外摻劑對超高性能接縫修復(fù)混凝土性能的影響研究

作者簡介：陳禮婧（1987—），碩士，副教授，主要從事建筑材料、施工技術(shù)研究工作。

摘要：為提升橋梁加固用接縫混凝土的性能，文章研究配制一種超高性能接縫修復(fù)混凝土，并探討減縮劑和膨脹劑對混凝土性能的影響。結(jié)果表明：減縮劑為1%時，混凝土漿體流動性最差，隨著減縮劑摻量增加，混凝土強(qiáng)度和自收縮變形減小，當(dāng)減縮劑摻量為0.5%時，能夠有效降低混凝土的干燥收縮；隨著膨脹劑摻量增加，混凝土的流動度、抗折強(qiáng)度、自收縮變形、干燥收縮變形逐漸減小，當(dāng)膨脹劑摻量為10%時，抗壓強(qiáng)度最大；復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時，能夠進(jìn)一步降低混凝土的收縮變形，同時維持流動度和強(qiáng)度。綜合比較認(rèn)為，采用2%減縮劑+10%膨脹劑的復(fù)摻方式時，混凝土的綜合性能最佳。

關(guān)鍵詞：超高性能接縫修復(fù)混凝土；減縮劑；膨脹劑；流動度；強(qiáng)度；收縮變形

中圖分類號：U445.7⁺2

0 引言

公路橋梁中出現(xiàn)空心板鉸縫病害、預(yù)制 T 梁及小箱梁橫向接縫開裂病害等現(xiàn)象十分普遍，每年都需要花費(fèi)很大的代價對這類公路橋梁進(jìn)行維修與加固。但是現(xiàn)有橋梁接縫加固維修方法仍然存在著效率低下、性能較差、施工難度大和耐久性能差等問題，因此有必要尋找一種強(qiáng)度高、耐久性好、韌性強(qiáng)和收縮變形小的超高性能接縫修復(fù)混凝土來替代原有的維修加固方法^［1-2］。

通常，橋梁接縫修復(fù)材料可劃分為無機(jī)類、有機(jī)類、纖維改性類和聚合物改性類等多種類型。其中有機(jī)類修復(fù)材料操作簡單，材料容易獲取，修復(fù)成本低，因而在橋梁維修加固中廣泛采用^［3］。我國對于橋梁接縫維修加固，一般是采用比基體強(qiáng)度稍高的混凝土進(jìn)行維修加固，但是逐漸暴露出一些問題：易產(chǎn)生收縮開裂、新舊面粘結(jié)力不夠、養(yǎng)護(hù)時間較長等。針對現(xiàn)有橋梁接縫維修加固施工要求，一是要求混凝土具備良好的流動性；二是要求混凝土的收縮變形小；三是要求具備良好的強(qiáng)度和耐久性，四是要求總體的經(jīng)濟(jì)性，有必要設(shè)計一種各方面性能均較優(yōu)的高性能接縫修復(fù)混凝土^［4-5］。

本文使用水泥、硅灰、粉煤灰、石英粉、減水劑、減縮劑和膨脹劑等原材料配制了一種超高性能接縫修復(fù)混凝土^［6-7］，重點(diǎn)探討了減縮劑和膨脹劑對該類混凝土性能的影響，以期能為橋梁接縫維修加固設(shè)計、施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

在本次試驗(yàn)中，超高性能接縫修復(fù)混凝土的主要原材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、硅灰（粒徑＜1 μm）、I 級粉煤灰、石英粉（325目，密度2.645 g/cm³，平均粒徑為50.5 μm）、石英砂（20～40目，粒徑為0.55～0.9 mm，含水率為1.5%）、減水劑（聚羧酸系高效減水劑，堆積密度為580 g/L，減水率>30%，含固量為40%）、BHY-2A減縮劑（減縮率為50%～80%）、HCSA 膨脹劑［主要成分為CaO（占比50.6%）和SO₃（占比27.5%）］。

1.2 配合比方案設(shè)計

本次試驗(yàn)中，超高性能接縫混凝土的水膠比定為0.2，基礎(chǔ)材料的用量比值為水泥∶粉煤灰∶硅灰∶石英砂∶石英粉=1∶0.10∶0.25∶1.1∶0.25，減水劑摻量均為2%。試驗(yàn)共設(shè)計單摻減縮劑、單摻膨脹劑和復(fù)摻減縮劑+膨脹劑三組，減縮劑和膨脹劑均采用外摻方式，單摻減縮劑摻量分別為0、0.5%、1%和2%，單摻膨脹劑的摻量分別為0、8%、10%、12%，復(fù)摻減縮劑+膨脹劑的摻量分別為1%+8%、1%+10%、2%+8%和2%+10%。試驗(yàn)配合比設(shè)計情況見表1。

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

（1）按照試驗(yàn)配合比稱取相應(yīng)重量的用料；（2）將攪拌鍋預(yù)先潤濕后擦干表面，依次加入水泥、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、減水劑、減縮劑和膨脹劑等原材料，干拌120 s；（3）向攪拌機(jī)中摻入對應(yīng)重量的水，先慢攪240 s，再快攪240 s；（4）將攪拌好的拌和料倒入鋼膜中，蓋上塑料薄膜后自然養(yǎng)護(hù)1 d拆模；（5）將試件進(jìn)行編號，然后在溫度為 20±2 ℃，濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d；（6）對于進(jìn)行干縮試驗(yàn)的試件，先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，然后移入干縮養(yǎng)護(hù)箱［溫度為（20±2 ℃），相對濕度為（60±5）%］中養(yǎng)護(hù)對應(yīng)的時間；（7）取出試件進(jìn)行對應(yīng)性能測試。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)主要對混凝土的流動度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、自收縮和干燥收縮性能進(jìn)行測試。

外摻劑對超高性能接縫修復(fù)混凝土性能的影響研究/陳禮婧

2 對工作性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的流動度測試結(jié)果見圖1。從圖1中可知：單摻減縮劑情況下，混凝土的初始流動度（0 min）和經(jīng)過30 min后的流動度均隨減縮劑摻量的增加呈先減小后增大的變化特征。當(dāng)減縮劑摻量為1%時，流動度最低，分別僅為249 mm和237 mm。這可能是由于減縮劑中的某些化學(xué)成分對減水劑的效果有一定的抑制作用，因此一開始會降低混凝土流動度。但是由于減縮劑為液體，混凝土中自由水增加，因此當(dāng)摻量超過一定量后，流動度又會逐漸增加。摻入0.5%、1%和2%的減縮劑后，混凝土在30 min內(nèi)的流動度損失分別為13 mm、12 mm和10 mm，而不摻入外加劑時損失為23 mm，表明摻入減縮劑可大幅降低流動度的短期損失，且減縮劑摻量越高，損失越小。這是因?yàn)閾饺霚p縮劑降低了混凝土中孔溶液的蒸發(fā)速度，同時也會抑制一部分水泥發(fā)生水化反應(yīng)，從而減小流動度的損失。

單摻膨脹劑情況下，混凝土的初始流動度（0 min）和經(jīng)過30 min后的流動度均隨膨脹劑摻量的增加而逐漸減小。這是因?yàn)镠CSA膨脹劑有兩種膨脹源，在水化反應(yīng)初期可參與水化反應(yīng)，消耗掉大量水分，產(chǎn)生水化產(chǎn)物，從而導(dǎo)致流動度減小。摻入8%、10%和12%膨脹劑后，混凝土在30 min內(nèi)的流動度損失分別為25 mm、28 mm和29 mm，流動度損失量隨著膨脹劑摻量增加而逐漸增大。膨脹劑摻量越高，消耗的水分越多，流動度損失也越大。

復(fù)摻減縮劑+膨脹劑情況下，摻入1%或者2%的減縮劑時，膨脹劑摻量越高，流動度相較而言更大；當(dāng)摻入8%或者10%的膨脹劑時，減縮劑摻量越高，流動度相較而言也越高，但相差不大，這說明減縮劑和膨脹劑兩者具有很好的協(xié)同作用。4組復(fù)摻試驗(yàn)組混凝土在30 min內(nèi)的流動度損失分別為18 mm、17 mm、16 mm和16 mm，由此可見，復(fù)摻外摻劑時，流動度損失介于單摻減縮劑和單摻膨脹劑之間，且相比不摻入外摻劑時，均有不同程度降低。

3 對力學(xué)性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的力學(xué)性能測試結(jié)果見圖2。從圖2中可知：單摻減縮劑或者膨脹劑時，混凝土抗折強(qiáng)度均呈逐漸降低的變化特征。單摻減縮劑時，抗壓強(qiáng)度逐漸減小；單摻膨脹劑時，抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，且當(dāng)膨脹劑摻量為10%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時，減縮劑摻量一定，膨脹劑摻量對混凝土強(qiáng)度的影響較小，當(dāng)膨脹劑摻量一定，增加減縮劑時，強(qiáng)度降低，這表明減縮劑是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。這主要是因?yàn)闇p縮劑對水泥水化反應(yīng)具有延緩作用和引氣作用，不僅減少了水化產(chǎn)物的產(chǎn)生量，而且還帶來了較多的孔隙結(jié)構(gòu)，因而會導(dǎo)致強(qiáng)度降低，摻入適量的膨脹劑有助于混凝土強(qiáng)度發(fā)展，彌補(bǔ)減縮劑帶來的影響。由于混凝土水膠比本身較低，很難在早期獲得充足的水分進(jìn)行膨脹，而減縮劑可以降低混凝土的孔隙溶液的蒸發(fā)速度，從而保留一部分水分充當(dāng)膨脹源，因此復(fù)摻減縮劑和膨脹劑能夠起到相互輔助的作用，從而確保混凝土具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度。

4 對自收縮性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的自收縮性能測試結(jié)果見下頁圖3。從圖3中可知：混凝土的自收縮變形隨著減縮劑和膨脹劑摻量的增加而逐漸減低。摻入0.5%、1%和2%減縮劑試驗(yàn)組的自收縮變形相比對照試驗(yàn)組分別降低47.1%、55.6%和67.6%，摻入8%、10%和12%膨脹劑試驗(yàn)組的自收縮變形相比對照試驗(yàn)組分別降低43.1%、50.2%和64.4%，說明減縮劑和膨脹劑均能降低混凝土的自收縮變形。這是因?yàn)闇p縮劑一方面可以減小混凝土毛細(xì)孔溶液的表面張力，毛細(xì)管中因水化反應(yīng)的附加應(yīng)力也逐漸減小，進(jìn)而減小自收縮變形；另一方面減縮劑具有一定的微膨脹作用，可以補(bǔ)償一部分自收縮變形。膨脹劑參與水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石晶體具有膨脹作用，可以填充和堵塞毛細(xì)孔隙，降低混凝土中有害孔的數(shù)量，因而可以降低自收縮變形。當(dāng)復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時，由于兩者的協(xié)同作用，混凝土的自收縮變形進(jìn)一步降低，當(dāng)減縮劑2%+膨脹劑10%時，自收縮變形僅為470×10^-6，相比對照試驗(yàn)組降低79.1%。

5 對干燥收縮性能的影響

不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的干燥收縮性能測試結(jié)果見圖4。從圖4中可知：隨著時間的增加，混凝土的減縮率在短期內(nèi)（0～28 d）呈快速增長，當(dāng)超過28 d后，減縮率逐漸達(dá)到穩(wěn)定，某些試件甚至略有減小。對于單摻減縮劑的試驗(yàn)組，摻入0.5%減縮劑的收縮率最小，其次為1%摻量試驗(yàn)組，摻入2%的減縮劑時，收縮率甚至超過了對照試驗(yàn)組。摻入減縮劑雖然可以減小孔隙溶液的表面張力，從而降低自干燥引起的收縮應(yīng)力，但當(dāng)摻量過高時，會延緩水化反應(yīng)進(jìn)程，導(dǎo)致沒有充足的水化產(chǎn)物填充混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而不利于抵抗自收縮應(yīng)力。這表現(xiàn)出對干燥收縮的促進(jìn)作用大于抑制作用，因此收縮率反而更高。對于單摻膨脹劑的試驗(yàn)組，相比對照試驗(yàn)組，收縮率有較大幅度的降低，且膨脹劑摻量越高，收縮率越小。然而，10%摻量和12%摻量下的收縮率相差不大，因此，單摻膨脹劑的最佳摻量為10%。對于復(fù)摻減縮劑和膨脹劑的試驗(yàn)組，56 d后的收縮率相差不大，與單摻10%或者12%膨脹劑試驗(yàn)組的收縮率相當(dāng)。

6 結(jié)語

（1）單獨(dú)摻入減縮劑對混凝土的流動性和強(qiáng)度不利，但能明顯降低混凝土的自收縮變形。摻入適量減縮劑，有助于降低混凝土的干燥收縮，但是摻量過多時，對干燥收縮的促進(jìn)作用大于抑制作用，干燥收縮變形反而增大。

（2）單獨(dú)摻入膨脹劑也不利于混凝土的流動性，但摻量為10%時，抗壓強(qiáng)度最高，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土的收縮變形逐漸降低。

（3）復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時，能夠進(jìn)一步降低混凝土的收縮變形，同時維持較好的流動性和力學(xué)強(qiáng)度。通過對各指標(biāo)的對比，得出復(fù)摻2%減縮劑+10%膨脹劑的組合為最佳方案。

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收稿日期：2023-04-16