膨胀剂对大体积混凝土性能的影响研究

杨磊 张威 何咏嘉

摘 要：研究膨胀剂对大体积混凝土性能的影响。利用水泥、粉煤灰、不同类别的膨胀剂等材料，依照设定的配比要求制备大体积混凝土试件。在工程温度与标准温度2种氧化条件下，依照相应的方法进行长度变形、收缩应变、抗压强度等检测。结果显示：不同种类膨胀剂造成混凝土试件产生倒缩现象的时间具有显著差异，氧化钙类膨胀剂的时间更短；膨胀剂在不同水泥中产生的变形程度具有一定差异性；钙类膨胀剂能够有效抑制混凝土试件的收缩开裂问题，且添加量越高，开裂问题控制得越好；添加膨胀剂的混凝土试件抗压强度呈现不同程度的下降趋势；混凝土的收缩应变与膨胀剂和氧化时间均具有一定相关性。

关键词：膨胀剂；大体积混凝土；长度变形；倒缩现象；收缩开裂

中图分类号：TU377

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0075-04

Study on the influence of expansive agent on the performance of mass concrete

YANG Lei，ZHANG Wei，HE Yongjia

（The First Company of China Eighth Engineering Bureau Ltd.，Jinan 214000，China）

Abstract：

In order to further analyze the restraining effect of expansive agent on concrete cracking and ensure the quality of concrete engineering，The influence of expansive agent on the performance of mass concrete was studied.Mass concrete specimens were prepared by using cement，fly ash，different kinds of expansive agents and other materials according to the set proportion requirements.Under the two oxidation conditions of Engineering temperature and standard temperature，the length deformation，shrinkage strain and compressive strength were tested according to the corresponding methods.The results showed that the time of concrete specimen shrinkage caused by different kinds of expansive agents was significantly different，and the time of calcium oxide expansive agents was shorter; The deformation degree of expansive agent in different cements was different;The expansion agent could effectively restrain the shrinkage cracking of concrete specimens，and the higher the amount of expansion agent，the better the control of cracking; The compressive strength of concrete specimens with expansive agent decreased in varying degrees; The shrinkage strain of concrete had a certain correlation with the expansion agent and oxidation time.

Key words：expansion agent;mass concrete;length deformation;backward shrinkage;shrinkage cracking

當前建筑多采用大体积混凝土进行建造［1］，这一过程中水泥产生的热能令混凝土内部温度大幅提升［2］。这些热能无法在短时间内消散，导致混凝土形成温度收缩应力［3］，集合各类收缩导致大体积混凝土内形成显著收缩拉应力；若其值高于混凝土的抗拉强度［4］，将导致混凝土产生开裂问题［5］，影响建筑质量。

实际工程建设中普遍通过添加膨胀剂抑制大体积混凝土的开裂问题［6］，由此确保建筑工程的质量。但在膨胀剂的实际应用过程中，也有一定概率产生混凝土开裂，而未添加膨胀剂的混凝土工程也不一定产生开裂问题。由此对膨胀剂应用于大体积混凝土中抑制开裂的问题存在多种说法［7-8］，并不统一。针对这一现象，研究膨胀剂对大体积混凝土性能的影响，分析不同条件下，膨胀剂对于混凝土性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验研究所用材料

膨胀剂对大体积混凝土性能的影响研究过程中所使用的材料如表1所示。

1.2 大体积混凝土制备

试验过程中需利用表1内各种材料制备大体积混凝土，其配比如表2所示。基于表2中的各项材料的配比结果，制备大体积混凝土试件。

1.3 试验方法及养护条件

采用尺寸为10 cm的立方体试模，依照国家相关标准中关于混凝土试验的方法进行养护［9］。混凝土变形检测过程中设定试件大小为20 cm长，50 cm宽。在完成混凝土试件养护后，依照检测时间的设定确定试件的电阻与电阻比［10］，并将检测结果换算为混凝土试件的自生体积变形程度［11-12］。试验过程中的养护条件分为2种：工程温度条件下的养护与标准温度条件下的养护。

（1）工程温度条件。工程温度条件下的养护即依照区域内大体积混凝土重度温度的波动情况设定养护温度［13］。将用于确定膨胀情况的混凝土试件成型后带模放入空气养护箱内进行养护处理，设定温度、湿度与时间分别为40 ℃、95%左右和1 d。取出试件拆除模具，室温环境下冷却1 h，检测初始长度［14］。检测完成后将混凝土试件置于水域养护箱内实施水养，初始温度为42 ℃。养护15 d后取出混凝土试件，再将其放入空气养护箱内，设定温度、湿度与时间分别为18 ℃、70%左右和15 d。养护期间，在6、12、18、24和30 d进行长度变形与收缩应变、抗压强度、应力-应变；

（2）标准温度条件。标准温度条件下的养护即混凝土试件的养护温度始终维持在18 ℃，具体养护过程同工程温度条件下的养护过程一致。

2 实验结果与分析

2.1 不同类别膨胀剂对混凝土变形的影响

在标准温度条件下，添加了氧化钙类膨胀剂与硫铝酸钙类膨胀剂后，混凝土试件的变形情况如图1所示，其中膨胀剂的使用量为20 kg/m3。

由图1可以看出，2种不同类型的膨胀剂添加入混凝土试件后，初始阶段导致较为显著的混凝土试件变形；在2 d内，变形程度大体达到上限；随着养护时间的延长，混凝土试件的变量幅度开始下降。当养护时间达到一定天数后，混凝土试件的变形从膨胀转换成收缩，同时释放一定热量，结合混凝土试件中水泥材料的水化热反应，混凝土试件的温度呈一定程度的提升趋势，膨胀量显著提升，随之混凝土试件的膨胀压力也显著提升。在养护的后期，受混凝土试件的温度收缩与膨胀剂收缩等因素影响，混凝土试件呈现相应的收缩状态，有一定概率形成裂缝，为混凝土试件结构产生不良影响。同时2种不同类别的膨胀剂产生倒缩的时间具有显著差异，氧化钙类在第5 d出现倒缩，硫铝酸钙类在第9 d出现倒缩。

2.2 膨胀剂在不同水泥中的反应

对比在标准温度条件下，氧化钙类膨胀剂在单纯水泥与水泥和粉煤灰结合体中的膨胀变形情况，结果如图2所示，其中膨胀剂使用量为20 kg/m3。

从图2可以看出，氧化钙类膨胀剂在单纯水泥与水泥和粉煤灰结合体中产生的变形幅度具有显著差异，这种差异约为1倍。而结合当前水泥生产的普遍性，以及水泥配比的多样性，说明膨胀剂在不同水泥中产生的变形程度也具有一定差异性。

2.3 不同含量氧化钙类膨胀剂对混凝土性能影响

图3所示为在标准温度条件下，不同含量氧化钙类膨胀剂对混凝土性能的影响。

从图3可以看出，添加15、20和25 kg/m3氧化钙类

膨胀剂的混凝土试件相较于无氧化钙类膨胀剂的混凝土试件，在本质上的區别为未形成收缩。这表明添加氧化钙类膨胀剂后，能够有效抑制混凝土试件的收缩开裂问题，且添加量越高，开裂问题控制得越好。

2.4 混凝土养护条件下的电镜结果

图4所示为在标准温度条件下，氧化钙类膨胀剂混凝土试件养护条件下的电镜扫描结果。

从图4可以看出，氧化钙类膨胀剂在养护15、30 d后，氧化钙类膨胀剂氧化产物大体上达到稳定状态，晶粒尺寸波动并不显著，由此抑制了膨胀剂过度膨胀导致混凝土试件开裂的问题。但分析氧化钙类膨胀剂的氧化产物与聚集状态能够得到，氧化产物有高度聚集性，有较大概率导致局部集中问题，令混凝土试件局部形成显著应力，即出现局部裂纹。

2.5 不同养护条件下膨胀剂对混凝土力学性能的影响

表3所示为不同养护条件下添加膨胀剂的大体积混凝土力学性能测试结果。

由表3可知，（1）在任意养护条件下，添加了2种不同种类膨胀剂的混凝土试件同未添加膨胀剂的混凝土相比，抗压强度呈现不同程度地下降趋势；（2）在所添加膨胀剂种类与质量一致的条件下，在工程温度条件下进行养护处理的混凝土试件同标准温度养护条件下的混凝土试件的抗压强度相比更高，产生这种现象的主要原因是工程温度高于标准温度，由此导致混凝土试件中水泥的水化反应效率显著提升，所以在工程温度养护条件下的混凝土试件抗压强度提升效率也更快。

2.6 膨胀剂对混凝土收缩应变的影响

在养护条件一致的情况下，对比氧化钙类膨胀剂不同添加量条件下，混凝土试件的收缩应变变化情况，所得结果如图5所示。

从图5可以看出，在氧化钙类膨胀剂添加量达到25 kg/m3的条件下，混凝土试件的收缩应变同未添加氧化钙类膨胀剂时相比显著下降；添加氧化钙类膨胀剂的混凝土试件收缩应变在12 d前波动程度也有所减低，这对于混凝土试件的开裂问题产生直接影响。养护时间达到30 d后，添加氧化钙类膨胀剂的混凝土试件收缩应变与未添加氧化钙类膨胀剂时相比降低约40%，同时混凝土是否添加氧化钙类膨胀剂条件下的收缩应变同其养护时间也存在相关性。

2.7 膨胀剂对混凝土应力-应变的影响

图6所示为标准温度条件下，不同氧化钙类膨胀剂添加量对混凝土试件的应力—应变变化的影响情况。

从图6可以看出，随着氧化钙类膨胀剂添加量的提升，各混凝土试件的应力-应变曲线具有显著波动性。当氧化钙类膨胀剂添加量为0 kg/m3时，混凝土试件的应力-应变曲线在破坏前后表现出明显的线性相关性，提升与下降趋势均较为显著；在应变为0.07%的条件下，混凝土试件产生开裂问题。当氧化钙类膨胀剂添加量为25 kg/m3时，混凝土试件的应力-应变曲线表现出非线性相关性特征，提升与下降趋势并不显著；在应变为0.14%的条件下，混凝土试件产生开裂问题。上述结果说明通过添加膨胀剂能够改善混凝土开裂变形问题。

3 结语

本文研究膨胀剂对大体积混凝土性能的影响，通过制备混凝土试件与试验过程，得到以下结论：

（1）膨胀剂在不同水泥中产生的变形程度具有一定差异性；

（2）添加膨胀剂后，能够有效抑制混凝土试件的收缩开裂问题，且添加量越高，开裂问题控制得越好；

（3）工程温度养护条件下的混凝土试件抗压强度提升效率高于标准养护温度。

【参考文献】

［1］ 胡元元，姚亮，马慧，等.硫铝酸盐水泥和膨胀剂对3D打印混凝土性能影响试验研究［J］.新型建筑材料，2022，49（1）：45-48.

［2］ 王新刚，樊士广.HCSA膨胀剂在大体积混凝土裂缝控制中的应用研究［J］.四川建筑科学研究，2022，48（1）：80-84.

［3］ 邓宗才，赵连志，连怡红.膨胀剂、减缩剂对超高性能混凝土圆环约束收缩性能的影响［J］.材料导报，2021，35（12）：12070-12074.

［4］ 彭程康琰，耿春东，刘勇强，等.膨胀剂及陶砂對UHPC抗冲磨性能和体积稳定性的影响［J］.硅酸盐通报，2020，39（4）：1 132-1 138.

［5］ 刘子源，毕万利，关岩，等.焙烧菱镁尾矿制MgO膨胀剂对水泥砂浆膨胀性能的影响［J］.建筑材料学报，2021，24（3）：466-472.

［6］ 明阳，李顺凯，吴小斌，等.索塔钢混结合段用大体积超高性能混凝土配制及应用研究［J］.新型建筑材料，2019，46（6）：1-4.

［7］ 龚建清，罗鸿魁，张阳，等.减缩剂和HCSA膨胀剂对UHPC力学性能和收缩性能的影响［J］.材料导报，2021，35（8）：8042-8048.

［8］ 李从号，刘拼，纪宪坤，等.MgO膨胀剂在沿海地下工程混凝土裂缝控制中的应用研究［J］.新型建筑材料，2020，47（3）：142-146.

［9］ 刘家彬，张明亮，秦鸿根.轻砂内养护剂的协同膨胀效应对微膨胀混凝土变形性能的影响［J］.湖南大学学报：自然科学版，2022，49（3）：196-202.

［10］ 郭进军，张世伟，程林.养护条件和膨胀剂掺入方式对混凝土抗裂性能影响试验研究［J］.水利水电技术，2020，51（6）：172-178.

［11］ 赵泽锦，肖家发，周斌，等.膨胀剂对面板坝混凝土减缩抗裂性能的影响［J］.水电能源科学，2022，40（2）：101-104.

［12］ 孔维浩，杨龙，姚直书，等.冻结井壁纤维混杂与微膨胀高性能混凝土配制与抗裂试验［J］.煤矿安全，2020，51（3）：69-74.

［13］ 崔天龙，王里，马国伟，等.HB-CSA与膨胀剂对3D打印混凝土收缩开裂性能的影响［J］.材料导报，2022，36（2）：80-86.

［14］ 李逸翔.膨胀剂对约束条件下UHPC早期抗裂性能影响的试验研究［J］.结构工程师，2020，36（1）：136-141.