不同膨胀源的膨胀发展历程及其在大体积混凝土中的应用

秦哲焕，刘 敏,孔庆勋,纪宪坤，朱国军

(1.武汉三源特种建材有限责任公司，武汉 430083；2.中国核电工程有限公司，北京 100000)

收缩是混凝土材料本身的特性，80%的混凝土结构裂缝都是由收缩变形造成的[1]。为了减少或者消除混凝土的收缩变形，降低混凝土的开裂风险，补偿收缩混凝土应运而生[2,3]。混凝土膨胀剂是补偿收缩混凝土的关键材料。我国从20世纪70年代就开始了对膨胀剂的研究，经过多年的努力，研制出了各种类别及型号的膨胀剂。根据膨胀源的不同，可分为钙类膨胀源、镁类膨胀源以及钙镁复合型膨胀源[4,5]。

各种类型的膨胀剂已经广泛应用于混凝土施工中，也取得了较为理想的效果。结合已有研究基础，测试了三组不同膨胀源在不同养护制度下的膨胀发展规律，并浇筑足尺模型，研究不同类型膨胀源在实体结构混凝土中的应用效果，这对工程应用中膨胀剂的选择具有一定的指导意义。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

膨胀剂选用武汉三源特种建材有限公司生产的M型(120 s)MgO膨胀剂(S-M)和氧化钙类膨胀剂(S-C)，两种膨胀剂的化学分析见表1，钙镁复合类使用氧化钙类与氧化镁类1∶1复配得到(S-CM)；水泥采用华新生产的PO42.5水泥，其主要性能指标见表2；粉煤灰为F类Ⅰ级灰，细度为3.4%；矿粉为S95级，密度为2.91 g/cm3；粗骨料为5～25 mm连续级配碎石；细骨料为2区中砂，细度模数2.6；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率21%；水为普通自来水。

表1 膨胀剂化学分析 /%

1.2 配合比

混凝土配合比采用某工程项目用配合比，具体见表3。膨胀剂掺量为胶凝材料总量的8%，替换部分水泥和粉煤灰，减水剂掺量根据各组混凝土的工作状态调节，以坍落度(180±20)mm为控制指标。胶砂配合比采用表3中的胶凝材料体系，即PO 42.5水泥(69.7%)、粉煤灰(20.2%)、矿粉(10.1%)，详细配合比见表4。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

表4 胶砂试验配合比 /g

2 结果与分析

2.1 温度对膨胀性能的影响

分别以三种不同类型膨胀剂成型胶砂试件，并与基准组对照，研究其在不同水养(SY)养护温度(20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃)下的限制膨胀率发展情况。限制膨胀率采用《混凝土膨胀剂》GB/T 23439中附录A进行，拆模强度为8～12 MPa。高温水养条件提前6 h放入标养室降温，测量完后重新放入相应条件下养护。图1～图4是不同温度下胶砂限制膨胀率的发展历程。

结合图1～图4可以看出，随着养护温度的升高，三种膨胀剂的早期水化速率均得到不同程度的提高。氧化钙组在20 ℃下7 d已趋于稳定，40 ℃下5 d趋于稳定，60 ℃及以上温度条件下在2 d左右趋于稳定。氧化钙的水化速率随温度提高，但膨胀总量随着温度的升高有下降的趋势。根据膨胀理论[6，7]，只有试件的膨胀与强度协调发展，才能产生最大的膨胀率，高温虽然能提升胶凝材料的水化速率，但温度过高会使试件过早的获得较高的强度，使浆体内部约束大，从而导致膨胀率低。氧化镁对温度的敏感性更高，20 ℃时其28 d产生的膨胀率在三种膨胀剂中最小，但随着温度升高，其早期水化速率逐步接近氧化钙类膨胀剂，在80 ℃条件下，14 d膨胀量趋于稳定。钙镁复合型在各龄期产生的膨胀率处于钙类与镁类之间。

膨胀剂的膨胀机理是水化反应致使固相体积增大，限制膨胀率趋于稳定值说明其基本反应完全。由此可知，氧化钙在常温下就具有较高的活性，其提供的膨胀能集中在早期；氧化镁具有延迟水化的特性，低温时反应速率慢，且28 d水化程度低，温度达40 ℃以上时，才能有效激发氧化镁的活性，产生充足膨胀能。以不同膨胀源的膨胀发展历程为参考，补偿收缩混凝土在应用时，可根据不同的工况进行复合型调控，使“有效膨胀窗口”与混凝土自身的收缩相匹配[8]，防止混凝土开裂。

2.2 湿度对膨胀性能的影响

选择三种膨胀源，研究其在标准养护(BY)、绝湿养护(JS，先采用薄膜包裹两层，再用锡箔纸粘贴覆盖)、水养7 d转干空(SG)、干燥养护(GZ)条件下胶砂的限制膨胀率发展规律，见图5～图8。从图中可以看出，标准养护与20 ℃水养各组膨胀发展规律一样，但在同龄期内，相同膨胀剂的标养试件产生的膨胀量比水养条件下小，说明水分越富足的养护条件对膨胀剂的补偿收缩效果越好。绝湿养护中，试件与外界没有水分的交换。水化早期，膨胀剂产生了一定的膨胀能，相比标养和水养，产生的膨胀能较低，且试件随着龄期的增长会产生收缩，氧化钙组在3 d后呈收缩趋势，氧化镁组在14 d后开始收缩，钙镁复合组在7 d后收缩。试件中的水泥会水化而产生强度，膨胀剂也需要水而起到补偿收缩作用，胶砂试件自身含有的自由水有限，两者对水分的争夺导致试件早期膨胀量小，后期缺水干缩。在干燥空气中，各组均会发生不同程度的收缩，且收缩呈现先迅速后平缓的趋势，外部的水分蒸发，内部的水分向外迁移，试件内部的缺水，会造成由表及里的收缩，增加了干缩变形产生的开裂风险。

2.3 足尺模型应用

按表3中的配合比分别成型边长为3 000 mm和1 500 mm的立方体混凝土试块，于夏季高温季节成型，浇筑前将振弦式应变计提前埋入混凝土中心位置，通过MCU-32型应变自动监测仪采集混凝土中心位置的应变。

1)应变

模型的应变数据结果见图9和图10。从图9、图10中可以看出，基准组在早期快速收缩，后期趋于稳定，掺有膨胀剂的各组呈现先膨胀后收缩的规律。1 500 mm尺寸结构中，60 d时，应变由大到小依次为S-M>S-CM>S-C，S-C呈略微收缩状态；3 000 mm尺寸结构中，只有S-M和S-CM的补偿收缩作用较为理想，S-C在早期就持续为收缩状态，80 d时微应变约为-100，S-M在早期应变虽产生一定程度的降低，2 d之后的阶段，应变就趋于稳定，80 d时微应变仍可保持在42左右。

膨胀剂在混凝土中的膨胀可以分为无效膨胀和有效膨胀，混凝土的塑性阶段是强度生成的过程，这个时期膨胀剂产生的膨胀能并不能够得到有效储存[8，9]。氧化钙类膨胀剂自身活性高、放热量大，将其用于大体积混凝土中，混凝土在硬化前，氧化钙类膨胀剂已基本反应完全，大部分膨胀能都属于无效膨胀。氧化镁膨胀剂的活性随温度升高而逐渐激发，大体积混凝土具有温升高、散热慢的特点，在混凝土的降温阶段也可以长时间保持氧化镁高活性所需要的温度，其膨胀水化的过程可以更好地与混凝土的“有效膨胀窗口”所匹配，整体产生的有效膨胀能更高[10]。

2)裂缝统计

模型浇筑一个月后，对8组试块的裂缝信息进行统计，结果见表5。从表5中可以看出，膨胀剂的加入，可以有效减少和避免裂缝的产生，混凝土结构尺寸越大，开裂风险越高。以基准组为例，3 000 mm模型的裂缝数量达到22条，其单位面积的总开裂面积是1 500 mm的6.5倍。在3 000 mm模型中，氧化镁组的裂缝降低系数最高，达到98.5%，钙镁复合组次之，氧化钙组最小，与混凝土的应变监测数据相符合。

表5 足尺模型裂缝信息

3 结 论

a.不同膨胀源的膨胀发展规律存在差异。氧化钙类膨胀源的活性高，在常温下就可以很好的进行水化，水化集中在早期，温度的升高只是进一步提升其反应速率，适用于施工环境温度低、混凝土温升低的工况；氧化镁类膨胀源低温时活性低，但其温度敏感性高，水化反应存在一定的延迟，温度达40 ℃以上时可以激发其反应活性，适用于夏季施工和温升高、散热慢的大体积混凝土。

b.养护制度在很大程度上影响膨胀剂的补偿收缩效果。水分充足的环境中，膨胀剂可以有效补偿混凝土的收缩，干燥环境下，膨胀剂的效用只体现在早期，对降低中后期混凝土的收缩没有作用。因此，在建筑工程中，延长洒水养护的时间，有利于补偿收缩混凝土的应用。

c.足尺模型数据表明，混凝土结构尺寸越高，开裂风险也相应更高。氧化镁类膨胀源可以更好地与大体积混凝土的“有效膨胀窗口”所匹配，在3 000 mm模型中，其补偿收缩效果最好，裂缝降低系数达到98.5%。

d.针对实际项目工况，可进行膨胀源种类及复配比例的选择，使膨胀剂的膨胀与混凝土收缩完成很好的匹配，从而达到理想的应用效果。