摘要
为在等抗压强度前提下调控混凝土的早期收缩开裂,以膨胀剂(HP‑CSA)和由高吸水树脂(SAP)引入的内养护水占胶凝材料相同比例进行组合,设计了各自的内掺量均为0%、4.5%、6.0%、9.0%共4种混凝土配合比,研究了其对混凝土早期收缩的调控规律,并分析了混凝土收缩、力学强度、内部相对湿度和干燥失水率之间的关系.结果表明:混凝土早期收缩和内部相对湿度发展均呈2阶段规律;随“HP‑CSA+SAP”组合掺量增加,其对混凝土早期收缩的调控作用逐渐增强,且在阶段I的调控作用更为显著,但28 d时仍不能根除混凝土的净干燥收缩;组合掺量对混凝土早期内部湿度发展的整体影响较小;混凝土28 d内的净干燥收缩与干燥失水率之间基本呈线性正相关.从调控收缩、强度保持和经济性等方面综合考虑,6.0%为最优调控组合掺量.
为合理防控水泥基材料在工程应用时的收缩开裂风险,研究人员在采用内养护、掺入膨胀剂进行补偿收缩等方面开展了大量工作并积累了丰富的成果.利用预吸水轻集料的内养护作用,可有效降低砂
针对内养护剂与膨胀剂各自在混凝土减缩控裂方面的优势与不足,本研究将SAP内养护剂与HP‑CSA型复合膨胀剂进行组合双掺,设计了4种不同组合掺量的混凝土,研究内养护剂与膨胀剂双掺对混凝土早期收缩的影响规律,并分析此时混凝土收缩、力学强度、内部相对湿度和干燥失水率之间的关系,以期解决混凝土的早期自收缩问题,并发挥SAP内养护剂与复合膨胀剂在释水与耗水、残留孔隙与生成膨胀性产物填充孔隙等方面的时空协同作用,探寻其在自收缩和干燥收缩、前3 d收缩和后期收缩调控等方面的互补性,由此提高混凝土的等强度和收缩调控效率.
水泥采用金隅公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其粒度分布见

图1 水泥和膨胀剂的粒度分布
Fig.1 Particle size distributions of cement and expansion agent
CaO | Ca4Al6O12SO4 | CaSO4 | Ca(OH)2 | CaCO3 |
---|---|---|---|---|
47 | 7 | 36 | 7 | 3 |
将水胶比为0.420,28 d强度为50 MPa的混凝土作为基准对照组,记为E0IC0.基于28 d等强度原则,依次减小基准组水胶比至0.375、0.355、0.335,以占胶凝材料(水泥、HP‑CSA复合膨胀剂和粉煤灰)总质量依次为4.5%、6.0%、9.0%的HP‑CSA等质量内掺代替水泥,同时以占胶凝材料总质量为4.5%、6.0%、9.0%的比例引入内养护水(ICW),形成内养护水胶比(内养护水与胶凝材料的质量比)为0.045、0.060、0.090的3种组合调控混凝土,依次记为E4.5IC4.5D、E6IC6D、E9IC9D,混凝土配合比如
Sample No. | Cement | Water | Sand | Coarse aggregate | Fly ash | HP‑CSA | ICW | SAP |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
E0IC0 | 345.00 | 180.60 | 726.00 | 1 045.00 | 85.00 | 0 | 0 | 0 |
E4.5IC4.5D | 326.00 | 161.00 | 726.00 | 1 045.00 | 85.00 | 19.40 | 19.40 | 0.71 |
E6IC6D | 319.00 | 153.00 | 726.00 | 1 045.00 | 85.00 | 25.80 | 25.80 | 0.94 |
E9IC9D | 306.00 | 144.00 | 726.00 | 1 045.00 | 85.00 | 38.70 | 38.70 | 1.41 |
混凝土自由变形、温湿度一体化试验模具内部尺寸为100 mm×100 mm×515 mm,成型后的混凝土试件尺寸为60 mm×100 mm×515 mm,详细试验步骤见文献[

图2 混凝土自由变形及内部温湿度测量的仪器布置照片
Fig.2 Instrument layout photo for measurement of free deformation and internal temperature and relative humidity of concretes
同批成型及养护立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试件,其尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm.各组抗压强度和劈裂抗拉强度试件每个测试龄期数量为3块,试件成型后置于相对湿度为(60±5)%、温度为(20±2) ℃的成型室内养护至1 d时脱模,随后分标准养护(Stan.)、密封养护(Seal)和干燥养护(Dry)3组继续养护至预定龄期.标准养护试件脱模后转移至相对湿度大于95%、温度为(20±2) ℃的标准养护室内继续养护.密封养护试件脱模后先将试件用保鲜膜作为养护膜进行密封,随后置于收缩室中继续养护至预定龄期.干燥养护试件在3 d时拆除养护膜,置于收缩室内继续养护至预定龄期.测试1 d、密封养护3 d、密封/干燥养护7 d和28 d、标准养护28 d等不同条件下各组混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度.
按照混凝土早期收缩干燥试件成型、养护方法及试件尺寸,各组混凝土每组成型3块干燥试件,置于收缩室中,从3 d时揭去养护膜开始至28 d内连续测定试件的环境干燥失水质量.
由位移传感器测得的变形为混凝土的自由变形.

图3 混凝土自由变形和内部温度随龄期的发展曲线
Fig.3 Development curves of free deformation and internal temperature of concretes with age
由
CaO+H2O→Ca(OH)2 | (1) |
CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O | (2) |
4CaO·3Al2O3·SO4+8CaSO4·2H2O +6Ca(OH)2+74H2O→3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) | (3) |
CaO粉末是HP‑CSA的主要有效成分,其水化反应短暂而剧烈,在水化初期即产生较大程度的膨胀、同时消耗大量水分.CaSO4·2H2O、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)的生成速率较Ca(OH)2缓
由
混凝土凝结后的自由变形包含湿度变形和温度变形.本文基于张
(4) |
式中:为混凝土热膨胀系数;,和为与混凝土水胶比及骨料含量等有关的系
剥离温度变形后,混凝土试件在密封状态下的收缩发展为自收缩,在干燥状态下的收缩发展为干燥收缩.

图4 混凝土收缩和内部相对湿度随龄期的发展曲线
Fig.4 Development curves of shrinkage and interior RH of concretes with age
本研究中,3 d内的混凝土处于密封状态.由
由
相较于E0IC0,不同的“HP‑CSA+SAP”组合掺量对密封养护、干燥养护试件内部相对湿度均有一定的调节作用;随着组合掺量的提高,由SAP引入的内养护水量增大,28 d时混凝土内部相对湿度微幅提高.这也是各组合掺量下密封养护试件、干燥养护试件收缩均小于E0IC0的原因之一.

图5 混凝土3~28 d的干燥失水率曲线
Fig.5 Water loss rate curves of concretes during drying between 3 and 28 d
从28 d内混凝土的整体收缩调控效果来看,“HP‑CSA+SAP”在4.5%掺量时调控作用不足,28 d时整体仍表现为收缩变形;9.0%掺量时虽然引入了较大膨胀,但对3~28 d净干燥收缩的调控作用比低掺量更差,且在实际工程中,这一掺量还存在膨胀变形可能过大以及调控材料成本偏高的问题;6.0%掺量时引入了合理的膨胀变形,混凝土的自收缩和干燥收缩均得到了较为理想的控制.综上所述,6.0%是较为理想的“HP‑CSA+SAP”调控组合掺量.

图6 混凝土3~28 d内干燥收缩与干燥失水率的相关性
Fig.6 Relationship between drying shrinkage of concretes and water loss rate during drying between 3 and 28 d
混凝土收缩与内部相对湿度发展均呈现2阶段发展模型(见

图7 混凝土收缩和内部相对湿度2阶段发展模型
Fig.7 Two‑stage development models of shrinkage and interior RH of concretes

图8 28 d混凝土收缩及内部相对湿度随“HP‑CSA+SAP”调控组合掺量的变化曲线
Fig.8 Variation curves of shrinkage and internal RH of concretes at 28 d with dosage of "HP‑CSA+SAP" combination

图9 不同养护条件下混凝土力学强度随龄期的发展
Fig.9 Strength development of concretes under various curing conditions with age

图10 混凝土1、28 d抗压强度与自收缩相关性分析
Fig.10 Correlative analyses of compressive strength and autogenous shrinkage of concretes at 1, 28 d
综上所述,28 d等强度水平的混凝土,其硬化初期1 d内强度越低,自约束效应越低,导致1 d内膨胀剂的补偿收缩效率越高,此外,1~28 d期间较大的强度发展,将使得“HP‑CSA+SAP”组合调控混凝土的28 d抗压强度恢复等强度水平.
(1)在混凝土28 d等强度的前提下,HP‑CSA膨胀剂和高吸水树脂内养护水(“HP‑CSA+SAP”)对混凝土早期收缩的调控作用随其组合掺量增加而明显增强.密封养护有助组合调控收缩效能的发挥,但仍不能根除其早期净干燥收缩.从调控收缩和保持强度方面综合考虑,E6IC6D为相对最优的组合,其28 d自膨胀为152 μm/m、干燥收缩为75 μm/m,且28 d密封养护和干燥养护强度均略高于基准组.
(2)28 d等强度水平的混凝土,“HP‑CSA+SAP”组合掺量越高,其1 d内抗压强度发展越慢,但此后强度发展增长较快,膨胀剂在1 d内的膨胀效应被放大,“HP‑CSA+SAP”组合调控对混凝土早期收缩效能的发挥越充分.
(3)混凝土早期收缩呈先快速发展(阶段Ⅰ)而后进入减速增长(阶段Ⅱ)的2阶段发展模型;随着“HP‑CSA+SAP”组合掺量的增加,混凝土收缩阶段Ⅰ从快速收缩逐渐转变为快速显著膨胀.混凝土早期内部相对湿度也呈2阶段发展模型,即先维持一定时长的内部湿度饱和期,而后进入内部湿度缓慢减小的下降期;在等强度原则设计下,“HP‑CSA+SAP”组合对早期内部湿度发展的影响总体较小;混凝土28 d内的净干燥收缩与干燥失水率之间基本呈线性正相关.
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