大体积补偿收缩混凝土中膨胀剂的使用效能彭江.pdf

收稿日期 2001 09 04 修订日期 2003 01 10 基金项目 国家自然科学基金资助项目 59878027 作者简介 彭 江 1976 男 贵州人 清华大学工学硕士 通讯联系人 电子信箱 yanpy mail tsinghua edu cn 文章编号 1007 9629 2003 02 0147 06 大体积补偿收缩混凝土中膨胀剂的使用效能 彭 江 徐志全 阎培渝 清华大学 土木水利学院 北京 100084 摘要 在模拟大体积混凝土内部温度变化过程的条件下 研究了混凝土的水胶比 掺合料 种类和掺量以及养护条件对补偿收缩砂浆的限制膨胀率的影响 探讨了补偿收缩混凝土 中延迟钙矾石生成的可能性 结果表明 处于大体积混凝土内部环境中的膨胀剂仍能有效 发挥作用 补偿收缩砂浆的限制膨胀率基本上随水胶比减小而增加 掺加矿物掺合料使限 制膨胀率显著降低 养护条件 特别是湿度对膨胀剂膨胀性能的发挥有至关重要的影响 在一定条件下补偿收缩混凝土会发生延迟钙矾石生成的现象 关键词 大体积混凝土 膨胀剂 限制膨胀率 影响因素 中图分类号 TU528 042 文献标识码 A Factors Influencing the Efficiency of Expansive Agent in Massive Shrinkage compensating Concrete PENGJiang XU Zhi quan Y AN Pei yu School of Hydrautic and Civil Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China Abstract The effect of water binder ratio kinds and use level of mineral admixtures and curing condi tions on the restrained expansion rate of shrinkage compensating mortars cured under the conditions simulating the temperature and humidity variation process in the massive concrete was investigated The possibility of delayed ettringite formation in the shrinkage compensating concrete is discussed Ex pansive agent acts efficiently in the massive concrete The restrained expansion rate of shrinkage com pensating mortars increases with the decrease of water binder ratio of mortars Addition of mineral ad mixtures results in remarkable decrease of restrained expansion rate Curing conditions especially hu midity exhibit very important influence on the efficiencies of expansive agent Delayed ettringite for mation can take place in shrinkage compensating concrete in some situations Key words massive concrete expansive agent restrained expansion rate influencing factor 大体积混凝土常用于大型设备或高层民用建筑的基础等重要的 承受荷载较大的结构 随着建 筑物高度和体积的不断增加 大体积混凝土的体积 厚度和强度等级也不断增加 为了增加大体积 混疑土的整体性和刚度 施工时还常要求连续浇注混凝土 不留或少留施工缝 因此 胶凝材料水化 放热相对集中 由于混凝土是热的不良导体 基础结构又位于地平面以下 散热困难 导致大体积混 凝土内部温升很大 大体积混凝土内部最高温度大于 70 C的工程实例相当普遍 上海金茂大厦主 第 6 卷第 2 期 2003 年 6 月 建 筑 材 料 学 报 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Vol 6 No 2 Jun 2003 楼超深基础底板混凝土的内部最高温度在浇筑后 52 h 甚至达到了 97 5 C 1 为了控制由于温缩 干缩和化学减缩引起的开裂问题 我国工程上采取的技术措施之一是掺加膨胀剂来补偿收缩 但膨 胀剂在大体积混凝土中的应用仍有很多关键问题有待阐明 如 在大体积混凝土工程中 外部养护 水难以渗入混凝土内部 膨胀剂在补偿收缩混凝土内部的高温绝湿环境中的膨胀效果如何1 能 否有效补偿收缩 各种常用矿物掺合料对膨胀剂的使用效能有何影响 尤其是对以钙矾石为膨胀 源的膨胀剂 是否会诱发钙矾石的延迟生成并最终导致结构破坏 本文针对这些问题作了一些探 讨 1 陈肇元 高强混凝土应用中的几个问题 在吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会上的发言 1999 1 原材料 试件制备和热养护制度 试验采用天津豹鸣外加剂厂生产的硫铝酸盐型 UEA 膨胀剂 品质符合 JC 476 98的规定 冀 东水泥厂生产的盾石牌 P O 525 水泥 品质符合 GB 175 92 的规定 广东珠海市沙角发电厂生产 的 级粉煤灰 品质符合 GB 1596 91 的规定 湖南韶峰水泥集团有限公司生产的磨细矿渣 比表 面积 458 m2 kg 0 08 mm 方孔筛筛余量 1 60 质量系数 1 78 四种材料的化学成分见表 1 表 中及本文中的成分 掺量等均为质量分数 表 1 试验所用原材料的化学成分 Table 1 Chemical compositions of materials usedw Material SiO2Al2O3Fe2O3 CaOMgO SO3K2ONa2O IL UEA expansive agent10 4511 702 0035 803 2828 440 110 110 52 Fly ash49 8831 763 364 300 730 021 110 884 51 Slag31 8414 391 2836 837 730 590 480 484 42 P O 525 cement22 175 433 1660 871 672 301 100 074 18 本研究采用测量试件的限制变形率来反映宏观体积的变化 按建材行业标准JC 476 98 混凝 土膨胀剂 中的 混凝土膨胀剂的限制膨胀率试验方法 制作带限制骨架的砂浆棒 40 mm 40 mm 140 mm 并且定期测量其长度变化 限制砂浆试件中的配筋率为 0 785 砂浆棒的限制膨 胀率按下式计算 Lt L L0 100 式中 为砂浆棒的纵向限制膨胀率 Lt为各龄期的限制砂浆棒长度 mm L 为限制砂浆棒初 始长度 mm L0为限制砂浆棒的基长 140 mm 图 1 TMC 温度变化曲线 Fig 1 TMC schedule 测量所用比长仪的最小刻度值为 0 01 mm 每组试件成型砂 浆棒 3 条 取相近的 2 条砂浆棒测定值的平均值为砂浆棒限制变形 率的测定结果 砂浆配合比 砂胶比为 2 0 水胶比为 0 45 膨胀剂掺量为 8 养护制度均按图 1 所示 TMC temperature match curing 温度 变化曲线进行养护 最高温度 85 C 变温养护时间为 7 d 笔者通过对我国大体积混凝土施工过程的初步调查 发现其内 部温度在施工后养护过程的前 3 d 大幅上升 之后缓慢降温 据此 确定本研究中模拟大体积混凝土内部温度变化的热养护制度 TMC 为 试件成型后 18 h 脱模 放入养护箱中 按图 1所示 TMC 温度变化曲线进行养护 即 在 48 h 内快速升温 之后较缓升温到 最高温度 并在最高温度上停留 10 h 然后开始缓慢降温 7 d 后降至 60 C 此后不再控制温度变 148 建 筑 材 料 学 报第 6 卷 化速率 让其自然冷却至室温 2 2 结果与讨论 2 1 水胶比对限制膨胀率的影响 大体积补偿收缩混凝土体积庞大 结构致密 材料内外水分交换困难 内部处于近似绝湿的状 态 因此本文在考察水胶比对补偿收缩砂浆的限制膨胀率的影响时 采用了模拟绝湿环境的养护条 件 本试验砂浆试件制作的配合比和采用的养护制度见表 2 砂浆试件限制膨胀率随时间变化的测 定结果见表 3 由表 3 可见 经过 TMC 养护的砂浆试样在 TMC 过程结束时 7 d 均有一定的体积 膨胀 其限制膨胀率基本上随水胶比的减小而增加 早期膨胀量大的试件其后期剩余膨胀量也大 这是因为水胶比大的试件 其强度较低 对试件产生的约束较小 同时浆体疏松 孔隙率和平均孔径 较大 供钙矾石生长的自由空间较大 图 2 而在无约束状态下生成的钙矾石大晶体的膨胀效能较 差 低水胶比的试件结构致密 能生成大量膨胀性能极佳的微晶状钙矾石 因此产生较大的膨胀能 图 3 可见 大体积混凝土内部的短暂适度升温对 UEA 型膨胀剂早期膨胀效能的发挥没有负面 影响 低水胶比的试样内部仍有足够水分 能保证膨胀剂的水化 同时能形成更大的预压应力 获得 较大膨胀率 表 2 砂浆试件的组成和养护制度 Table 2 Compositions and curing schedules of mortars Code w UEA mw mb 1 7 d curing schedule Curing humidity in first 14 d Curing humidity after 14 d a180 30 TMC85 C1 SealedSealed a280 40TMC85 CSealedSealed a380 45TMC85 CSealedSealed a480 50TMC85 CSealedSealed a580 60TMC85 CSealedSealed P80 4020 CIn waterRH 90 1 The maximum curing temperatuer is 85 C same as table 4 表 3 水胶比对砂浆试样的限制膨胀率的影响 Table 3 Effect of water binder ratio on the longitudinal variation of restrained mortar prism Code Age d 714286090120180 a10 0560 0460 0510 0420 0220 0210 033 a20 0310 0240 0290 0210 0010 0030 001 a30 0240 0150 0250 0120 002 0 007 a40 0290 0210 0270 0210 000 0 001 0 007 a50 0110 0110 0190 0110 007 0 011 0 014 P0 0190 0210 009 由表 3 还可见 在热养结束后 随着龄期的增加 限制膨胀率逐渐减小 半年后 膨胀率减小约 300 微应变 这主要是由于试件在绝湿条件下得不到水分补充 而试件内部继续水化导致的自干燥 作用所引起的宏观体积收缩 也有部分收缩是由于砂浆受压蠕变而产生 有人认为补偿收缩混凝土 后期不会发生体积倒缩 3 实际上补偿收缩混凝土构件处于绝湿或干燥环境中 同样无法避免体 积减缩 并且其减缩值和普通混凝土差别不大 149 第 2 期彭 江等 大体积补偿收缩混凝土中膨胀剂的使用效能 2 2 矿物掺合料对限制膨胀率的影响 掺加矿物掺合料的砂浆试件的配比和养护条件见表 4 其限制膨胀率测定结果见表 5 由表 5 可见 与不加掺合料的砂浆比较 掺加粉煤灰后 试件的限制膨胀率明显下降 膨胀能损失严重 但 粉煤灰掺量对限制膨胀率的影响较小 在绝湿状态下 试件同样持续收缩 膨胀率的减小略大于不 含矿物掺合料的试件 掺加矿渣试件的限制膨胀率同样下降 而且矿渣掺量越大降幅越大 矿渣掺 量越小 对早期膨胀量的影响越小 但后期膨胀率的降低越大 图 2 补偿收缩砂浆 a4 的微观形貌 Fig 2 Morphology of the shrinkage compensating mortar a4 28 d 图 3 补偿收缩砂浆 a2 的微观形貌 Fig 3 Morphology of the shrinkage compensating mortar a2 28 d 表 4 掺矿物掺合料砂浆试件的配比和养护条件 Table 4 Mix proportion and curing schedules of mortars added with mineral admixtures Codew FA w slag w UEA mw mb 1 7 d curing scheduleCuring humidity c11580 45TMC85 CSealed c22580 45TMC85 CSealed c33580 45TMC85 CSealed c480 45TMC85 CSealed c52080 45TMC85 CSealed c63080 45TMC85 CSealed c74080 45TMC85 CSealed 表 5 矿物掺合料对砂浆试样的限制膨胀率的影响 Table 5 Effect of mineral admixtures on the longitudinal variation of restrained mortar prism Code Age d 7142860120180 c10 010 0 005 0 012 0 016 0 035 0 036 c20 0140 001 0 003 0 004 0 018 0 021 c30 006 0 005 0 009 0 015 0 031 0 036 c40 0340 0230 0210 0210 002 0 004 c50 0180 002 0 013 0 016 0 035 0 036 c6 0 001 0 012 0 014 0 015 0 034 0 033 c7 0 005 0 013 0 014 0 021 0 036 0 035 Mehta 指出 4 随形成条件的不同 钙矾石有 2 种形态 当羟基浓度低时 形成没有膨胀性的长 条形晶体 反之则形成具有膨胀性的短棒状晶体 其在受限空间内吸水肿胀 导致试件破坏 本试验 掺加矿物掺合料后浆体内部碱度降低 故而生成较多的非膨胀性钙矾石 使限制膨胀率大大降低 矿物掺合料同时也引入了大量的铝酸盐 使反应向不利于钙矾石生成的方向发展 另外 含矿物掺 150 建 筑 材 料 学 报第 6 卷 合料的砂浆强度发展缓慢 使一些膨胀能消耗在塑性变形中 这些因素都导致了膨胀能的损失 从 而使试件的体积膨胀值降低 2 3 养护湿度对限制膨胀率的影响 成型 9 组试件 其配合比为 水胶比 0 45 砂胶比 2 0 膨胀剂掺量 8 养护制度按 TMC 变温 曲线进行 最高温度为 85 C 试件置于不同湿度环境中养护 养护湿度条件及试件限制膨胀率的测 试结果均见表 6 湿度条件对试件的膨胀率大小起着至关重要的作用 Elsaid Ramadan 5 认为 环境相对湿度低 于 95 时 试件不会发生膨胀 由表 6 可见 处于干燥环境中的试件 No 1 No 3 由于自身水分 散失 并得不到补充 在水化初期即出现了负应变 而在潮湿环境中养护的试件 No 4 No 9 因 为有充分的水分供应 在水化早期均有不同程度的膨胀 因此 在大体积混凝土工程中 在早期一定 要进行构件的表面保湿或加湿养护 以避免膨胀剂失效 表 6 养护湿度对砂浆试件的限制膨胀率的影响 Table 6 Effect of curing humidity on the longitudinal variation of restrained mortar prism No Curing schedule 1 7 dAfter 7 d Longitudinal variance 7 d14 d28 d60 d90 d120 d180 d 1TMCIn dry air 0 006 0 013 0 014 0 024 2In dry airRH 90 0 0010 0040 0150 0270 0070 0040 004 3In dry airIn water 0 0020 0070 0160 0310 0170 0200 021 4TMCSealed0 0180 0090 003 0 001 0 009 0 012 5RH 90 RH 90 0 0010 0100 0170 0240 0100 0090 013 6RH 90 In water0 0150 0210 0280 0410 0360 0330 036 7TMCSealed0 0290 0210 0200 0090 003 0 004 8In waterRH 90 0 0200 0200 0320 0340 0240 0230 026 9In waterIn water0 0270 0300 0400 0510 0410 0370 043 试件能否持续膨胀取决于养护后期有无充足水分补充 在干燥或绝湿环境下长期养护的试件 由于外部或内部的干燥作用 水化过程倾向停止 试件持续收缩 最终出现负应变 随着外界水分供 给的增多 钙矾石生成量和试件膨胀程度也增大 在标养和水养条件下 由于有充分水分供应 试件 一直处于膨胀状态 而且水养环境中试件的限制膨胀率最大 即使早期处于干燥状态的试件 若长 期处于潮湿环境中 也会重新膨胀 但膨胀量较小 由表 6 还可见 28 d 以后 水养试件仍然持续膨胀 到半年时膨胀率的增加已超过 100 微应变 无疑 这是延迟钙矾石生成 DEF 所造成的 国内有的学者认为 在 80 C左右高温 硫酸钙过量的 情况下 AFt 无法向 AFm 转化 因此补偿收缩混凝土不会发生 DEF 现象 3 实际上 掺加 UEA 的 补偿收缩混凝土中存在没有反应完的硫酸盐和铝酸盐 只要有水分供应 钙矾石就会不断生成 本 文对一直在常温水养护条件下的试样 其配合比与试件 No 1 No 9 相同 进行了 X 射线衍射分析 2 8 5 10 5 经阶梯扫描 步进 0 05 每步停留 20 s 积分计算 AFt AFm 的衍射峰面积 以 进行这 2种物质数量的相对比较 测试结果见图 4 可见 在常温水养条件下的试件中 钙矾石量持 续增长 图 5 为试样 No 9 在不同龄期的 X 射线衍射分析结果 证实水养条件下的补偿收缩砂浆在 经受早期高温后 AFt 分解 同时AFm 大量生成 在后期的常温养护阶段 AFt 持续生成 AFm 相 应减少 发生了非常明显的延迟钙矾