膨脹劑對水泥砂漿收縮性能影響的研究

（黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司,黑龍江牡丹江157005）

膨脹劑對水泥砂漿收縮性能影響的研究

劉錦程，苑海龍，崔志剛，趙兵

（黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司,黑龍江牡丹江157005）

文中研究了兩種膨脹劑對機制砂砂漿收縮的影響，并結(jié)合孔結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)分析了膨脹劑對收縮性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：自生收縮階段，B型膨脹劑的膨脹效果優(yōu)于A型膨脹劑，但干燥收縮階段結(jié)果正好相反；孔結(jié)構(gòu)分析中，發(fā)現(xiàn)孔徑在2.5～50nm范圍的含量多少直接影響干燥收縮，呈現(xiàn)正相關(guān)；顯微結(jié)構(gòu)分析中，發(fā)現(xiàn)膨脹劑的摻入均增加了水化產(chǎn)物中鈣礬石的含量，但B型膨脹劑生成量較多。

膨脹劑；收縮；孔結(jié)構(gòu)；顯微結(jié)構(gòu)

1 研究現(xiàn)狀

自水泥混凝土問世以來，裂縫問題一直困擾著人們，其中，高性能和高強混凝土的開裂尤其嚴重。解決裂縫問題，特別是對早期裂縫產(chǎn)生和開裂的防止，成為改善混凝土耐久性的主要措施之一。但從國內(nèi)外研究情況來看，膨脹混凝土是解決裂縫問題最有效的辦法之一。膨脹混凝土是一種特種混凝土，一般是采用膨脹水泥來配制或通過添加適量的膨脹劑。在我國，目前主要采用添加膨脹劑來實現(xiàn)對混凝土的補償收縮和產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，因此對膨脹劑阻裂的作用效果及機理的研究是很有必要的。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

水泥：撫順水泥股份有限公司生產(chǎn)的“渾河牌”P·MH42.5級水泥。

粉煤灰：牡丹江熱電廠生產(chǎn)的II級粉煤灰。

硅灰：大連瑞安建筑材料有限公司生產(chǎn)的微硅粉。

砂：機制砂，其細度模數(shù)為2.78。

膨脹劑：鈣礬石類高效（A）膨脹劑及（B）膨脹劑。

減水劑：哈爾濱強石有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

水：飲用水。

2.2 試驗方法

自收縮的測試儀器為非接觸式混凝土收縮變形測定儀，其量程為2 mm，精度為1.0 μm。試件為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體，測試齡期為試件澆筑至成型3 d內(nèi)。

干燥收縮測量裝置為接觸式位移傳感器和數(shù)字顯示儀表，量程為±2 mm，數(shù)字顯示儀可實時顯示當前位移數(shù)據(jù)，精度為1×10-4mm。試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，試件成型1 d后脫模并移至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至3 d，而后在干縮室開展試驗，要求試驗室溫度20±5℃，濕度在60%左右，測量天數(shù)為30 d左右。

孔隙率和孔徑分布測試采用MIP壓汞法，所用儀器為Auto Pore 9500；水化產(chǎn)物形貌和能譜分析采用Quanta200F型號的環(huán)境掃描電子顯微鏡?？捉Y(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的觀察均取樣于干燥收縮測試后的試件。

2.3 試驗方案及配合比

試驗中分析了高效（A）膨脹劑及（B）膨脹劑的摻入對無約束狀態(tài)下砂漿試件的自收縮率和干燥收縮率的影響，并基于孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物形貌分析了阻裂機理。砂漿具體配合比設(shè)計見表1。

表1 砂漿配合比kg/m3

3 結(jié)果與分析

3.1 膨脹劑對自生收縮的影響

圖1 膨脹劑對自生收縮的影響

由圖1可知，在澆筑成型至3d的密封養(yǎng)護齡期內(nèi)，基準試件一直收縮，收縮應(yīng)變約為150×10-6；而含B型和A型膨脹劑的試件一直表現(xiàn)為膨脹，前者膨脹應(yīng)變約為390×10-6，后者約為310×10-6。

在自生收縮階段，鈣礬石的形成和發(fā)育使整個體系中的固相體積增加，體積膨脹為其宏觀表現(xiàn)，膨脹劑的膨脹動力與鈣礬石晶體的多邊性密切相關(guān)。

總的來說，對砂漿試件的早期自生收縮階段，摻B型膨脹劑抑制收縮效果優(yōu)于摻A型膨脹劑，即B型膨脹劑水化產(chǎn)生的鈣礬石膨脹能大于A型膨脹劑，但相差幅度較小。

3.2 膨脹劑對干燥收縮的影響

由圖2可知，含B型膨脹劑的試件穩(wěn)定后的干燥收縮應(yīng)變最大，約為650×10-6；其次為基準試件，約為600×10-6；最小的為含A型膨脹劑的試件，約為540×10-6。另外，在干燥收縮的20 d內(nèi)，基準試件的收縮應(yīng)變最小，其次為含A型膨脹劑試件，最大為含B型膨脹劑。這可能是因為水泥水化過程中，鈣礬石的生成和水泥顆粒本身的水化均需要水分，兩者之間出現(xiàn)“爭水”現(xiàn)象，且鈣礬石的生成速率相對較快和結(jié)合自由水分較多，致使在相同干燥環(huán)境下?lián)郊优蛎泟┑脑嚰氖湛s值更大。但是，在20 d以后，B型膨脹劑的干燥收縮應(yīng)變最大，A型膨脹劑最小，基準介于兩者之間，這可能和各試件內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)分布有關(guān)。

圖2 膨脹劑對干燥收縮的影響

總的來說，對砂漿試件的早期干燥收縮階段，摻A型膨脹劑抑制收縮效果明顯優(yōu)于摻B型膨脹劑。

3.3 膨脹劑對孔結(jié)構(gòu)的影響

在某一孔徑處的累積進汞體積，可以大致反映漿體中大于該孔徑的孔隙總體積，即該孔徑對應(yīng)的孔隙累積體積。累積進汞量在一定程度上和孔隙率正相關(guān)，即累積進汞量越大，孔隙率越大。

由圖3可知，A型膨脹劑的總孔隙率最大，B型膨脹劑和基準試件總孔隙率相差不大，但膨脹劑的摻入對試樣臨界孔徑的影響很小。

對累積進汞體積曲線求導(dǎo)，可以得到微分曲線圖，見圖4。微分曲線圖可以大致反映硬化漿體的孔徑分布，而不同孔徑的分布含量大小，對水泥基材料的收縮有著直接的影響。

圖3 孔徑和累積進汞量的關(guān)系曲線

圖4 微分孔徑分布曲線圖

有研究顯示，混凝土的干燥收縮主要由毛細管作用引起，而毛細管作用與內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?？装霃皆叫?，毛細管作用引起的干燥收縮越大，特別是半徑在1.25～25 nm的毛細孔對干燥收縮起決定性作用。另有研究指出：引起收縮的孔徑范圍為5～100 nm，因處在該孔徑范圍內(nèi)的毛細孔、凝膠孔或凝膠間孔失去毛細孔水或吸附水時，可導(dǎo)致系統(tǒng)收縮。有研究指出水泥基材料中起收縮作用的孔徑范圍為2.5～50 nm?；谝陨涎芯?、分析，將孔徑劃分為五個階段，具體見表2。

由圖4可知，和基準試件相比，兩種膨脹劑的加入并未改變最可幾孔徑，均在40～50 nm之間，但對大于100 nm的孔徑容積，A型膨脹劑試件最大。圖3和圖4中顯示結(jié)果基本和表2中數(shù)據(jù)吻合：即摻A型膨脹劑的試樣，其孔隙率最大，為16.54%；孔徑大于100 nm的體積含量最大，為54.82%。

表2 孔隙率及孔徑分布

基于表2中數(shù)據(jù)和圖2，分析孔徑分布和干燥收縮之間的關(guān)系?；谟绊懜稍锸湛s的孔徑范圍（1.25～25 nm或2.5～50 nm或5～100 nm），可知，在三個孔徑區(qū)間段中，其體積含量均呈現(xiàn)一致的規(guī)律：B＞JZ＞A。從而說明，干燥收縮階段，摻A型膨脹劑的砂漿試件的收縮率最小，摻B型膨脹劑的收縮率最大，基準試件介于兩者之間，與圖2結(jié)果高度吻合。

3.4 顯微結(jié)構(gòu)分析

分析砂漿試樣的顯微形貌圖（圖略）可知，對基準試樣a），水化產(chǎn)物中存在少量零散分布的桿狀鈣礬石；而在含有膨脹劑的試樣b）和c）中，水化產(chǎn)物中存在大量的鈣礬石，甚至呈現(xiàn)“簇狀”，其中，含B型膨脹劑的試樣中鈣礬石含量明顯大于含A型膨脹劑試件，說明在相同齡期內(nèi)，B型膨脹劑的膨脹效果優(yōu)于A型膨脹劑，一定程度上佐證了自收縮階段結(jié)果。另外，由圖b）和c）中，可以看出，B膨脹劑形成了短柱狀的鈣礬石，而A膨脹劑則形成了針狀的鈣礬石，構(gòu)成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水化硅酸鈣填充其間，這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石，約束了早期自生收縮變形和抑制了干燥收縮變形，并可以作為砂漿基體的自生成增強纖維，更利于補償早期自生收縮變形和干燥收縮變形。

4 結(jié)論

1）基于分析自生收縮和干燥收縮結(jié)果，可知B型膨脹劑的摻入促使砂漿的膨脹和收縮性能之間的落差大于A型膨脹劑，其中，自生收縮階段，B型膨脹劑的膨脹效果較優(yōu)；而在干燥收縮階段，A型膨脹劑的抗收縮效果較優(yōu)。

2）A型膨脹劑的總孔隙率最大，B型膨脹劑和基準試件總孔隙率相差不大；2.5～50 nm范圍內(nèi)的孔徑嚴重影響著干燥收縮，A型膨脹劑在該范圍孔徑內(nèi)含量最小，其干燥收縮應(yīng)變最小。

3）顯微結(jié)構(gòu)分析中，含膨脹劑的試件中存在大量的桿狀鈣礬石，甚至呈現(xiàn)“簇狀”，B型膨脹劑試件中鈣礬石較多，這在一定程度上佐證了自收縮階段結(jié)果；鈣礬石的結(jié)構(gòu)對早期自生收縮和干燥收縮的抑制效果均有影響，尤其對干燥收縮階段影響顯著，鈣礬石的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更利于抑制收縮。

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2017-01-10