膨胀剂在混凝土早期收缩中的效能研究！

  膨胀剂是提高混凝土防裂抗渗性能的重要技术手段之一，但使用膨胀剂需要合适的条件才能确保发挥其膨胀效能。本文采用非接触式测试技术，测试了C30、C60和C80混凝土及其在两类膨胀剂作用下浇筑成型后的早期收缩特性，并对比研究了养护措施的影响。研究表明，随着混凝土强度等级的提高，膨胀效能逐渐降低；膨胀剂对终凝前的混凝土收缩无补偿作用；混凝土收缩由快速发展阶段到平稳发展阶段的转折点，是混凝土硬化形成一定刚性骨架的标志，也是膨胀剂膨胀效能发挥的开始；及时而充分的湿养护对于减小混凝土早期收缩和膨胀剂效能的发挥都是极其关键的；对于减小混凝土特别是高强混凝土的早期收缩，好的养护措施要远比单纯使用膨胀剂更有效。

膨胀剂；混凝土；早期收缩；裂缝；非接触法

混凝土本身所固有的收缩现象是造成结构宏观裂缝或渗漏的重要原因。从理论上讲，掺加膨胀剂是解决这一问题的重要技术手段。但是，由于膨胀剂的种类和质量、混凝土配合比、结构形式、环境条件等要素的不同，膨胀剂有时候并不能达到预期的目的，甚至出现适得其反的结果[1]。如果不分清楚膨胀剂的使用环境或者在使用膨胀剂上不采取配套的技术措施，抱着“只管掺”而坐看裂不裂的思想，必然会出现目前工程中对膨胀剂应用的各种争论。膨胀剂的使用是有条件的！特别是在组成上以掺用高效减水剂和矿物掺和料为主要特征的现代混凝土[2]，由于原材料性能的差异和配合比设计上的多样化和复杂化，使得应用膨胀剂的条件更加复杂和苛刻。目前，高强混凝土逐渐在工程中得到推广应用，但其显著的早期收缩造成的开裂现象也成为工程中的难题。因此，膨胀剂是否可以作为解决高强混凝土早期收缩的技术措施？如果可以，则需要怎样的配套条件才能正确发挥膨胀剂的效能和作用？这些问题引起了人们的思考。

姜正平等人[3]研究了不同养护条件下膨胀剂对混凝土收缩性的影响，发现膨胀剂效能取决于养护环境：在潮湿环境下，膨胀剂能显著降低混凝土的收缩值；而在干燥条件下，膨胀剂的掺入对降低混凝土的中后期收缩值没有效果，甚至可能会加大收缩值。尚建丽等人[4]的研究表明，低水胶比（水胶比小于0.35时）情况下，膨胀率随水胶比的减小而减少。如果早期水养不充分，未反应完的组分在以后潮湿的环境中继续生长，会使硬化混凝土开裂，甚至可能使结构破坏。

需要说明的是，在上述的研究工作中，膨胀或收缩的测量都是在混凝土硬化拆模后进行的。一般是按照《混凝土膨胀剂》（JC476）的规定，在水中养护条件下来测试，反映的主要是硬化后1d~3d以后的体积变形，而之前化学反应激烈的早期膨胀效应未能体现。为此，本文采用非接触式测试技术，可以实时监测混凝土浇筑成型后的早期宏观体积变化。研究对象从C30普通混凝土到C60、C80和C100的高强混凝土，考虑掺加两种不同类型的膨胀剂，研究膨胀剂在不同强度等级混凝土早期收缩中的效能。

1 原材料与试验方法

混凝土拌合物性能试验方法按GB/T50080-2002《普通混凝土拌和物性能试验方法》进行，混凝土抗压强度试验方法按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行，试验结果见表2。
2.1 C30～C100混凝土早期收缩的特点

分析试验结果，可以得出如下结论：

针对C30、C60和C80混凝土，分别掺入两种膨胀剂P1（硫铝酸钙类）和P2（硫铝酸钙-氧化钙类），在相同环境条件下测试混凝土（配合比见表1）的早期收缩，结果如图3所示。综合图3（a）、（b）和（c）来看，膨胀剂对第一阶段的收缩除了在一定程度上降低了（也有个别增加了）最大收缩值外，基本无影响；膨胀剂的主要作用在收缩进入第二阶段才开始显现。这一点容易理解：在混凝土还处于流塑状态时，膨胀剂在水化过程中参与水化反应产生的膨胀性产物及其膨胀能没有对约束力做功而被塑性混凝土吸收。只有当混凝土在水化硬化过程中形成一个相对刚性的骨架时，膨胀性产物才能挤压周围的固体颗粒产生位移，这些位移通过刚性骨架形成有效传递，从而在宏观体积上产生膨胀效应。混凝土整体硬化形成相对刚性的骨架的时间点，正好是混凝土收缩由快速发展阶段到平稳发展阶段的转折点，这个重要的时间节点值得关注和研究，它可能是另外一种意义上的“终凝点”（从本试验结果看，这个转折点与采用贯入阻力法测得的终凝点基本一致或错后终凝点2h~3h）。混凝土塑性状态下的收缩与硬化后的收缩是一以贯之的，二者在收缩机理上（以现象而言，可以归结为干燥和自干燥作用）并无本质的不同，只是硬化后阻碍收缩的因素发生了根本的变化。刚性骨架的形成，是收缩阻力明显形成的标志，因而是收缩快速发展阶段的结束，也是膨胀效能开始发挥的开始。

从表3可以看到，随着混凝土强度等级的提高，膨胀剂的膨胀效能逐渐降低。对于C30混凝土可以减少60%~80%的收缩率，对于C60混凝土可以减少40％～50%的收缩率，对于C80混凝土可以减少10%左右的收缩率。

膨胀剂作用的原理是：在混凝土中与水和胶凝材料的水化产物（如Ca（OH）2）发生化学反应生成膨胀性产物填充空隙，通过推开周围固体颗粒产生位移做功，并将这些固体颗粒的位移有效传递形成宏观体积的膨胀。因此，膨胀剂效能的发挥取决于两个根本的条件：一是膨胀源，即膨胀性产物的产生量；二是固体颗粒位移及其有效传递。

膨胀源的问题主要是反应原料的多少和反应条件。膨胀性产物多以高结晶水合物的形式出现，故膨胀剂反应会消耗大量的水。在常温条件下，主要取决于膨胀剂的掺量和反应过程中可能获取的水。因此，在相同膨胀剂掺量和缺少外部水源补充的情况下，随着混凝土强度等级的提高，水胶比越来越低，混凝土中可以供膨胀剂反应的水越来越少，膨胀剂总体的水化程度下降，膨胀源减少，膨胀效能降低。在相同膨胀源情况下，膨胀效能还取决于膨胀源对周围固体颗粒产生的位移及其有效传递。膨胀位移与固体颗粒之间彼此的间距有关，颗粒越紧密，相同膨胀源产生的膨胀位移越明显[5]。在混凝土中，水胶比不仅是关系水分是否充足的因素，也是影响水泥浆体中固体颗粒分布疏密程度的主要因素，直接影响膨胀剂效能的发挥。在一定范围的水胶比内，膨胀率可随水胶比的减小而增加[6]，反映的就是颗粒间距对颗粒位移的影响；而本文的研究结果以及文献[4]指出的低水胶比（水胶比小于0.35）混凝土的膨胀率随水胶比的减小而减少，则是体现了水分对提供膨胀源的贡献。

固体颗粒只产生位移而不能形成位移的有效传递，最终将无法体现为宏观体积上的膨胀。在流塑状态下，膨胀源的产生可能会就近推开固体颗粒产生位移，但在混凝土没形成一个相对刚性的骨架之前，这些位移不能有效传递。因此，混凝土终凝之前，主要的膨胀能被消耗掉了，不能发挥膨胀效应。这一点对膨胀剂在混凝土中的反应时机提出了要求：膨胀剂反应过早过快，对膨胀无效，反而会消耗大量的水，加剧自干燥作用，反而可能增加膨胀前的收缩；反应过晚，则混凝土中可能已经没有了可供反应的水分，如此时获得外界水源的补充而产生膨胀，则可能在局部产生剧烈的膨胀而形成开裂甚至粉碎性破坏现象[4]。

2.3 养护的作用

结果表明，覆膜浇水养护对降低早期收缩效果非常明显：未养护的混凝土试件的72h收缩值达到2366μm/m；而覆膜浇水养护后，72h收缩值降低到630μm/m。同时在这种养护条件下，掺加膨胀剂P2后，72h收缩值接近为零，而如果未养护，则收缩值为1616μm/m。可见，及时而充分的湿养护对于膨胀剂效能的发挥也是极其关键的。

3 结论

（1）充足的水分是产生膨胀源的必要条件。在相同膨胀剂掺量和缺少外部水源补充的情况下，随着混凝土强度等级的提高，水胶比越来越低，混凝土中可供膨胀剂反应的水越来越少，膨胀源减少，膨胀效能降低。所以，在缺乏外部水源补充的情况下，在高强混凝土中使用膨胀剂效果不明显，而且会在混凝土中残留大量未反应的膨胀剂，为日后遇水再反应造成混凝土开裂留下隐患。

（2）在一定水胶比范围内，水胶比越小，可能膨胀越大；而在另外的水胶比范围内，也可能出现水胶比越小，膨胀越小的情况。前者反映的是固体颗粒间距对膨胀效能的影响，后者体现的是水分对膨胀源的贡献。它们是膨胀剂效能发挥的两个方面。

（3）在混凝土处于流塑状态时，膨胀源即使对周围固体颗粒产生位移，但不能形成有效的位移传递，因而不能形成宏观体积上的膨胀。因此，膨胀剂对膨胀效能发挥前的收缩无补偿作用，甚至可能因加剧自干燥作用而增加收缩。混凝土收缩由快速发展阶段到平稳发展阶段的转折点，是混凝土硬化形成一定的刚性骨架的标志，也是膨胀剂膨胀效能发挥的开始。这个时间点基本对应于采用贯入阻力法测得终凝点。

（4）及时而充分的湿养护对于减小混凝土早期收缩和膨胀剂效能的发挥都是极其关键的。对于减小混凝土特别是高强混凝土的早期收缩，好的养护措施远比单纯使用膨胀剂而忽视养护更加有效。

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