孫賀，劉貴雙，盧傳泰，陳威威，張展鵬，張如娜，衡永生，王童，李宇洋

（1. 徐州鑄建建材科技有限公司，江蘇 徐州 221300；2. 江蘇誠意工程技術研究院有限公司，江蘇 徐州 221300）

0 前言

混凝土是使用最廣泛的建筑材料，穩(wěn)居世界建筑材料產(chǎn)量首位[1]。全世界每年混凝土用量不斷增長，紛繁復雜的現(xiàn)代建筑對混凝土的性能提出更高的要求。裂縫是混凝土材料常出現(xiàn)的問題，是混凝土工程最應消除的病害之一，不利于混凝土的力學性能和耐久性能[2]，且不美觀。宏觀裂縫的形成來自微裂紋的連通和貫穿，而裂紋主要是由混凝土收縮引起的[3-4]。

混凝土早期收縮主要包括化學收縮、自收縮、干燥收縮和溫度收縮。化學收縮是由于水泥水化產(chǎn)物總體積小于反應物總體積引起的，自收縮是由水泥水化消耗毛細孔中水分而引起的附加壓力造成的，干燥收縮是由于毛細孔中水分蒸發(fā)離開體系而引起的附加壓力造成的，溫度收縮是由水化放熱使混凝土升溫后逐漸恢復到環(huán)境溫度的過程中溫度變化引起的[5]。此外，水化放熱引起混凝土早期內部溫度梯度產(chǎn)生的內應力也會引起混凝土開裂[6]。隨著超高層建筑、大跨度建筑和結構復雜的建筑的發(fā)展進步，這些建筑工程對混凝土的工作性能提出更高要求，大流動度的混凝土用量逐年增大。大流動性混凝土具有漿體體積大、膠凝材料用量大的特點，因此其收縮開裂問題較嚴重[7]，28d 內的收縮明顯且表面常產(chǎn)生大量裂縫。

現(xiàn)有的減縮抗裂方法主要從結構設計、施工養(yǎng)護和材料方面來提出。結構設計、施工及養(yǎng)護方面主要包括合理安排施工順序、覆膜養(yǎng)護、預埋冷卻水管及鋼筋網(wǎng)片等。材料方面主要包括使用中低熱水泥，摻加活性混合材、合適的外加劑和纖維材料等[4,8]。設計、施工和養(yǎng)護方面的方法已成為各類標準中規(guī)定操作，但這些方法在實際工程中取得的減縮抗裂效果尚不足夠[9]。材料方面的方法更加治本，減縮劑一般通過降低混凝土孔隙水表面張力來減小毛細孔失水引起的附加壓力，從而降低收縮；膨脹劑主要通過其水化體積膨脹來補償收縮；各類合成纖維主要通過增強增韌減小混凝土的形變[10]。然而，這些材料之間及其與膠凝材料間的適應性等問題，相關研究報道還較少。本文針對 C35 和 C45 的大流動性混凝土，初步探索了膨脹劑、減縮劑和合成纖維單獨使用及復配使用對混凝土早期形變情況和強度的影響并分析原因，旨在辨明這三種常用的減縮抗裂摻加物之間的適應性及其對混凝土早期形變及強度的影響，以指導工程實踐。

1 原材料與方法

1.1 原材料

試驗采用符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的 P·O42.5 水泥。試驗采用 ISO 標準砂，粒徑10～20mm 碎石。試驗所用減水劑為聚羧酸系減水劑（PCE），其固含量為 20%，液體減縮劑固含量為40%，粉體膨脹劑為硫鋁酸鈣型膨脹劑，合成纖維為聚乙烯纖維（長 50 mm），拌和用水為可飲用水。

1.2 配合比

按照表1 拌制混凝土。其中，C35-N 混凝土為未摻加任何 PCE 以外的外加劑的空白對照，C35-C 為復合摻加膨脹劑、減縮劑和聚乙烯纖維的混凝土。所有試樣按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》之方法拌制。拌制時控制各組混凝土坍落度均在 (220±10)mm 范圍內[1]。C35-系列的混凝土的水膠比均為 0.35，單位用水量均為 180kg/m3，骨膠比均為4.0，砂率均為 45.9%，粉煤灰摻量均為 20.0%。膨脹劑外摻膠凝材料質量的 6%，減縮劑內摻膠凝材料質量的2.5%，纖維摻量為每方混凝土 0.7 kg，C45 組的混凝土這三項摻量相同。

表1 C35 組混凝土配合比 kg/m3

按照表2 拌制混凝土。其中，C45-N 混凝土為未摻加任何 PCE 以外的外加劑的空白對照。所有試樣按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》之方法拌制，編號 C45-N 為空白對照組。拌制時同樣控制各組混凝土坍落度均在 (220±10)mm 范圍內。C45-系列的混凝土的水膠比均為 0.45，單位用水量均為 180kg/m3，骨膠比均為 4.5，砂率均為 42.9%，粉煤灰摻量均為 18.0%。

表2 C45 組混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

1.3.1 拌合成型

由于膨脹劑、減縮劑和纖維狀態(tài)不同，因此拌合過程與標準有區(qū)別，步驟根據(jù)前期大量預試驗確定。具體步驟如下：稱量拌合所需物料，再分別稱量水和減縮劑質量的 70%，混合均勻，剩余部分不混合；稱量膠凝材料質量 6% 的膨脹劑；按照 0.7kg/m3的摻量稱量設計方量混凝土相應的合成纖維；將膠凝材料、膨脹劑、纖維和砂等物料充分混合，之后加入石子拌合；分散均勻后將混合均勻的水和減縮劑緩慢加入攪拌裝置，攪拌約2min 后，同時緩慢加入剩下的水和減縮劑；充分拌合直到澆筑。

由于試驗墻長度大于 1m（墻體尺寸如圖1(a) 所示），因此隨后的澆筑、振實、成型和養(yǎng)護等步驟，根據(jù) GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》操作即可。

1.3.2 收縮

根據(jù)相關報道[11-12]，選取模擬測試中墻體應變梯度較大的位置布置應變計，如圖1(a) 所示。形變測試的混凝土試件尺寸為 10m×1.5m×0.2m（長×高×厚），應變計中心位置距離試件底部 45cm，距離頂部105cm，長和厚方向位于試件中央。在澆筑前，將應變計用細鋼絲綁扎固定至圖中的位置，如圖1(b) 所示。數(shù)據(jù)線緊貼底板的鋼筋中連接到結構外，通過數(shù)據(jù)采集器定期讀取數(shù)據(jù)，采集器中的數(shù)據(jù)通過 USB 傳輸至電腦。應變計為 VS-100 振弦式應變計，數(shù)據(jù)采集器為MCU-32 型分布式自動采集系統(tǒng)，采集間隔為 1h。

1.3.3 強度

混凝土強度按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》之規(guī)定進行試驗，測試蒸養(yǎng)混凝土 28d 的抗壓強度。

圖1 應變計布置示意圖(a) 及應變計綁扎 (b)

2 試驗結果

2.1 C35 混凝土

C35 組的混凝土在 28d 內的應變及 28d 抗壓強度分別如表3、圖2 和表4 所示。表3 所列為主要及有代表性的時刻的各試件應變值。相比空白組，復摻組混凝土約在 12d 達到最大形變?yōu)榕蛎?21μm/m，明顯小于單摻膨脹劑的混凝土最大形變，復摻組混凝土在 28d 收縮26μm/m，比空白對照降低了 87%，相較于單摻膨脹劑的混凝土亦降低 50%，同樣明顯小于其他組。復摻組混凝土抗壓強度比空白組略有提高，且高于其他組。

摻加膨脹劑的混凝土拌合后即開始膨脹，在約 4d達到最大膨脹量 86μm/m，隨著水化反應加速，混凝土體積迅速收縮，形變曲線平緩，隨后形變加速減小，在約 18d 時混凝土的收縮完全抵消膨脹劑帶來的膨脹量，之后混凝土繼續(xù)收縮，28d 收縮 53μm/m。另外幾組混凝土拌合后均為收縮狀態(tài)，從 C35-X 及 C35-J 組混凝土形變曲線可看出纖維對混凝土早期收縮的影響較小，而減縮劑在空白組收縮最快的前幾天，其補償收縮效果最明顯，而后效果逐漸減小，直到 28d 收縮量與摻纖維混凝土接近，但摻減縮劑對強度的不利影響較小。復摻組混凝土在約 9d 時達到最大膨脹 21μm/m，隨后整體表現(xiàn)為開始收縮，最大膨脹量相比單摻膨脹劑組降低了77%。C35-P 組混凝土的強度略高于空白組，與 C35-C組混凝土強度接近，這說明在該摻量條件下，即使是C35-P 最大膨脹量也還未達到對結構有破壞，不利于強度增長的形變量。C35-X 和 C35-C 組混凝土形變曲線相似，再對比 C35-P 組可知摻纖維對膨脹變形的限制有明顯效果，但對收縮的限制效果不明顯，這是由于聚乙烯纖維抗拉強度較高[13]，混凝土收縮時纖維只能通過提供額外的摩擦力而略微減小收縮量。

各組混凝土形變曲線在變化過程中存在小幅度的周期性波動，并且各組混凝土形變波動的方向一致，可知，這只是由于環(huán)境溫度變化引起的熱脹冷縮。環(huán)境溫度變化包括每天的晝夜溫度變化和短期同時段溫度的變化，從圖2 中均可看出，前者變化周期更短，后者周期約為 5d，這與戶外氣候有關，在進一步的試驗中可進行扣除。

表3 C35 組混凝土應變/m

表3 C35 組混凝土應變/m

齡期(d) C35-N C35-P C35-J C35-X C35-C 齡期(d) C35-N C35-P C35-J C35-X C35-C 1.39 43.3 -48.3 0.1 19.3 7.3 13.89 126.7 -33.1 38.6 52.1 -11.8 2.78 72.6 -79.1 5.2 31.1 9.8 15.28 134.5 -24.1 39.0 63.9 -5.6 4.17 88.7 -87.2 15.4 29.4 7.4 16.67 132.0 -8.6 46.7 71.9 1.7 4.75 89.7 -91.3 20.4 27.3 -1.6 18.06 138.5 1.0 63.7 81.2 2.7 5.56 88.7 -83.0 31.6 26.8 -5.6 19.44 159.0 -0.8 78.6 93.0 0.3 6.94 98.5 -83.5 53.2 27.4 -15.4 20.83 179.9 8.0 85.1 94.2 1.4 8.33 122.7 -82.8 54.3 29.0 -19.3 22.22 184.0 24.8 93.4 93.5 11.7 8.70 127.8 -79.6 50.9 28.7 -20.9 23.61 191.3 44.4 104.7 102.5 22.1 9.72 132.2 -67.1 45.3 27.4 -16.6 25.00 190.6 49.8 108.4 101.7 25.2 11.11 119.4 -48.6 41.6 26.4 -18.1 26.39 191.8 52.0 108.7 102.9 24.3 12.50 119.2 -37.1 42.0 37.6 -16.1 28.00 196.3 52.8 109.1 108.3 26.0

圖2 C35 組混凝土 28d 內應變曲線

表4 C35 組混凝土的強度及應變測試結果

2.2 C45 混凝土

C45 組的混凝土在 28d 內的應變及 28d 抗壓強度分別如圖3 和表6 所示。與圖3 相對應地，主要及有代表性的時刻的各試件應變值羅列于表5。相比空白組，復摻組混凝土在約 10d 達到最大形變?yōu)榕蛎?17μm/m，小于單摻膨脹劑的混凝土，復摻組混凝土的 28d 收縮23μm/m，遠小于其他組。此外復摻組混凝土抗壓強度降低約 3%，影響較小。

摻加膨脹劑的混凝土拌合后開始膨脹，約 7d 達到最大膨脹量 81μm/m，隨后的變化規(guī)律與 C35 組混凝土較為一致，但整體滯后于 C35 組混凝土，在約 22d 時混凝土的收縮完全抵消膨脹劑帶來的膨脹量，之后混凝土繼續(xù)收縮，28d 收縮 34μm/m。C45-J 組混凝土拌合后有所膨脹，推測是水化溫升引起的溫度膨脹，而減縮劑通過降低毛細孔水表面張力從而減小了干燥收縮和自收縮，因此 4d 內混凝土略有膨脹。另外幾組混凝土拌合后均為收縮狀態(tài)，對比 C45-X 和 C45-J 組混凝土形變曲線，纖維具有增韌效果，但對混凝土收縮的影響較小[13-14]，并且與 C35 組混凝土表現(xiàn)出同樣的特點：減縮劑的補償收縮效果主要表現(xiàn)在 7d 以內，而 28d 時的收縮量與摻纖維組接近，但對強度的不利影響小于后者。C45-C 在約 9d 時達到最大膨脹 17μm/m，相比 C45-P 組混凝土的最大膨脹量減小了 79%，這與 C35 組混凝土的情況相似，這是因為纖維摻量只與混凝土體積有關，因而兩個配合比的混凝土中纖維對膨脹劑的膨脹量限制能力較接近。C45-P 組混凝土最大膨脹量也還未達到對結構產(chǎn)生破壞，最大膨脹量小于 C35-P 混凝土且與空白組的強度比亦略有升高，這是由于膨脹劑摻量與膠凝材料有關，因而高水膠比的混凝土膨脹劑效果更不明顯。

從圖3 中仍可觀察到各組混凝土應變曲線的小幅度周期性波動，且變化的大小周期及時間與 C35 組混凝土這種變化的大小周期和時間基本一致，這說明該變化確實并非混凝土的配合比引起的，而是環(huán)境變化引起。

表5 C45 組混凝土應變/m

表5 C45 組混凝土應變/m

齡期(d) C45-N C45-P C45-J C45-X C45-C 齡期(d) C45-N C45-P C45-J C45-X C45-C 1.39 40.0 -40.2 -4.2 14.6 6.2 13.89 120.2 -39.8 23.3 52.8 8.7 2.78 67.6 -66.3 -3.4 23.8 8.3 15.28 122.6 -33.7 23.1 63.5 12.9 4.17 84.8 -79.9 2.5 22.6 6.3 16.67 120.8 -20.8 28.4 70.2 17.7 4.26 85.2 -80.7 3.5 22.3 5.3 18.06 124.2 -11.6 41.2 77.6 18.7 5.56 86.4 -82.4 14.8 22.0 -4.7 19.44 134.4 -12.4 52.4 87.5 16.9 6.94 97.3 -79.6 31.8 23.4 -13.1 20.83 146.5 -5.4 57.6 89.2 17.6 8.33 121.9 -76.5 33.3 26.5 -16.4 22.22 149.2 7.8 64.2 89.1 24.2 8.70 126.9 -74.4 30.9 26.6 -17.1 23.61 151.3 23.1 73.2 96.9 31.2 9.72 130.7 -65.1 27.4 26.7 -13.4 25.00 151.8 28.2 76.0 96.2 33.8 11.11 123.2 -50.2 25.5 27.7 -2.5 26.39 153.1 31.3 76.1 97.1 33.6 12.50 119.9 -41.6 25.9 38.9 5.5 28.00 157.7 34.3 77.0 101.8 23.5

圖3 C45 組混凝土 28d 內應變曲線

表6 C45 組混凝土的強度及應變測試結果

3 結論

復摻膨脹劑、減縮劑和纖維的混凝土 28d 形變量相比空白組明顯減小，14d 內略有膨脹，全過程形變明顯小于普通方法拌制的混凝土。膨脹劑的摻加能使混凝土 7d 內明顯膨脹并達到最大膨脹量，但其引起的膨脹并未達到對強度不利的程度，且高水膠比的體系達到最大膨脹量較慢。聚乙烯纖維表面粗糙，在混凝土中充分混合后，與混凝土的界面強度較高，能在硬化混凝土中限制漿體的形變，對膨脹劑引起的膨脹有明顯的限制效果，延遲減縮劑、補償收縮的效果相對有限。減縮劑能明顯減小混凝土 28d 內的收縮，并在水化早期造成一定程度的膨脹。此外，復摻膨脹劑、減縮劑和合成纖維使新拌混凝土早期強度有所提高。

綜上所述，對于本文中所配制的混凝土，復摻膨脹劑、減縮劑和合成纖維可明顯減小混凝土的早期收縮和最大形變，且效果明顯優(yōu)于單摻，對混凝土的 28d 抗壓強度無不良影響。