5%，纤维掺量为每方混凝土 0.7 kg，C45 组的混凝土这三项掺量相同。

表1 C35 组混凝土配合比 kg/m3

按照表2 拌制混凝土。其中，C45-N 混凝土为未掺加任何 PCE 以外的外加剂的空白对照。所有试样按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》之方法拌制，编号 C45-N 为空白对照组。拌制时同样控制各组混凝土坍落度均在 (220±10)mm 范围内。C45-系列的混凝土的水胶比均为 0.45，单位用水量均为 180kg/m3，骨胶比均为 4.5，砂率均为 42.9%，粉煤灰掺量均为 18.0%。

表2 C45 组混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 拌合成型

由于膨胀剂、减缩剂和纤维状态不同，因此拌合过程与标准有区别，步骤根据前期大量预试验确定。具体步骤如下：称量拌合所需物料，再分别称量水和减缩剂质量的 70%，混合均匀，剩余部分不混合；称量胶凝材料质量 6% 的膨胀剂；按照 0.7kg/m3的掺量称量设计方量混凝土相应的合成纤维；将胶凝材料、膨胀剂、纤维和砂等物料充分混合，之后加入石子拌合；分散均匀后将混合均匀的水和减缩剂缓慢加入搅拌装置，搅拌约2min 后，同时缓慢加入剩下的水和减缩剂；充分拌合直到浇筑。

由于试验墙长度大于 1m（墙体尺寸如图1(a) 所示），因此随后的浇筑、振实、成型和养护等步骤，根据 GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》操作即可。

1.3.2 收缩

根据相关报道[11-12]，选取模拟测试中墙体应变梯度较大的位置布置应变计，如图1(a) 所示。形变测试的混凝土试件尺寸为 10m×1.5m×0.2m（长×高×厚），应变计中心位置距离试件底部 45cm，距离顶部105cm，长和厚方向位于试件中央。在浇筑前，将应变计用细钢丝绑扎固定至图中的位置，如图1(b) 所示。数据线紧贴底板的钢筋中连接到结构外，通过数据采集器定期读取数据，采集器中的数据通过 USB 传输至电脑。应变计为 VS-100 振弦式应变计，数据采集器为MCU-32 型分布式自动采集系统，采集间隔为 1h。

1.3.3 强度

混凝土强度按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》之规定进行试验，测试蒸养混凝土 28d 的抗压强度。

图1 应变计布置示意图(a) 及应变计绑扎 (b)

2 试验结果

2.1 C35 混凝土

C35 组的混凝土在 28d 内的应变及 28d 抗压强度分别如表3、图2 和表4 所示。表3 所列为主要及有代表性的时刻的各试件应变值。相比空白组，复掺组混凝土约在 12d 达到最大形变为膨胀 21μm/m，明显小于单掺膨胀剂的混凝土最大形变，复掺组混凝土在 28d 收缩26μm/m，比空白对照降低了 87%，相较于单掺膨胀剂的混凝土亦降低 50%，同样明显小于其他组。复掺组混凝土抗压强度比空白组略有提高，且高于其他组。

掺加膨胀剂的混凝土拌合后即开始膨胀，在约 4d达到最大膨胀量 86μm/m，随着水化反应加速，混凝土体积迅速收缩，形变曲线平缓，随后形变加速减小，在约 18d 时混凝土的收缩完全抵消膨胀剂带来的膨胀量，之后混凝土继续收缩，28d 收缩 53μm/m。另外几组混凝土拌合后均为收缩状态，从 C35-X 及 C35-J 组混凝土形变曲线可看出纤维对混凝土早期收缩的影响较小，而减缩剂在空白组收缩最快的前几天，其补偿收缩效果最明显，而后效果逐渐减小，直到 28d 收缩量与掺纤维混凝土接近，但掺减缩剂对强度的不利影响较小。复掺组混凝土在约 9d 时达到最大膨胀 21μm/m，随后整体表现为开始收缩，最大膨胀量相比单掺膨胀剂组降低了77%。C35-P 组混凝土的强度略高于空白组，与 C35-C组混凝土强度接近，这说明在该掺量条件下，即使是C35-P 最大膨胀量也还未达到对结构有破坏，不利于强度增长的形变量。C35-X 和 C35-C 组混凝土形变曲线相似，再对比 C35-P 组可知掺纤维对膨胀变形的限制有明显效果，但对收缩的限制效果不明显，这是由于聚乙烯纤维抗拉强度较高[13]，混凝土收缩时纤维只能通过提供额外的摩擦力而略微减小收缩量。

各组混凝土形变曲线在变化过程中存在小幅度的周期性波动，并且各组混凝土形变波动的方向一致，可知，这只是由于环境温度变化引起的热胀冷缩。环境温度变化包括每天的昼夜温度变化和短期同时段温度的变化，从图2 中均可看出，前者变化周期更短，后者周期约为 5d，这与户外气候有关，在进一步的试验中可进行扣除。

表3 C35 组混凝土应变/m

表3 C35 组混凝土应变/m

龄期(d) C35-N C35-P C35-J C35-X C35-C 龄期(d) C35-N C35-P C35-J C35-X C35-C 1.39 43.3 -48.3 0.1 19.3 7.3 13.89 126.7 -33.1 38.6 52.1 -11.8 2.78 72.6 -79.1 5.2 31.1 9.8 15.28 134.5 -24.1 39.0 63.9 -5.6 4.17 88.7 -87.2 15.4 29.4 7.4 16.67 132.0 -8.6 46.7 71.9 1.7 4.75 89.7 -91.3 20.4 27.3 -1.6 18.06 138.5 1.0 63.7 81.2 2.7 5.56 88.7 -83.0 31.6 26.8 -5.6 19.44 159.0 -0.8 78.6 93.0 0.3 6.94 98.5 -83.5 53.2 27.4 -15.4 20.83 179.9 8.0 85.1 94.2 1.4 8.33 122.7 -82.8 54.3 29.0 -19.3 22.22 184.0 24.8 93.4 93.5 11.7 8.70 127.8 -79.6 50.9 28.7 -20.9 23.61 191.3 44.4 104.7 102.5 22.1 9.72 132.2 -67.1 45.3 27.4 -16.6 25.00 190.6 49.8 108.4 101.7 25.2 11.11 119.4 -48.6 41.6 26.4 -18.1 26.39 191.8 52.0 108.7 102.9 24.3 12.50 119.2 -37.1 42.0 37.6 -16.1 28.00 196.3 52.8 109.1 108.3 26.0

图2 C35 组混凝土 28d 内应变曲线

表4 C35 组混凝土的强度及应变测试结果

2.2 C45 混凝土

C45 组的混凝土在 28d 内的应变及 28d 抗压强度分别如图3 和表6 所示。与图3 相对应地，主要及有代表性的时刻的各试件应变值罗列于表5。相比空白组，复掺组混凝土在约 10d 达到最大形变为膨胀 17μm/m，小于单掺膨胀剂的混凝土，复掺组混凝土的 28d 收缩23μm/m，远小于其他组。此外复掺组混凝土抗压强度降低约 3%，影响较小。

掺加膨胀剂的混凝土拌合后开始膨胀，约 7d 达到最大膨胀量 81μm/m，随后的变化规律与 C35 组混凝土较为一致，但整体滞后于 C35 组混凝土，在约 22d 时混凝土的收缩完全抵消膨胀剂带来的膨胀量，之后混凝土继续收缩，28d 收缩 34μm/m。C45-J 组混凝土拌合后有所膨胀，推测是水化温升引起的温度膨胀，而减缩剂通过降低毛细孔水表面张力从而减小了干燥收缩和自收缩，因此 4d 内混凝土略有膨胀。另外几组混凝土拌合后均为收缩状态，对比 C45-X 和 C45-J 组混凝土形变曲线，纤维具有增韧效果，但对混凝土收缩的影响较小[13-14]，并且与 C35 组混凝土表现出同样的特点：减缩剂的补偿收缩效果主要表现在 7d 以内，而 28d 时的收缩量与掺纤维组接近，但对强度的不利影响小于后者。C45-C 在约 9d 时达到最大膨胀 17μm/m，相比 C45-P 组混凝土的最大膨胀量减小了 79%，这与 C35 组混凝土的情况相似，这是因为纤维掺量只与混凝土体积有关，因而两个配合比的混凝土中纤维对膨胀剂的膨胀量限制能力较接近。C45-P 组混凝土最大膨胀量也还未达到对结构产生破坏，最大膨胀量小于 C35-P 混凝土且与空白组的强度比亦略有升高，这是由于膨胀剂掺量与胶凝材料有关，因而高水胶比的混凝土膨胀剂效果更不明显。

从图3 中仍可观察到各组混凝土应变曲线的小幅度周期性波动，且变化的大小周期及时间与 C35 组混凝土这种变化的大小周期和时间基本一致，这说明该变化确实并非混凝土的配合比引起的，而是环境变化引起。

表5 C45 组混凝土应变/m

表5 C45 组混凝土应变/m

龄期(d) C45-N C45-P C45-J C45-X C45-C 龄期(d) C45-N C45-P C45-J C45-X C45-C 1.39 40.0 -40.2 -4.2 14.6 6.2 13.89 120.2 -39.8 23.3 52.8 8.7 2.78 67.6 -66.3 -3.4 23.8 8.3 15.28 122.6 -33.7 23.1 63.5 12.9 4.17 84.8 -79.9 2.5 22.6 6.3 16.67 120.8 -20.8 28.4 70.2 17.7 4.26 85.2 -80.7 3.5 22.3 5.3 18.06 124.2 -11.6 41.2 77.6 18.7 5.56 86.4 -82.4 14.8 22.0 -4.7 19.44 134.4 -12.4 52.4 87.5 16.9 6.94 97.3 -79.6 31.8 23.4 -13.1 20.83 146.5 -5.4 57.6 89.2 17.6 8.33 121.9 -76.5 33.3 26.5 -16.4 22.22 149.2 7.8 64.2 89.1 24.2 8.70 126.9 -74.4 30.9 26.6 -17.1 23.61 151.3 23.1 73.2 96.9 31.2 9.72 130.7 -65.1 27.4 26.7 -13.4 25.00 151.8 28.2 76.0 96.2 33.8 11.11 123.2 -50.2 25.5 27.7 -2.5 26.39 153.1 31.3 76.1 97.1 33.6 12.50 119.9 -41.6 25.9 38.9 5.5 28.00 157.7 34.3 77.0 101.8 23.5

图3 C45 组混凝土 28d 内应变曲线

表6 C45 组混凝土的强度及应变测试结果

3 结论

复掺膨胀剂、减缩剂和纤维的混凝土 28d 形变量相比空白组明显减小，14d 内略有膨胀，全过程形变明显小于普通方法拌制的混凝土。膨胀剂的掺加能使混凝土 7d 内明显膨胀并达到最大膨胀量，但其引起的膨胀并未达到对强度不利的程度，且高水胶比的体系达到最大膨胀量较慢。聚乙烯纤维表面粗糙，在混凝土中充分混合后，与混凝土的界面强度较高，能在硬化混凝土中限制浆体的形变，对膨胀剂引起的膨胀有明显的限制效果，延迟减缩剂、补偿收缩的效果相对有限。减缩剂能明显减小混凝土 28d 内的收缩，并在水化早期造成一定程度的膨胀。此外，复掺膨胀剂、减缩剂和合成纤维使新拌混凝土早期强度有所提高。

综上所述，对于本文中所配制的混凝土，复掺膨胀剂、减缩剂和合成纤维可明显减小混凝土的早期收缩和最大形变，且效果明显优于单掺，对混凝土的 28d 抗压强度无不良影响。