UEA补偿收缩混凝土的性能及应用.docx
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UEA补偿收缩混凝土的性能及应用
.
UEA补偿收缩混凝土的性能及应用
一、前言
普通混凝土是用途极广的建筑材料。
由于它的极限延伸率较低，在干缩、徐变、温度等作用下易引起开裂，导致混凝土工程渗漏、钢筋锈蚀，影响使用功能和使用寿
命。
为此，国内外工程界在材料、设计和施工等方面进行了许多研究工作。
在材料方面国内外学者一致认为：
采用膨胀剂或膨胀水泥配制的补偿收缩混凝土，代替普通混凝土是较理想的材料。
水泥石水化硬化过程中产生的体积膨胀，在钢筋等限制条件下，补偿收缩混凝土可产生0.2～0.7MPa预压应力（即自应力），能抵消或部分抵消由混凝土干缩、徐变、温度等引起的拉应力，从而提高混凝土工程的抗裂性能。
由于钙矾石填孔作用，使水泥石中的大孔变小，总孔隙率减小，从而改善了混凝土的孔结构，提高了混凝土的抗渗性能。
中国建材研究院是中国膨胀水泥、膨胀剂、膨胀砼研究的发祥地，对补偿收缩砼、自应力砼的研究与应用已有近四十年的历史，在这一领域处国际领先地位。
采用膨胀水泥配制补偿收缩混凝土，因价格、运输和供应等因素的影响，广泛推广应用受到一定限制。
为了适应程的需要，我院在以往研究膨胀水泥的基础上，研究成功了U型混凝土膨胀剂（简称UEA）。
申请了国家发明专利。
1988年，“U型混凝土膨胀剂的研制和应用技术”通过了部级鉴定，建设部、国家建材局把UEA列为1993年全国建筑防水新材料推广项目【（93）建科字第014号】。
建设部制订了UEA补偿收缩混凝土防水工法"（YJGF.2292）。
1994年UEA—M多功能高效混凝土膨胀剂、1996年低碱UEA膨胀剂通过部级鉴定，并被列为国家级新产品，2003年新型高效硫铝酸钙混凝土膨胀剂通过省部级鉴定。
目前，UEA有30多个工厂生产，是国内产量最大、应用最广的混凝土膨胀剂，产品主要销往国内，1991年，1992年，“U型混凝土膨胀剂的研制和应用技术"分别获得国家建材局、国家科委科学技术进步二等奖。
膨胀剂是从膨胀水泥中派生出来的混凝土外加剂，由于它应用方便、灵活、用其配制的补偿收缩混凝土和其它混凝土成本低，具有广泛的应用前景。
这些优点已被全国各地千余项，及国外一些重要工程所证实，表明了它的优异性和良好的经济与社会效益。
二、UEA补偿收缩混凝土性能
（一）混凝土硬化前性质
1.塌落度及塌落度损失
图2-l是相同水灰比条件下混凝土中UEA掺量与其塌落度的关系曲线。
当UEA的掺量在8%以下时，塌落度基本上无变化，掺量大于8%以后，随掺量增加，塌落度也有一定程度的增加，表明UEA有一定减水作用。
.
图2-2是UEA混凝土与普通混凝土塌落度损失的对比曲线。
掺有UEA膨胀剂的混凝土的塌落度损失较普通混凝土稍大。
在施工中远距离运输时，应考虑UEA混凝土塌落度损失问题。
2.含气量和泌水性
从表2-1结果可知，加入UEA后，含气量减小，泌水性降低。
表2-1含气量和泌水性
UEA掺量（%）
混凝土配比
水灰比W/C
含气量（绝对值）（%）
泌水性（%）
0
10
12
1：
1.85：
3.13
0.51
2.15
1.60
1.85
1.03
不泌水
不泌水
3.混凝土拌合物的凝结时间
用贯入阻力法测定了UEA混凝土凝结曲线。
由图2-3可得出，未掺UEA的普通混凝土初、终凝时间分别为5：
00和7：
00，掺12％UEA的混凝土为4：
25和6：
25。
混凝土的凝结时间缩短了。
但是这种提前非常有限，不会影响施工。
掺入10%UEA的混凝土初，终凝时间分别为5：
10和l7：
15，与未掺UEA的普通混凝土相似。
总的
.
来说，掺UEA后，混凝上凝固前的性质与普通混凝上差不多。
所不同的是凝结时间稍短一些，塌落度损失稍快些.如果是远距离运输混凝土拌合物。
可在其中适当地加入缓
凝型减水剂，以改变混凝土的流变性能，适应施工要求。
（二）混凝土硬化后性质
1.限制膨胀率及影响因素
补偿收缩混凝土的限制膨胀率是这种混凝土最重要的性能，它的大小及收缩落差直接影响到工程的抗裂程度，是抗裂防渗的重要指标，合理的限制膨胀率为1.27～4.0×104，亦即自应力值为0.2～0.8MPa。
保证足够大的限制膨胀率是确保工程不裂不渗的前提。
（1）混凝土膨胀性能与UEA掺量的关系
图2-4表明，随着UEA掺量的增加，UEA混凝土的限制膨胀率亦增大。
UEA掺量8-14%时，膨胀率为2-4×10-4，自应力值为0.3～0.8MPa。
限制膨胀率试验是用10×10×30cm试件，中间放入Φ10mm钢筋，配筋率0.79%
（2）水灰比对混凝土膨胀率的影响
水灰比是影响混凝土强度的重要因素，而强度与膨胀之间有密切关系。
因此水灰比对膨胀率也一定有影响.图2-5中曲线表明，水灰比小，膨胀率大。
如果水灰比过大，膨胀发生在混凝土的塑性阶段，膨胀能被消耗于填充水分等留下的孔隙和其它方向的变形上，有效变形减少。
.
（3）粗集料对混凝土膨胀率的影响
表2-2列出了卵石和碎石对混凝上膨胀率和自应力值的影响。
由于碎石的表面粗糙，粘结面积大，与水泥之间的胶合力高，所以膨胀率比卵石混凝土小。
表2-2粗集料对混凝土膨胀率的影响
编号
石子
UEA
（%）
W/C
自由膨胀率（×10-4）
限制膨胀率（×10-4）／自应力值（MPa）
水养
标准养护
水养
标准养护
3天
7天
14天
28天
45天
60天
3天
7天
14天
28天
45天
60天
U30
卵石
12
0.52
3.75
5.85
6.29
7.69
8.17
8.75
1.90
/0.30
3.19
/0.50
3.20
/0.50
3.43
/0.53
3.63
/0.56
4.30
/0.67
U4：
碎石
12
0.52
2.30
4.49
4.56
5.56
5.76
6.22
1.44
/0.23
l.88
/0.30
1.66
/0.26
2.53
/0.39
2.87
/0.45
3.39
/0.53
（4）不同配筋率对混凝土膨胀率和自应力值的影响
大量研究表明，在小配筋率范围内，自应力值随配筋率增加而增加。
表2—3是不同配筋率下混凝土的膨胀率和自应力值（C+UEA=380kg／m3）。
从表2-3可看出，当配筋率在0.4%～1.57%范围，限制膨胀率随配筋率增加而减小，自应力值增加
表2-3配筋率对混凝土膨胀率和自应力值的影响
编号
配筋率
（％）
水中限制膨胀率（×104）／自应力值（MPa）
l天
3天
7天
14天
28天
6月
U26
U27
U2a
0.24
1.03
1.57
3.4／O.15
1.7／0.36
1.8／0.50
5.1／0.22
2.1／0.44
2.3／0.64
5.6／0.24
2.4／0.51
2.7／0.75
6.2／0.27
2.8／0.60
2.9／0.80
6.3／0.27
2.8／0.60
3.1／0.86
6.7／0.28
3.2／0.68
3.3／0.91
（5）水泥用量对混凝土膨胀率的影响
表2-4是在三种不同水泥用量条件下，混凝上的膨胀率和自应力值的数据。
膨胀剂内掺13%，配筋率为1.08%。
试验表明，每立方米混凝上水泥用量多，含UEA量相对增多，其膨胀率大，自应力值也越高。
表2-4水泥用量对混凝土膨胀率的影响
编号
水泥用量
（kg/3）
塌落度（cm）
水中限制膨胀率（×104）／自应力值（MPa）
l天
3天
7天
28天
3月
6月
U29
U30
U31
350
400
450
3.3
5.5
3.7
—
2.4／0.51
3.O／0.64
1.9／0.40
2.1／0.44
3.7／0.73
1.5／0.32
—
3.5／0.75
1.7／0.36
1.6／0.34
3.7／073
1.9／0.40
2.1／0.40
4.3／0.91
1.9／0.40
2.1／0.43
4.3／0.91
（6）养护方法对膨胀性能的影响
.
UEA混凝土的养护非常重要，应该引起使用单位的充分重视。
图2—6是五种不同养护制度与膨胀率之间的关系曲线。
长期在水中养护的试件可获得最大的膨胀率。
因为UEA水泥水化过程中，生成水化硫铝酸钙需要大量的水分，为了能更好地发挥UEA混凝士的效能，浇注后浇水养护10～14天是非常必要的。
2.强度与UEA掺量的关系
膨胀混凝土的强度分为自由膨胀强度和限制膨胀强度两种。
自由膨胀强度通常随着膨胀值的增加而下降。
而对限制膨胀强度则与上述规律不尽相同。
在限制条件下，一定的膨胀能够使混凝土结构更加密实，从而提高强度。
图2-7为自由膨胀条件下的抗压强度。
结果表明，随着UEA掺量增加，混凝上强度有所下降，符合膨胀混凝土的一般强度规律。
应该指出，在实际工程中UEA混凝土大多处于各种不同的限制状态，因此。
其强度值将比自由膨胀强度值高。
表2-5是自由膨胀和限制膨胀的强度值，其中限制膨胀的强度值是用lO×10×10cm的试件带模养护到龄期，再破型。
不难发现限制条件下（限制配筋是联接模板的螺栓）混凝土的强度均大于自由条件下的值。
限制膨胀的强度高于自由膨胀强度的原因是：
水泥混凝土水化硬化时。
生成大量的钙矾石晶体，这种晶体随水化的进行不断长大、连生，在结晶压力下产生了混凝土的膨胀。
由于钙矾石是一种细长的柱状或针状晶体，所以这种晶体搭成的骨架结构中留下了许多孔隙。
在自由膨胀条件下钙矾石晶体生长得粗大，孔隙率也较大，强度受到一定影响。
相反，如果在限制条件下，钙矾石结晶受到内部应力的影响，颗粒很小，结晶之间的孔隙也较少，结构致密，因而强度比自由膨胀混凝上高，另外有研究表明，限制条件下混凝土中集料与水泥石界面结构也有改善。
实验结果表明，掺UEA的限制强度比自由强度高10～30%。
表2-5自由膨胀和限制膨胀的强度值
编号
水泥+UEA
（kg/m3）
UEA（％）
混凝土配合比（水泥+UEA）：
水：
砂：
石
塌落度
（cm）
自由膨胀强度（MPa）
限制膨胀强度（MPa）
3天
7天
28天
3天
7天
28天
U17
300
9
1：
0.50：
2.08：
3.20
3.2
15.6
21.8
25.4
16.6
20.7
31.5
U18
300
13
—
6.0
13.3
18.0
29.0
16.8
22.0
34.4
U19
350
9
1：
0.52：
1.73：
2.66
12.3
12.2
15.O
25.0
14.5
17.4
27.0
U20
350
13
—
18.0
8.9
11.8
17.8
10.0
14.5
22.4
U2l
400
9
1：
0.50：
1.37：
2.24
16.2
12.0
17.4
28.3
13.4
18.4
31.O
U22
400
13
—
>20.0
10.0
14.4
19.3
11.6
17.9
29.3
通过大量试验，UEA掺量与膨胀和强度的关系如图2—8。
由图2—8可见，一般情况下，在水泥中内掺10—14%UEA可获得良好的膨胀性能，对强度影响不大，宜用于补偿收缩混凝土。
UEA掺量8—10％时，膨胀率偏小。
强度有所提高，适用
.
于配制普通防水混凝土。
UEA掺量在14-16％，膨胀率提高，而自由强度有所下降，适用于大限制或绝对限制的填充混凝土，在这种场合下，混凝土实际强度不但不会下降反而会由于限制条件的加大而提高。
掺12％UEA混凝土的抗拉强度：
3天1.9MPa，7天2.9MPa，28天3.4MPa，1年4.6MPa。
这说明UEA混凝上的强度发展是稳定可靠的。
.
（三）UEA混凝土其他性能
1.静弹模和泊桑比
掺12％UEA混凝土的静弹模为3.6162×104MPa。
泊桑比为0.215，与普通混凝土大致相同。
2.混凝土与钢筋粘结力
按照港工混凝土有关标准，在混凝土中预埋Φ18×200mm钢筋，在雾室中养护到龄期在压力机上拔出，计算得粘结力见表2-6。
表2-6混凝土与钢筋粘结力
序号
UEA掺量（％）
28天自由膨胀粘结强度（MPa）
28天限制膨胀粘结强度（MPa）
l
2
3
O
8
12
5.10/100
5.31/104
5.61/110
5.10/100
6.53/128
6.84/134
表2--6表明，无论是自由膨胀还是限制膨胀状态下，掺入UEA后的混凝土的粘结强度均高于普通混凝土，在限制膨胀条件下，更为明显。
3.抗冻性
按照混凝土冻融试验方法，掺有12％UEA的混凝上完全达到了抗冻标准，抗冻标号达M150。
4.抗渗性
.
抗渗试验的结果见表2-7。
UEA为内掺。
表2-7抗渗性
编号
水泥+UEA
（kg／m3）
UEA
（％）
恒压时问（小时）
渗透高度（cm）
1.5MPa
2.0MPa
2.5MPa
3.0MPa
U61
U62
U63
380
400
380
0
10
12
8
8
8
O
13
8
0
11
8
0
11
8
8～10
1.5～2.5
6～8
注：
抗渗试体是自由试体。
掺入UEA后，抗渗能力明显增加，比普通混凝土提高1-2倍，这正是UEA混凝土的特点之一。
所以它可以作为抗裂防渗的结构材料。
5.钢筋锈蚀试验
将Φ16×50mm的光而钢筋预埋入UEA膨胀混凝土内，养护至28天，60天和1年分别破型观察，钢筋无丝毫锈斑。
分析表明，UEA水泥浆体的PH值>12.5，不会锈蚀钢筋。
6.耐酸碱侵蚀试验
耐酸碱侵蚀试验是参照了日本有关标准，将养护28天后的混凝土试件分别放人0.02N硫酸水溶液和0.05N氢氧化钠水溶液中，定期测定其强度，与同龄期水中试件相对照。
结果见表2-8。
表2-8耐酸碱侵蚀试验
编号
W/C
骨料最大粒径
（mm）
UEA
（％）
溶液
抗压强度（MPa）
28天
2月
3月
4月
1年
2年
U61
U62
U63
0.52
0.52
0.52
10
10
10
12
12
12
水
硫酸
碱
54
54
54
62
66
63
60
62
67
6l
62
67
7l
65
73
75
67
74
酸碱溶液中的试件强度不但没有下降，而且都有增加。
这是由于UEA混凝土致密不透水，Na+、SO42-离子难以渗入内部，故可用于海工工程，以提高它的耐久性。
7.碳化试验
表2—9是28天碳化试验结果，从表中实验数据可以看出，随着限制膨胀率的提高，碳化速度减小，掺加UEA的补偿收缩混凝土均比空白混凝土抗碳化能力强。
表明UEA补偿收缩混凝土的耐久性优于普通混凝土。
另外，掺加粉煤灰，碳化速度有所加快，但同样遵循限制膨胀率与碳化速度之间的规律。
.
表2-9碳化试验
编号
UEA
％
粉煤灰
（kg／m3）
限制膨胀率（×10-4）
碳化深度
（mm）
碳化速
度系数
1d
3d
5d
7d
S-1
O
0
0.2333
0.3000
0.3333
0.3670
6.55
1.29
S-3
12
0
0.4667
1.5333
1.6667
1.7333
5.14
0.97
S-5
12
0
0.9000
2.1333
2.3000
2.4000
2.21
0.42
S-6
12
56
0.5667
1.6000
1.9667
2.1000
4.92
0.93
8.UEA水泥的水化热
按BG2022-80测定水泥水化热结果见表2-10。
由表可见，在水泥中掺入UEA后。
水泥用量减少，其水化热比空白水泥降低7～9卡／克，这对减少大体积混凝土温差效应是有利的。
表2-10UEA水泥的水化热
编号
水泥品种
水泥组成
水化热（卡／克）
PC
UEA
3天
7天
Q1
Q2
Q3
Q4
邯郸525
普硅水泥
琉璃河425
矿渣水泥
100
88
100
88
O
12
0
12
7l
66
40
42
77
70
59
50
9.UEA对水泥和外加剂的适应性
（1）对水泥的适应性
原则上讲，UEA可掺入五大水泥中使用，从工程质量出发，更宜加入到32.5MPa以上的普通硅酸盐水泥和矿渣水泥中使用。
另外，经过这几年工程实践，证明UEA对某些牌号的水泥有不适应性，因此使用UEA前，应做试配。
表2—11和表2—12列出的数据是几种不同产地的硅酸盐水泥和矿渣水泥掺入UEA后的强度值和膨胀率。
表2-11对水泥的适应性
编号
水泥品种
UEA
（％）
水泥+UEA
（kg／m3）
抗压强度（MPa）
3天
7天
14天
28天
1年
U2
U4
U14
U15
U16
邯郸525#普硅
琉璃河425#矿渣
广州425#普硅
巢湖425#普硅
江南525#纯硅
12
12
12
12
12
380
380
300
300
300
23
17.4
8.7
11.7
20.2
27.7
27.1
11.6
17.1
26.9
34.7
32.1
/
/
/
41.5
39.7
17.4
27.5
36.5
57.0
40.8
27.4
38.1
43.6
.
表2-12对水泥的适应性
编
号
水泥品种
UEA
（%）
配筋
率
（％）
自由膨胀率（×10--4）
限制膨胀率（×10-4）/自应力值（MPa）
水中
雾室
水中
雾室
3天
7天
14天
28天
6O天
1年
3天
7天
28天
28天
45天
60天
1年
U4l
邯郸普硅525#
12
0.79
3.75
5.86
6.29
7.69
8.75
9.51
1.90
/0.30
3.19
/0.50
3.20
/0.50
3.43
/0.53
3.63
/0.56
4.30
/0.67
4.98
/0.65
U42
琉璃河矿渣425#
12
0.79
1.72
4.17
3.93
4.68
5.60
4.02
1.44
/0.22
1.88
/0.29
1.66
/0.26
2.53
/0.39
2.87
/0.45
3.267
0.51
3.37
/0.52
U43
广州普硅425#
13
0.56
2.65
4.28
6.35
8.21
9.30
9.41
2.1／
0.24
3.6／
0.39
3.9／
0.43
3.6／
0.39
3.8／
0.42
3.9／
0.42
4.0／
0.45
U45
江南纯硅525#
13
0.56
2.05
3.27
5.21
6.20
7.05
7.15
2.4／
0.27
4.7／
0.52
5.6／
0.62
5.4／
0.60
5.4／
0.60
5.3／
0.59
5.3／
0.59
试验说明：
掺UEA混凝上7-14天的膨胀量占总膨胀量的80％，在60天时基本发挥完。
在14-60天期间有微小膨胀，能够补偿混凝土的干缩和一定程度的冷缩。
而强度稳定上升，无倒退现象。
分析两表中数据发现，UEA加入不同产地、不同品种的水泥中，其规律是：
标号高的水泥强度高，限制膨胀率大，反之则小些；对于自由膨胀。
水泥标号越低，一般膨胀越大。
原因是这样的，UEA水泥由强度组分和膨胀组分两部分组成，分别起着强度和膨胀的作用。
在自由膨胀条件下，水泥的膨胀不受任何阻力，完全靠强度组分与膨胀组分的协调发展来实现。
如果水泥标号较低，强度组分起的作用或发展速度相应较少，这样会造成水泥过量膨胀，混凝土的强度较低。
（2）对外加剂的适应性
目前工程中已广泛使用混凝上外加剂，各种类型的缓凝减水剂、早强剂、防冻剂的使用更为普遍。
前面曾提到。
在水泥中掺人UEA后凝结时间缩短，塌落度损失有些增加，因此在对凝结时间和塌落度损失有特殊要求的工程中，可将UEA与缓凝型减水剂联合使用，以满足工程要求。
在此我们选用了几种较常用的外加剂进行了适应性试验。
结果见图2-9和表2-13。
表2—13对外加剂的适应性
编号
外加剂掺量
（％）
UEA
（％）
W／C
自山膨胀（×104）
限制膨胀率（×104）／自应
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