混凝土膨胀剂对补偿收缩混凝土的有效作用

混凝土膨胀剂对补偿收缩混凝土的有效作用

混凝土中掺加膨胀剂后，利用约束下的膨胀变形来补偿其收缩变形，抵消钢筋混凝土结构在收缩过程中产生的全部或大部分的拉应力，使结构不裂或把裂缝控制在无害裂缝范围内，它是一种防止和减少混凝土开裂的有效方法。

　　近十几年，随着城市建设的飞速发展，高层、大跨度建筑日益增多，这些建筑物的地下防水工程、超长结构工程、大体积混凝土工程都期望使用混凝土膨胀剂达到抗裂、防水的目的，使应用膨胀剂的工程量增长很快。但从实际工程应用情况看，并不象一些人所期待的，只要掺了混凝土膨胀剂，混凝土就不裂了。补偿收缩混凝土工程裂漏现象仍时有发生。如何在工程中有效地使用混凝土膨胀剂，是值得混凝土膨胀剂生产厂家和工程一线技术人员关注和实际研究的课题。近二年，我公司就补偿收缩混凝土的膨胀效能进行材料和施工工艺上的实际探讨，取得了较多的技术测试数据，在加深对补偿收缩混凝土特殊性认识的基础上，与施工单位配合进行量化 管理，取得了一些成效。

1　混凝土膨胀剂品质的控制

　　混凝土膨胀剂作为克服混凝土收缩开裂缺陷的一种外加材料，衡量其性能的主要指标是膨胀能的大小和转入空气中的回缩落差，因此膨胀剂质量的优劣将直接影响混凝土的补偿收缩能力，而且直接关系到工程质量。从市场膨胀剂质量情况看，品质优劣差异很大，加之工程使用的膨胀剂以“甲供”居多，近二年，我们抽查五个品种，25批次的膨胀剂，其砂浆限制膨胀率达到JC476～98标准质量水平的是15批次，合格率仅60％，抗压强度和抗折强度合格率为92％。因此选择品质优良的膨胀剂是令所配制的混凝土能达到补偿收缩要求的关键之一。我们用同一品种水泥，对五种品种的膨胀剂进行不同龄期的限制膨胀率试验，见图1。试验表明，符合现行标准7天砂浆限制膨胀率＞0.025％的有UEA-H、UEA和HEA三个品种。从转入空气中的回缩落差看，60天龄期AEA、UEA的回缩落差较大，分别是-0.008％和-0.006％，而UEA-H、HEA的回缩落差较小，分别是0.018％和0.005％。

　　图1显示，UEA-H、HEA早期膨胀效能好，且60天回缩落差小。为确保配制的补偿收缩混凝土达到GB119－88规定指标(即混凝土水养14天限制膨胀率≥0.015％，空气中6个月的干缩率≤0.045％的要求)。我们在控制混凝土膨胀剂品质方面主要抓两条，一是选择有较完善的质量保证体系，并具有原材料分析和产品检测能力，生产设备完善的生产厂家；二是选择早期膨胀效能好，后期回缩落差小的膨胀剂(UEA-H、UEA、HEA)；在建立供货合同的基

础上，签订质量技术合同，明确供方提供的膨胀剂除符合《混凝土膨胀剂》JC476—98标准 规定的技术要求外，其7天限制膨胀率必须＞0.03％，抗折抗压7天强度不少于基准混凝土的80％，28天不少于基准混凝土的95％。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图1　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2

2　补偿收缩混凝土的特殊性

2.1　对水泥品种的适应性

　　补偿收缩混凝土是近十年得到迅猛发展的新型混凝土，其间，膨胀剂产品的更新换代也在加快，一些改性的复合膨胀剂陆续投放市场，对更新换代产品必须有个认识过程；使用过程中，我们发觉有的混凝土膨胀剂对水泥品种的适应性较差，有的混凝土膨胀剂则对水泥品种适应性好。图2是使用普通水泥、矿渣水泥内掺12％UEA，同配比的限制膨胀曲线。

　　图2中C30补偿收缩混凝土，用矿渣水泥内掺12%UEA，14天其限制膨胀率达0.025%；用普通水泥内掺12%UEA，14天混凝土限制膨胀率仅为0.012%。矿渣水泥配制的C30混凝土14天限制膨胀率是同配比普通水泥的2.2倍；普通水泥配制的C30混凝土转入空气中180天的收缩值为-0.015%，而矿渣水泥配制的C30混凝土其早期膨胀与转入空气中的收缩叠加起来未出现负变形，说明UEA膨胀剂在矿渣水泥中配制补偿混凝土效果好。

　　图3为不同水泥品种内掺12%UEA—H的限制膨胀曲线。

　　由图3可知，内掺12%UEA—H不论对普通水泥或矿渣水泥都适应，其早期膨胀效果好。

2.2　膨胀剂膨胀效能对水的特殊要求

　　膨胀剂掺入水泥混凝土中，经水化反应生成较多的结晶水化物——钙钒石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O),使混凝土产生较大的膨胀, 这就是混凝土养护时需要有足够水分的原因。为能在实践中掌握不同养护条件对膨胀效能影响的影响，我们针对市场的膨胀剂进行不同养护条件对膨胀效能影响的试验。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　养护条件：

　　标准养护：按JC476—98标准，砂浆试件7天前放在20±3℃水中养护，7天后转入空气中养护 (温度20±3℃，相对湿度65％)。

　　水养：砂浆试件一直放在20±3℃的水中养护。

　　湿养：砂浆试件7天放在20±3℃水中养护，7天后放在标养室木架上(温度20±3℃，相对湿度90％以上)。

　　自然养护：砂浆试件放在露天，每天浇水二次(随天气日晒雨淋)。

　　整个试验除自然养护外，水养、标养、湿养其7天龄期试件的养护条件都按JC476—98标准进行(即放在20±3℃水中养护)，7天

后试件转入不同养护条件的环境中进行养护，试验结果见图4～7。

　　　　　　　　　　　　　　图6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7

　　图4～7充分说明，养护水的充足与否，直接关系到补偿收缩混凝土的膨胀效能。图中曲线所示，试件在7天龄期时，不论是标养、水养、湿养，由于此时试件是全部浸在水中，其限制膨胀量相差无几。

　　7天后，标养试件转入空干养护，此时由于水份不充足，其限制膨胀率随龄期的增加，出现负增长(收缩)，随着龄期的进一步增加负增长也加快。而水养试件，其最高限制膨胀量一般在28天达到最高，超过28天龄期，除UEA—H膨胀剂，仍呈微膨胀趋势外(图4)，UEA、AEA、HEA28天后呈收缩趋势，但其收缩相当缓慢。

　　将7天后的试件转入标养室湿养(放在木架上温度20±3℃，湿度90％以上)，限制膨胀量也在28天达最高，28天后呈缓慢的收缩趋势，说明只要试件(或混凝土结构)保持潮湿，其湿养膨胀效果与水养膨胀效果相差不多,见图8。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8

　　我们也将成型后的混凝土试件，模拟现场自然养护，每天浇水二次，测其限制膨胀量。图8所示，由于自然养护混凝土试件，早期得不到充足的水分，其膨胀效能得不到发挥，混凝土试件的限制膨胀率在3天为负增长(-0.014％)，7～14天时，由于其中有几天下雨，试件再现微膨胀，但与补偿收缩混凝土要求的限制膨胀差异很大(如表1）。14天水养时的限制膨胀率为0.018％，14天自然养护的限制膨胀率为-0.001％，相异较大。

　　表1　　　　　　　C35补偿混凝土自然养护与标准养护的限制膨胀

龄　期 内掺12%UEAC35补偿混凝土

自然养护 标准养护

温　度 限制膨胀率% 温　度 限制膨胀率%

1 10.5℃ -0.006 17℃ -0.006

3 9℃ -0.014 18.5℃ -0.001

7 12℃雨 -0.003 18.0℃ 0.011

14 12℃阴雨 -0.001 18.0℃ 0.018

21 21℃ -0.015 18.5℃ -0.005

3　影响补偿收缩混凝土膨胀效能的其他因素

3.1　以混凝土强度和限制膨胀率两个指标进行配比设计

　　目前多数工程在使用补偿收缩混凝土时，都不提混凝土限制膨胀率的指标要求，这在使用中容易引起对限制膨胀率技术指标的不重视。若严格按强度和限制膨胀率两个指标进行混凝土质量考核，可以优化补偿混凝土的配比，而获得理想效果的补偿混凝土。例如我们在配制C30补偿混凝土时进行了不同掺量膨胀剂对膨胀效能影响的试验(图9)。

　　图9是C30补偿混凝土试件水中养护14天，转空干养护180天的限制膨胀曲线。从图中看出，不掺膨胀剂的

普通混凝土在水中产生微膨胀，14天限制膨胀率为40×10-6。放入干空环境中收缩，180天收缩率为-255×10-6；

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9

　　内掺10%膨胀剂，最大膨胀率为82×10-6，放入空气中180天收缩率为-204×10-6，180天收缩是普通混凝土的80%；

　　内掺12%膨胀剂，最大膨胀率为127×10-6，放入空干中180天收缩率为-147×10-6，180天收缩是普通混凝土的57.6%；

　　内掺14%膨胀剂时，最大膨胀率为135×10-6，放入空气中，180天收缩率为-123×10-6，180天收缩是普通混凝土的48.2％。

　　试验表明，混凝土的补偿收缩效能与膨胀剂的掺量有直接关系。实际操作时，可根据结构的不同部位的限制膨胀率要求，适当调整掺量，取得最佳效果。

　　我们在补偿收缩混凝土的配比设计上，主要采用多掺法，使用高效减水剂，降低混凝土单方水泥用量；若使用UEA时，尽量使用矿渣水泥或外掺磨细矿粉；大体积混凝土内掺12％膨胀剂；后浇带、墙板内掺14％膨胀剂；这样设计的配比其混凝土性能既能确保强度，又能确保限制膨胀率要求。

3.2　大体积混凝土的早期有效膨胀

　　众所周知，补偿收缩混凝土的膨胀效能与温度、水有密切的关系，但在实际操作中，混凝土的限制膨胀率试验是按标准试验温度环境进行的。当用于大体积补偿混凝土时，混凝土内部的环境温度对膨胀剂效能有何影响，我们结合工程，模拟C40补偿混凝土水化热温升进行早期有效膨胀试验。一组采用标准养护条件，一组采用混凝土养护箱模拟混凝土水化热温升(养护箱最高温升只达56.7℃)，7天后转入空干养护，见图10。

　　从试验结果看，混凝土膨胀效能随环境温度的提高膨胀加速，5天龄期时达到0.049%，模拟水化热温升试件的膨胀率是同龄期标准养护试件的4～5倍，当温度降至空干养护时，最终收缩值比标准养护的稍大。例如，由我公司供应的兰天大厦基础混凝土，底板长76.5m，宽40m，厚1m，局部2m。该底板不设后浇带，也不设加强带，混凝土强度等级C40S8。施工前，设计、施工、混凝土供应方进行多次讨论，要求控制该底板混凝土结构不裂或把裂缝控制到无害裂缝范围内。采取的主要措施是使早期混凝土限制膨胀率＞0.015％，施工完毕后，进行保温保湿养护14天，14天后继续进行湿养。该混凝土工程经现场测温，最高温升为71℃。一个月后检查未发现裂缝，如此长的底板混凝土结构不裂，我们认为这主要是由于C40补偿混凝土在较高温度及保持湿养条件下产生较大膨胀，这种膨胀在内外约束条件下产生的较大内压应力抵消了混凝土冷缩或干缩产生的

拉应力，并建立混凝土内部新的应力平衡，确保了大体积混凝土的不开裂。

3.3　超早强补偿收缩混凝土的早期有效膨胀

　　某工程地下室结构的C40补偿收缩混凝土要求7天抗压强度达到设计强度的100％。超早强补偿收缩混凝土能否满足早期有效膨胀是值得研究的问题，对此，我们结合工程对超早强C40补偿收缩混凝土进行实际测定，见表2。

　　表2　　　　　　　C40超早强补偿收缩混凝土的抗压强度和限制膨胀率

龄　期(天) UEA—H掺量为12%时

混凝土限制膨胀率% 抗压强度MPa

2 0.008

3 0.016

7 0.019 49.6

14 0.022

28 0.008 63.4

上述试验表明，配制C40超早强补偿混凝土均能产生有效膨胀，且限制膨胀率符合《混凝土外加剂应用技术规范》GB119—88标准中14天限制膨胀率大于0.015％的要求。

3.4　与施工单位配合，实施补偿收缩混凝土的量化管理

　　掌握了补偿收缩混凝土的一些特殊机理、施工过程中补偿收缩混凝土与普通混凝土的区别，主要在于混凝土浇筑完毕后，必须按温控技术措施要求进行保温、保湿养护。从实际混凝土工程看，混凝土结构的浇水养护时间一般都只维持前2～3天，有时还做不到连续浇水。此时，混凝土中膨胀剂由于得不到充足的水份，致使达不到应有的膨胀效能（表1），使混凝土产生较大的自收缩，结构开裂难以避免。为确保补偿混凝土 的膨胀效能，施工前，向施工单位就补偿混凝土的浇捣、抹面、养护进行技术交底，阐明湿(水)养护及其持续时间对膨胀效能的影响，共同确定持续养护时间；对大体积补偿收缩混凝土，还必须确保里外温差和降温速率，满足温控要求。在双方对补偿收缩混凝土有了质的认识后，加强了施工过程中的量化管理，使工程应用的补偿收缩混凝土收缩开裂现象得到有效控制。

　　本技术主要是针对补偿收缩混凝土的材料、混凝土配比、施工环节等几方面进行具体的应用技术探讨和控制，使控制结果达到不开裂和防渗的目的。就补偿收缩混凝土整体而言，目前一般对大体积补偿混凝土裂缝控制较有把握。用于垂直结构内的补偿收缩混凝土，虽然配制的混凝土达到规范要求的限制膨胀率，现场湿养护也达到要求，但开裂现象仍时有发生，这可能与结构所处复杂应力和一些特定条件有关。补偿收缩混凝土的结构开裂问题仍是今后共同探讨的课题。