[摘要] 通过研究膨胀剂对50～100MPa高性能混凝土的强度、胀缩、抗裂等性能的影响, 来探讨膨胀剂对高性能混凝土的补偿收缩作用, 并介绍高强高性能混凝土在工程中的应用。
[关键词] 膨胀剂高性能混凝土补偿收缩抗裂
[中图分类号] TU528.55 [文献标示码] A [文章编号] 2007- 02- 0008- 05
1 前言
高性能混凝土可能比普通混凝土更容易开裂。高性能混凝土与普通混凝土相比较, 高性能混凝土的化学收缩和干燥收缩小些, 塑性收缩大些, 而温度收缩和自收缩更大些。其中自生收缩是高性能混凝土结构裂缝控制的突出问题。国内外研究表明,膨胀剂对高性能混凝土自生收缩有补偿作用。
吴中伟院士早在1994年发表的“补偿收缩混凝土的新动向”一文中就指出: 无论从密实性、体积稳定性以及减免裂缝中的哪一项功能来看, 掺人适量膨胀剂对HPC肯定是有利的。混凝土内部微裂缝及可见裂缝, 对安全使用期是有害的。因此, 随着高性能混凝土的广泛应用, 补偿收缩混凝土将在高性能混凝土领域中发挥了好的作用。吴中伟院士在1998年针对混凝土膨胀剂方面发表的“重视质量、积极创新”中再次强调: 将膨胀剂掺入HPC是必然的趋势。日本建设省制定NewRC高性能混凝土制造指南中, 把钙矾石膨胀剂列入特种掺和料中。指出: 作为研究对象的混合材, 采用硅灰、粉煤灰、高炉矿渣微粉、钙矾石系等特种混合材。钙矾石系混合材, 通常和高效减水剂一起使用, 使硬化体中的孔隙率减小, 并转化为小的细孔, 通过使组织致密来实现混凝土高强化的可能性是明显的。
膨胀剂加入混凝土中, 在水泥凝结硬化过程中能产生体积增大的水化产物, 从而表现出膨胀性能。在限制条件下, 混凝土中能建立一定的预应力, 改善混凝土内部的应力状态, 提高混凝土的抗裂能力; 另一方面, 水化生成的钙矾石晶体能填充、堵塞混凝土的毛细孔, 改变混凝土中孔结构和孔级配, 使有害孔减少, 无害孔增多, 总孔隙率还有所降低, 使混凝土的密实度提高, 从而提高了混凝土的耐久性。所以,补偿收缩混凝土也应属于高性能混凝土范畴。
膨胀剂和粉煤灰等矿物掺和料复合, 再加上缓凝型外加剂, 可以降低混凝土水化热引起的温度梯度,可以协调温度应力与混凝土的初期结构强度, 从而减少和防止温度裂缝的出现, 提高混凝土的体积稳定性, 因此, 在实际工程中得到了广泛的应用。同时, 粉煤灰、高炉矿渣等工业废料的高附加值利用也将对保护环境和建材业的可持续发展具有重要意义。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
水泥为42.5级的普通硅酸盐水泥; 粉煤灰(FA)为Ⅱ级灰, 需水量比为97%, 主要化学成分和物理性能见表1; 磨细矿渣微粉(BSF), 其主要化学成分和物理性能见表1; 胶砂试验用标准砂, 混凝土试验用河砂, 细度模数为2.88, 表观密度为2670kg/m3; 堆积密度为1400kg/m3; 石子为5～25mm碎石, 压碎指标值为12.0%,表观密度为2710kg/m3, 堆积密度为1380kg/m3。膨胀剂为一种低碱膨胀剂(PNC), 符合JC476-2001, 其主要特点是膨胀效能高, 掺8%的混凝土限制膨胀率在0.04%左右, 配制补偿收缩混凝土可在混凝土中建立0.2～0.7MPa的自应力值; 碱含量低,仅为0.2%左右, 远低于JC476 - 2001 中的限制0.75%; 不影响混凝土的坍落度及其损失; 对混凝土凝结时间稍有推迟; 强度性能好, 可等量替换水泥不降低混凝土强度, 后期强度稳定增长; 耐久性好等。另外采用一种缓凝泵送剂(FNC)。
2.2 试验方法
主要依据下列标准规范试验: 混凝土膨胀剂
JC476 - 2001; 混凝土外加剂应用技术规范
GB50119- 2003; 普通混凝土拌和物性能试验方法
GB/T50080- 2002; 普通混凝土力学性能试验方法
GB/T50081- 2002; 普通混凝土长期性能试验方法
GBJ82- 85; 水泥水化热试验方法GB2022。
抗裂性试验是采用中间有刚性约束的胶砂圆环抗裂试验, 圆环试模的内模是直径为155mm的钢芯, 外模内径205mm, 中间浇筑砂浆, 其厚度为25mm, 高30mm。
膨胀剂、粉煤灰及矿渣微粉在所有试验中都采用内掺法, 按等量替代水泥率来计算。砂浆配合比选择应尽可能接近高强混凝土,因此, 砂子为制备混凝土用的中砂, 配比为: 胶凝材料(B)∶砂(S)∶水(W)=1∶1.2∶0.31。在(20±3)℃, 相对湿度为(60±5)%的实验室内成型, 1d后拆模, 强度试件放入标养室养护, 抗裂试件不湿养而直接放入干缩室观察开裂情况。
3 结果与讨论
3.1 力学性能
3.1.1 砂浆强度
表2是参照了JC476- 2001的试验结果。试验结果显示: 掺8%PNC胶砂的强度和空白的差不多; 而同时掺加8%PNC和20%FA的胶砂强度降低。
表3显示: 在低水胶比的情况下, 掺8%PNC的砂浆具有较高的强度, 尤其是抗折强度; 在不掺缓凝型外加剂的情况下, 同时掺加8%PNC和35%BSF的砂浆具
注: 砂子为河砂, 制备混凝土用砂, 掺1.6%FNC。
有较高的早期强度和后期强度; 只要解决好强度发展规律, 养护好, 就能很容易配制出高强高性能混凝土。
3.1.2 混凝土强度
由表4可见, 粉煤灰等量替换水泥率在10%～30%, 随着粉煤灰用量的增多, 混凝土的早期强度及28d强度逐渐降低, 后期强度增长较大, 180d强度就非常接近了, 编号9为C50自密实混凝土, 180d强度达到81.8MPa。在BSF等量取代35%水泥的基础上, 再用PNC取代8%水泥, PNC和BSF复合掺加具有更高的强度, 较BSF单独掺加大约要提高一个强度等级, 可见用比表面积为450m2/kg的BSF和PNC复合使用, 就可以配制出高流态的C70高性能混凝土。对于配制100MPa的高性能混凝土, 适当掺加PNC也有利于混凝土强度的发展, 后期强度持续增长, 180d强度较28d的提高10%左右。
PNC膨胀剂掺入混凝土中, 早期能提高液相的碱度, 使生成的钙矾石晶体较细小, 同时有凝胶状的水化产物生成, 这些水化产物能填充、堵塞混凝土的毛细孔, 改变混凝土的孔结构和孔级配, 使有害孔减少, 无害孔增多, 总孔隙率还有所下降, 使混凝土的密实度提高。利用迭加效应将膨胀剂和粉煤灰等矿物掺和料复合, 再加入缓凝型外加剂,PNC可进一步激发矿物掺合料的火山灰反应, 调整混凝土的初期结构强度, 使混凝土的强度发展具有非常合理的规律, 综合改善混凝土的性能。
3.2 膨胀性能
3.2.1 胶砂胀缩性能
表2是参照JC476- 2001的试验结果。同时掺加8%PNC和20%FA的膨胀性能也符合标准要求, 但较单掺8%PNC的膨胀率要低。
3.2.2 混凝土胀缩性能
表5是按GB50119中规定的方法试验的结果,在掺相同PNC膨胀剂的情况下, 掺加10%- 30%FA的混凝土膨胀率都大于0.015%, 满足补偿收缩混凝土的要求。还可以看出, 随着FA的掺量的增加,混凝土的限制膨胀率逐渐降低, 但在干空气中收
缩也逐渐减小, 即收缩落差也逐渐减小。
3.2.3 混凝土干缩
表6是按普通混凝土长期性能试验方法GBJ82测试的混凝土干缩。可见, 编号9的混凝土强度低些,表现干缩也小, 180d只有0.0383%。100MPa的高性能混凝土, 掺加PNC的混凝土3d干缩稍有降低, 后期和不掺的差不多, 180d的干缩都没有超过0.05%。
3.3 水化热
按照水泥水化热试验方法试验, 结果见图1。和空白的相比, 只掺加8%PNC, 水化热峰出现的时间推迟1.5h, 水化热1d降低11%, 3d降低8%, 总水化热降低9%; 掺加8%PNC和20%FA, 水化热峰出现的时间推迟3.5h, 水化热1d降低26%, 3d降低18%, 总水化热降低15%; 同时掺加8%PNC、20%FA和1.2%FNC, 水化热峰出现的时间推迟26h, 水化热1d降低73%, 3d降低23%, 总水化热降低23%。
同时掺加膨胀剂和粉煤灰, 可充分利用“迭加效应”, 可大幅度降低水化热; 当再添加缓凝减水剂时, 水化热降低的幅度更大, 这样就较易控制混凝土内部温升, 控制混凝土内外温差, 此时膨胀剂的膨胀作用可补偿混凝土的后期冷缩和干缩, 降低温度拉应力, 达到防止混凝土开裂的目的。
3.4 抗裂性能
砂浆抗裂性试验结果见表3。结果显示高强度
的砂浆出现裂缝的时间较早, 空白的在5d就出现裂缝, 同时掺PNC和BSF的在第6d就出现裂缝, 掺PNC剂的也在第9d就出现裂缝。这可能是由于一方面早期强度发展太快, 另一方面早期没有湿养, 养护条件太差, 这充分表明高强混凝土的早期强度发展快, 更要注意早期养护。
抗压强度与抗折强度之比反映了材料的脆性,由试验结果可知7d龄期砂浆的抗压强度与抗折强度之比, 空白的为6.79, 掺PNC的为6.35, 同时掺PNC和FA的为6.11, 同时掺PNC和BSF的为7.67, 大体上可反映裂缝发展趋势, 但同时掺PNC和BSF, 虽然7d的较高, 但3d的较空白的要低(6.20/6.49=95.6%)。
在混凝土中加入膨胀剂, 会产生体积增大的水化产物而表现出膨胀性能, 推迟了混凝土收缩的产生过程, 使混凝土的抗拉强度在此期间内获得大幅度增长, 这样可抵消收缩应力, 防止或减少收缩裂缝的出现。
4 工程应用
我院自1994年就开始研究利用掺加优质粉煤灰和膨胀剂配制高性能补偿收缩混凝土, 在大量重点工程中得到广泛的应用, 并取得了良好的技术经济效果。表7列举了PNC混凝土膨胀剂配制的60MPa以上的高性能混凝土在部分工程的实测性能。
(1)海辰苑是一高层商住楼, 地下室筏板基础,面积为5500m2, 厚2m, 属于超长超厚大体积混凝土结构, 混凝土强度等级为C50, 抗渗等级为P8, 局部P12, 全部采用商品混凝土泵送施工。需要解决的技术问题包括如何解决抗裂抗渗; 如何降低水化热; 如何解决超长超厚混凝土结构的开裂等, 经过大量的试验研究选用表7中编号1的配合比, 工程质量很好。
(2)某水泥制管公司预制强度为C65的高性能混凝土管, 表7中编号10、11就是配合比设计研究过
程中选择的配比, 养护制度: (20±2)℃静停2h, 升温≤22℃/h, 恒温(52±2)℃5h, 降温2h预制的混凝土制品质量很好, 强度都达到110%以上。
(3)银河大厦地上38层, 12层以下为C60混凝土,顶板结构的平面尺寸为91m×84m, 属于超长混凝土结构, 需考虑混凝土的补偿收缩, 施工时间为济南市最热的9月份, 技术难点: C60高强度混凝土的施工、超长结构的抗裂、炎热夏天施工的坍落度损失问题。
配合比见表7中编号12。实际施工现场取样, 混凝土28d抗压强度为68.3～72.3MPa, 混凝土14d限制膨胀率为0.0195%, 工程质量优良, 达到了预期的效果。
5 结语
PNC混凝土膨胀剂具有良好的技术性能, 用42.5级普通硅酸盐水泥, 只掺加PNC剂而不掺其他矿物掺和料就能够配制C60～C70高强高性能混凝土; 同时掺PNC+FA+BSF等矿物掺和料可配制50～100MPa的高性能混凝土。
配制高强高性能混凝土, 掺加混凝土膨胀剂可起到补偿收缩的作用。圆环试验表明, PNC混凝土膨胀剂能够推迟混凝土裂缝出现的时间, 尤其是同时掺加混凝土膨胀剂和优质粉煤灰, 可使裂缝出现的时间大大延长, 明显地降低了混凝土收缩开裂的趋势。
利用迭加效应将膨胀剂和粉煤灰等矿物掺和料复合, 再加入缓凝型外加剂, PNC可进一步激发矿物掺和料的火山灰反应, 可以协调混凝土的初期结构强度, 使混凝土的强度发展具有非常合理的规律, 同时可以避免或减少混凝土的裂缝, 综合改善混凝土的性能。
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