大尺寸补偿收缩混凝土楼板的膨胀率试验研究

黄 腾 梁 睿

（烟台骅达农产品冷链物流有限公司，山东 烟台 265500)

补偿收缩混凝土在我国已有30 多年的应用，在混凝土自防水、大体积混凝土、超长楼板和混凝土抗裂抗渗方面应用已经相当成熟，对于不同区域不同气候环境下，不同膨胀剂、胶凝材料、粗细骨料对混凝土的影响千差万别，现场的实测试验和室内试验对连续式浇筑补偿收缩混凝土仍有较大的研究意义。

普通混凝土超长构件在终凝后出现干缩、温缩、徐变、塑性收缩和化学收缩，造成混凝土在收缩过程中的拉应力超过自身的抗拉强度，产生混凝土裂隙和裂缝，严重影响了构件力学特性和使用功能。在超长楼板中利用后浇带施工对裂缝现象有一定的缓解作用，但是在后浇带浇筑施工时因规范规定的不同，浇筑的时间也有所不同，一般会在同一楼层浇筑后14d或封顶28d后浇筑后浇带，严重影响施工工期和施工质量。补偿收缩混凝土可以有效避免裂缝的产生，并能大大增加膨胀加强带之间的距离；加强带也可以与膨胀加强带两侧混凝土连续施工，在浇筑连续式膨胀加强带时将混凝土强度提高一个等级，并适当增加膨胀剂的掺加量。

内养护可以提高膨胀剂的膨胀效能，进一步减小补偿收缩混凝土的塑性收缩和干缩落差，提高补偿收缩混凝土的抗裂性能[1-2]；杨辉等人对两种不同膨胀剂做试验研究，得出不同膨胀剂对混凝土早期和中期的作用时间有所不同[3]；骨料的含水率、水灰比、砂率、砂石含水量与膨胀剂掺量对补偿收缩混凝土抗折强度有着较为重要的影响[4-5]；不同种类的膨胀剂或者按照不同比例进行复配的复合膨胀剂，根据设计施工的需要可作用于不同部位构件、不同环境条件下的混凝土浇筑[6-9]。

1 工程概况

依托工程位于烟台市莱山区某大型商业项目，总占地面积约4万m2，总建筑面积约22.3万m2，标准层长度约330m、宽度约110m、总高度40m，地下车库三层，地上商业五层，基础形式为筏板基础，框架剪力墙结构。现场试验区域位于地下三层B6 试验区，如图1所示。

图1 B6现场试验区

由于本工程属于超长混凝土建筑，楼板和地下室外墙设计有膨胀加强带及补偿收缩混凝土，地下室每层膨胀加强带总长约180m，加强带宽2m。膨胀剂设计用量及设计限制膨胀率见表1。

表1 膨胀剂设计用量及设计限制膨胀率

2 UEA-D膨胀剂性能及原理

UEA-D 膨胀剂的pH 值、比表面积、初凝和终凝时间以及在养护过程中的膨胀率和抗压强度见表2。

表2 膨胀剂（UEA-D）化学成分及物理性能

2.1 UEA-D膨胀剂的物理化学性质

2.1.1 UEA-D化学成分组成

主要成分：Ca4Al6SO16（硫铝酸钙）、CaSO4；其他成分：A12O3、A12O3·2SiO2、K2SO4·A12(SO4)3·4A1(OH)3。

水泥的主要水化反应：2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

硅酸盐水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，为膨胀剂后期的反应提供了充足的反应物。

2.1.2 UEA-D化学反应

主要反应：Ca4Al6SO16+6Ca(OH)2+8CaSO4+90H20=3(3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O)

其他反应：

2.2 UEA-D膨胀剂原理

膨胀剂中的主要物质硫铝酸钙（Ca4Al6SO16）和硫酸钙（CaSO4），与水泥在水化过程中生成的氢氧化钙结合，水化生成高硫型硫铝酸钙晶体(3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O)，又称钙矾石，钙矾石是主要的膨胀源。钙矾石的生成需要水泥浆中充足的水分，同时需要一部分水分生成钙矾石的结合水，进而形成钙矾石的结晶填充在水泥石孔隙中，在混凝土凝固过程中即在塑性阶段，不会产生有效的混凝土膨胀，钙矾石在混凝土拥有一定强度时才会产生有效的膨胀。

3 室内试验

3.1 室内试验配合比设计及原材料

在室内试验中，每C30 和C35 混凝土中分别加30 kg、40kg、50kg膨胀剂，保证C30和C35混凝土中胶凝材料的总量434kg/m3和水胶比0.43 相同（C35 相比于C30混凝土增加了水泥的用量，减少了粉煤灰的用量，两种混凝土中胶凝材料总量和用水量不变）两种混凝土中膨胀剂的掺加量分别为6.9%、8.4%、10.3%。C30、C35膨胀混凝土的配合比见表3，其中砂率40%，设计塌落度150mm，砂含水率2%，石子含水率0%。

表3 C30、C35膨胀混凝土每立方掺和量/kg/m3

在水泥水化的同时膨胀剂也迅速水化生成钙矾石，与水泥有“挣水”现象，这主要是因为膨胀剂早期生成了钙矾石，加快了水化速度因而混凝土凝结时间也略有缩短。在膨胀混凝土中掺加聚羧酸减水剂，随着聚灰比的增加使混凝土中pH值上升趋势减缓，减水剂在水泥微粒的表面形成吸附作用，减缓水化反应的发生。减水剂性能指标见表4。

表4 减水剂性能指标

未加减水剂的水化反应：

加入减水剂的水化反应：

由以上化学式可以看出，在加入减水剂后的水化反应，结合水减少，水泥水化反应需水量减少，减缓了水泥与膨胀剂“挣水”的现象，但在施工中仍然要注重前期的养护，使其充分水化[10]。

3.2 室内试验步骤

试件采用标椎试件100mm×100mm×515mm（自由膨胀率试件）和150mm×150mm×150mm（抗压试件），试件制作及试验过程参照GB 50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》、GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T 23439-2017《混凝土膨胀剂》。膨胀混凝土强度达到5MPa后拆模，脱模后1h内测量试件的初始长度(L0)，并将试件放入（20±1）℃水中养护14d，14d后将试块放入室温（20±2）℃、湿度95%的恒温恒湿室内养护。室内试验测量如图2所示。

图2 室内混凝土膨胀率测量

3.3 室内试验数据及分析

3.3.1 自由膨胀率

自由膨胀在脱模后前7d 膨胀率呈增长趋势，并在第7d时达到峰值，自第7d～14d，其膨胀效果不明显；到第14d脱水养护后，转入恒温恒湿条件下膨胀率略有下降；自第28d后停止养护，转入自然环境中，膨胀率下降比较明显。

在转入常温环境后，所有试件平均收缩率基本相同，都在250个微应变左右。C35-P30试件在后期基本收缩到了初始的长度，在50d 龄期时，试件并没有出现裂纹；混凝土膨胀时产生的是“背向变形”，混凝土收缩时产生的是“相向变形”，试件在自由状态下不会受到外力的约束影响，不会改变其内外约束的受力，因此不会产生裂缝，能够充分反应膨胀混凝土的材料属性。实际施工过程中由于受到整体浇筑和模板支撑的约束，混凝土在收缩时必然产生结构内力和模板表面的摩擦阻力，当这些内力及阻力足够大时将会产生混凝土结构的裂缝[11]。

膨胀混凝土与普通混凝土的收缩原理是基本相同的，只是掺加膨胀剂的混凝土在膨胀过程中的膨胀率要高于普通混凝土，而在混凝土干燥收缩时膨胀混凝土的干缩落差更大。收缩落差与膨胀剂的掺加量无关，与水泥及粉煤灰的含量有关[12]。自由膨胀率见表5。

表5 C30、C35混凝土自由膨胀率

3.3.2 胶凝材料的影响

在混凝土水化过程中，水胶比对膨胀率的影响是比较复杂的，水胶比不仅影响混凝土的后期强度，而且还影响着前期水化过程；在水胶比较低或者较高的区间中，膨胀率是随水胶比的增加而增长的，而在特定的中间区间内是与水胶比成负相关[13]。为排除水胶比的干扰，在制备混凝土试件时，保证胶凝材料在每立方混凝土中的质量恒定不变。

在同种混凝土强度等级下，膨胀剂的增加会明显提高混凝土的自由膨胀率，如图3、图4 所示。在两种混凝土强度等级下，掺加相同质量的膨胀剂，C35 混凝土膨胀率明显低于C30混凝土膨胀率，如图5、图6、图7所示，主要原因是混凝土中水泥质量的增加和粉煤灰质量的减少。在膨胀剂掺加量不变的情况下，单方面增加水泥的掺入量，膨胀率的变化并不明显，因为在水化过程中即使水泥用量增多对膨胀剂会产生一定的“挣水”现象，但在凝固后的水养护过程中会得到一定的弥补，因此在混凝土强度等级提高的同时膨胀率减小的现象，主要是因为粉煤灰掺量的变化所引起的。粉煤灰有延缓混凝土初凝的作用，粉煤灰在胶凝材料中比例的增加使混凝土膨胀率有增大趋势；但超过一定掺加量后（粉煤灰掺量占胶凝材料总量的40%时，膨胀率数值最大），混凝土膨胀率反而出现下降趋势；随着粉煤灰掺量的增多，混凝土的强度也有所下降。因此，C35混凝土相较于C30混凝土水泥质量的增加并没有明显影响膨胀率，而是粉煤灰含量的减少使得膨胀率随之减小。

图3 C30混凝土自由膨胀率

图4 C35混凝土自由膨胀率

图5 每m3混凝土中掺加30kg膨胀剂时C30与C35混凝土的膨胀率对比

图6 每m3混凝土中掺加40 kg膨胀剂时C30与C35混凝土的膨胀率对比

图7 每m3混凝土中掺加50 kg膨胀剂时C30与C35混凝土的膨胀率对比

4 现场实测试验

4.1 混凝土在限制状态下的膨胀与收缩原理

补偿收缩混凝土均匀微膨胀，膨胀稳定后的混凝土毛细孔的孔隙率与普通混凝土基本是相同的，因此在后期干缩落差也是基本一致的，只是补偿收缩混凝土在凝结水化时的膨胀峰值要高于普通混凝土。

补偿收缩混凝土在凝固过程中，伴随着混凝土的水化和凝结不断与钢筋握裹在一起，随着膨胀剂的化学能转换成机械能，产生膨胀作用使混凝土彼此之间受到压应力，并不断地抻拉钢筋使得钢筋自身产生拉应力；在钢筋被抻拉的同时，又反作用于混凝土使得混凝土产生压应力，这就形成了补偿收缩混凝土的自应力；混凝土硬化后，毛细孔中的水分随着与外界环境的温度和湿度的差异不断流失，毛细孔中水体形成凹液面，产生了空隙壁外侧向内侧的压力，进而产生了混凝土的收缩现象，当混凝土内部的拉伸变形超过混凝土拉伸极限变形时就会产生断裂或缝隙。在收缩过程中，钢筋内的拉应力会加速这一收缩现象的发展，由于膨胀剂的作用混凝土在初始得到了充足的膨胀发展，即使在收缩落差与普通混凝土相同的条件下，依然能够抵消混凝土干缩所产生的拉应变，防止裂缝的产生；在膨胀剂掺量较小时，干缩后混凝土会收缩到接近初始长度或者低于初始长度的状态，此时钢筋处于受压状态并阻碍其收缩，在一定程度上也减缓了干缩的发展；在膨胀剂掺加量比较大的情况下，随着龄期的延长收缩现象处于稳定，钢筋依然处于受拉状态，混凝土中将残留压应力，这就形成了自应力混凝土。

4.2 现场实测试验做法及数据采集

首先在实验室内将试验应变计组装完整调试良好，接出数据线，测试通路，新型应变测试仪如图8 所示；然后在现场施工进行到钢筋绑扎阶段时，在浇筑混凝土前3h 内进入现场布置试验应变计，避免过早布置被其他流水作业破坏或扰动；梁中布置时，将试验应变计水平固定放置在梁的中线位置；在板中布置时，将试验应变计水平布置在板厚中间位置；数据线引出混凝土地面后固定牢固，数据线末端的数据接口保护良好，测量实验应变计的初始数据，并记录测量时的环境温度。

图8 膨胀混凝土应变测试仪

混凝土终凝后12h 内测量第1d 数据作为初始长度，前7d每日固定时间测量一次，第8～15d隔一天测量一次，15d 后每5d 测量一次；每次测量时，记录下当时的环境温度；测量时使用万用表读取电阻值，并将电阻值转换成应变值后储存列表。

4.3 梁板部试验数据分析

B6 区域为当前层首先浇筑的区块，四周均未浇筑并留设施工缝，此区域无其他水平作用力（四周为未浇筑区域），试验点分别布置在区域的中间和边缘处。

B6试验区域：3号与4号试验应变计设置在梁中，2号和5 号设置在板中，4 号和2 号在边缘位置，3 号和5号在中间位置。测量数据显示，在梁内的测量数据中，4号膨胀率略高于3号，即边缘位置的膨胀率高于中间位置，这种现象在板中也同样出现（3号膨胀率也高于5号）。分析原因是因为在边缘处混凝土的膨胀主要受钢筋的约束和底部模板对膨胀过程的约束，受膨胀过程中混凝土相互挤压较小；而越是靠近中间位置的混凝土，受到四周混凝土膨胀引起的压应力越强，在一定程度上阻碍了膨胀混凝土在水平方向上向四周的发展。

在梁部试件与板部试件对比的过程中（4号与2号相比、3号与5号相比，即梁部边缘与板部边缘、梁部中间与板部中间对比），梁部膨胀率高于板部，试验应变计均水平放置在构件的中部，构件中部混凝土受钢筋的约束较小，梁的混凝土体量大于板，大体量的混凝土膨胀应要高于小体量混凝土，因而导致了高配筋率梁的膨胀率高于低配筋率板的膨胀率。试验结果说明，布置在构件中的位置（钢筋稀疏部位或远离钢筋密集部位）及构件体量的大小对膨胀率的影响是主要的，而配筋率的影响是次要的，是由于混凝土凝固过程中对钢筋的握裹作用随着距离钢筋的增加而减小，梁中部位置的混凝土没有起到握裹钢筋的作用，所以钢筋对混凝土涨缩的约束也会大大减小；至于配筋对混凝土的影响要根据构件类型加以区分，在相同建筑构件中配筋率的提高对混凝土的膨胀起到约束作用，配筋率高的部位在膨胀过程中膨胀率要低于配筋率低的部位；而在不同构件中，只考虑配筋率的高低来判定膨胀率的大小是片面的。关于构件截面尺寸、体量、配筋率及钢筋布置对膨胀率的影响仍需深入研究，需要大量的室内及现场实测试验作为支持。B6区域的现场膨胀率试验曲线如图9所示。

图9 B6试验区域梁板内中间及边缘位置膨胀率变化示意图

5 结语

（1）补偿收缩混凝土中水泥用量对膨胀率的影响并不明显，粉煤灰的增加对膨胀现象有正相关作用；在现场测试中，同种补偿收缩混凝土因构件类型的不同膨胀率也不同，测试过程中发现梁的膨胀率高于板的，构件边缘膨胀率高于中间位置的。

（2）在收缩过程中，补偿收缩混凝土的收缩差值要低于自由状态下的收缩落差，说明钢筋在膨胀和收缩过程中都有较强的约束力；而在自由状态下同等水胶比的不同强度等级混凝土，得到的膨胀率不同，但收缩落差相同。

（3）在现场测试的试验中，无法做到恒温恒湿的试验环境，不确定因素较多；在不同的施工地域与季节环境影响较大，施工养护的条件也有所差异，包括不同地区的骨料和胶凝材料的不同，都影响着测量的偏差，应当对不同区域不同的施工环境进行分类研究，完善地区性差异及材料对膨胀剂的施工影响。