不同颗粒粒径区间膨胀剂膨胀性能、膨胀速率的研究

　　摘要：本文针对两种不同颗粒粒径范围的膨胀剂，进行膨胀性能、膨胀速率的研究。依据膨胀性能、膨胀速率与膨胀剂颗粒粒径范围的相关关系，确定膨胀剂的最佳颗粒粒径区间，以指导混凝土膨胀剂在实际生产过程中的工艺。

　　关键词：颗粒粒径；膨胀剂；膨胀性能；膨胀速率

　　引言

　　由于胶凝材料的水化反应，实体结构内、外部温度及湿度的变化等综合因素的影响，混凝土在硬化及使用过程中会产生体积收缩。对于混凝土实体结构而言，收缩在受到基础、内部钢筋、强约束柱等约束限制时，产生收缩拉应力，一旦该收缩拉应力值超过了此时混凝土的极限抗裂强度，混凝土便会产生收缩开裂[1]。实际钢筋混凝土工程中，如大体积混凝土、超长无缝施工、工程接缝填充等，在混凝土中掺入一定量的膨胀剂补偿混凝土收缩，甚至形成一定的预压应力来控制混凝土裂缝的做法已得到普遍应用[2,3]。影响膨胀剂的质量除了膨胀熟料自身性能外，膨胀剂的颗粒组成也是一个很重要的因素，国内外学者对不同膨胀源及混磨工艺配置的膨胀剂颗粒粒径组成进行了大量的试验及理论研究，其得出的合理颗粒粒径组成也各不相同，但其研究对象主要集中在传统的铝酸盐-硅酸盐[4]、氧化钙、硫铝酸钙型[5,6]及以铝酸钙熟料和硬石膏为主要成分的膨胀剂[7,8]，而对于以硫铝酸钙-氧化钙双膨胀源的高性能膨胀剂的合理颗粒粒径组成研究较少。因此本文将对以两种粒径的硫铝酸钙-氧化钙双膨胀源的高性能膨胀剂进行一定的试验研究。

　　1试验部分

　　1.1原材料

　　水泥：混凝土试验采用华新P·O42.5水泥；胶砂试验采用基准水泥。

　　膨胀剂：选用武汉三源特种建材有限责任公司生产的两种不同粒径组成的高性能膨胀剂，采用同一种熟料粉磨出的a样和b样，其中a样为未经过颗粒调配的生产样，b样为经过工艺调整后得到的合理颗粒粒径组成的生产样。

　　砂：湖北巴河生产，细度模数2.7。

　　石子：湖北乌龙泉生产，连续级配5~31.5mm。

　　减水剂：华烁HSPC－8A高性能聚羧酸系减水剂。

　　粉煤灰：湖北青山电力实业公司生产，Ⅰ级粉煤灰。水泥及膨胀剂的化学分析表见表1。

　　1.2粒径分析试验

　　采用激光粒度仪对a、b两种颗粒粒径组成的样品进行粒度分析。

　　1.3胶砂试验

　　依据GB23439—2009《混凝土膨胀剂》中提供的材料配比及检测方法进行胶砂试验，a、b两种膨胀剂掺量均为内掺10%。

　　1.4混凝土试验

　　采用C35混凝土进行膨胀率及强度的成型，坍落度控制（180±20）mm，养护和测试按GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，a、b两种膨胀剂样品掺量均为内掺10%。空白组C35混凝土配合比见表2。

　　1.5膨胀速率试验

　　将掺有a、b两种颗粒组成的膨胀剂分别搅拌完成后，直接放入带有限制膨胀杆的钢模内，采用NEL-NES型混凝土收缩变形测定仪非接触式探头从混凝土塑性期开始测试其膨胀变化，由膨胀率的变化确定两种膨胀剂的膨胀速率。

　　2试验结果及讨论

　　2.1粒度分析结果

　　a、b两种颗粒组成的膨胀剂粒度分析如图1所示，各区间段粒径的占比见表3，从图1及表3可以看出，a样品中0～45μm颗粒占比70.8%，b样品仅占16.73%，且其颗粒区间主要集中在45~150μm区间段内，占比77.62%，a样该区间段占比仅为28.44%。从粒径分析结果表明b样颗粒组成更满足文献[7]、[8]中提到的“中间大、两头小”的结论，其膨胀性能更优。

　　2.2粒径区间对胶砂限制膨胀率的影响

　　胶砂限制膨胀率随龄期变化关系如图2所示，从图2可以看出，同种条件下，a样膨胀剂膨胀率明显要高于b样膨胀剂，在水养条件下，b样膨胀剂7天膨胀率在15以上。因此，合理的颗粒调配能够有效地提高膨胀剂的膨胀率，通过调配膨胀剂中颗粒级配可以满足补偿收缩混凝土对不同大小膨胀率的要求。同时，在膨胀率一定的条件下，可以实现降低膨胀剂掺量，节约资源成本的效果。

　　2.3粒径区间对混凝土性能的影响

　　2.3.1粒径区间对混凝土施工性能的影响按照表1施工配合比，通过a、b两种不同粒径组成的膨胀剂，其混凝土的施工性能影响结果见表4。从表4可以看出，相同条件下，与空白组相比较，掺b样膨胀剂混凝土的各项施工性能与空白组基本接近，掺a样膨胀剂混凝土的扩展度及坍落度有轻微降低，同时坍落度损失也较空白组大，凝结时间提前。说明经过合理颗粒粒径搭配的膨胀剂能够实现对混凝土的各项施工性能无较大影响。

　　2.3.2粒径区间对混凝土膨胀率及强度的影响混凝土限制膨胀率及强度随龄期变化关系如图3、图4所示，b样膨胀率明显要高于a样膨胀率，14d膨胀率在4.2×10-4左右。同时，强度均高于设计强度等级要求。其主要是由于b样膨胀剂对45μm以下的颗粒占比降低，而提高了45～150μm有效膨胀的颗粒区间，从而能够有效地减少膨胀剂在塑性期的损失[6]，提高膨胀剂的有效膨胀能。

　　2.4粒径区间对膨胀速率的影响

　　两种膨胀剂从混凝土成型至膨胀开始期间的膨胀率随时间的变化关系如图5所示，从图5可以看出，a样的膨胀速率明显要快于b样，且膨胀主要集中在7～30h内，而b样膨胀速率在早期反应较慢，而后逐步加快，膨胀周期较长，从7h开始膨胀到50h内，其膨胀能逐渐释放出来，从而能减少由于早期混凝土仍在塑性阶段而损失掉部分的膨胀能，能够有效地将膨胀剂的膨胀能用于补偿混凝土的各项收缩，达到对混凝土抗裂防渗的效果。

　　结论（1）膨胀性能更好的颗粒粒径组成应满足“两头小、中间大”的特点。

　　（2）通过调整工艺生产的合理粒径区间膨胀剂其各项性能均要优于普通的生产样，且掺该膨胀剂的混凝土各项性能均较好。

　　（3）经工艺调整生产的合理粒径区间的膨胀剂能有效提高膨胀剂的膨胀能，可实现低掺量，达到节约资源的目的。

　　参考文献：

　　[1]吴中伟.补偿收缩混凝土[M].北京:建筑工业出版社,1979:1-4.

　　[2]刘德春,熊小丽.新型双膨胀源膨胀剂的研究[J].新型建筑材料,2011(6):5-8.

　　[3]李明霞,侯维红.双膨胀源膨胀剂在工程中的应用研究[J].膨胀剂及膨胀混凝土,2015(1):13-16+24.

　　[4]质量监督检验检疫总局.混凝土膨胀剂:GB23439—2009[S].北京:标准出版社,2009.

　　[5]赵顺增.氧化钙-硫铝酸钙双膨胀源膨胀剂的性能研究及应用[C].深圳:“第三届全国特种混凝土技术及首届全国沥青混凝土技术”学术交流会论文集.2012.

　　[6]王栋民,龙俊余.颗粒级配对膨胀剂性能的影响[J].膨胀剂及膨胀混凝土,2008(2):33-35.

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