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。

为了适应工程的需要，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，少量出口国外。

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、U E A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
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l 7：1 5，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0.2～0.8M P a。

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UE A掺量的增加，U EA混凝土的限制膨胀率
亦增大。

U EA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
(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
(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
(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
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
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
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
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
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2-10 UEA水泥的水化热
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
表2-12对水泥的适应性
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2一13。

表2—13 对外加剂的适应性
从图2—9结果看，掺加外加剂后的强度值均超过了空白试件。

我们在实际工程中还使用过UNF系列、NF、AF、YNB、FDN、LH、EP一7流化剂，FD型、HZ 系列、Na2SO。

复合抗冻剂，水钙、糖蜜等混凝上外加剂，效果都良好。

总的来看，UEA与其他混凝土外加剂互容性是良好的，但为了慎重起见，应该经试配确定。

(四)UEA混凝土的抗裂防渗及延长伸缩缝间距的原理
研究表明，水泥与水拌合后产生的化学减缩体约为7～9毫升／100克水泥，当混凝土中水泥用量为380kg／m3时。

其化学减缩达26.6~34.2升／m3，内部形成了许多孔缝。

每100克水泥浆可蒸发水达6毫升。

当混凝土中水泥用量为380kg ／m3时，则有22.8升／m3水被蒸发掉。

故水泥砂浆一般干缩值为0.1～O.2％，混凝土为0.04~0.06％。

当混凝土内外温差为10℃时，其冷缩值约为0.01％。

构筑物产生裂缝的原因是十分复杂的，就材料而言，混凝土的收缩和徐变是主要原因。

水泥化学工作者的任务之一就是如何使水泥产生适度膨胀。

补偿混凝土的各种收缩，使其不裂或少裂，经过几十年的研究，这一难题已得到逐步解决。

膨胀混凝土补偿收缩机理是许多研究者感兴趣的问题之一。

围绕这个问题各国学者提出了不同的看法.传统的补偿收缩模式认为只要混凝土的收缩不超过
SK(混凝土的极限延伸率)，混凝土便不会开裂。

从这个观点出发，限制膨胀时，膨胀率大，收缩后达不到SK，因此混凝土不会出现开裂。

我们认为，单纯地把膨胀值作为衡量补偿收缩混凝土抗裂性能好坏的标准是不全面的。

除膨胀值外，混凝土本身的某些性能(包括强度、徐变等)也是防止混凝土开裂的重要因素。

前面的试验已证明，对UEA混凝土施加限制后强度有不同程度的增加，从而提高了混凝土的抗裂性能。

日本学者指出，膨胀大并不是抗裂性能好，更重要的是膨胀后收缩落差小，抗裂性能才好。

P.E.Halstead指出“要想充分利用自应力水泥，确定出最后应力是非常必要的，因而要考虑到一些应力的余量，以克服徐变造成的应力损失；同时还应将自应力混凝土强度的增加同样考虑在计算当中”。

还有的文献指出“仅仅用膨胀量与收缩相互抵消的解释是不完全的。

由于补偿收缩混凝土的硬化过程推迟了收缩的产生过程，所以抗拉强度在此期间获得较大幅度的增长，当混凝土收缩开始时，其抗拉强度已经增长到足以抵抗收缩应力的程度，从而减少了收缩裂缝的出现”。

延长伸缩间距，取消后浇带是UEA补偿收缩混凝土对结构设计、施工的另一贡献。

由于UEA混凝土具有补偿收缩的作用，其原理如图2-10所示。

从应力角度看，由于UEA 补偿收缩混凝土在养护期间产生0.2 – 0.7Mpa 的自应力值，可大致抵抗由于干缩、冷缩等引起的拉应力，并由于在膨胀过程中推迟了混凝土收缩发生的时间，混凝土抗拉强度得以进一步增长，当混凝土开始收缩时，其抗拉强度已可以或基本可以抵抗收缩应力，从而使混凝土不裂，达到延长伸缩间距，连续施工的目的。

从变形角度讲，结构中混凝土主要变形有：冷缩（St ）、干缩（Sd ）和受拉徐变（CT ），采用UEA 混凝土后，引入限制膨胀变形（ε2），这些变形中S t 、S d 是有害变形，它们是抵抗导致混凝土开裂的原因，而C T 和ε2是有益变形，它们是抵抗混凝土开裂的因素。

当ε2 -（S t + S d - C T ） ≤ S k ，（S k 是混凝土的极限延伸率）时，混凝土不开裂，也就不必设伸缩缝或后浇带。

若采用普通混凝土，则总收缩为C T - S s - S d ，这个量比较大，规范要求约30 m 设伸缩缝或后浇带，采用UEA 混凝土后，一般可延长至60m 。

我们与天津市政三公司、天津市政工程研究所，于1983年用明矾石膨胀水泥混凝土建造了118米长天津地铁工程，用钢弦应变计对应力状态进行了测定，在不同受力部位埋没了23支应变计，其测定结果如表2-14。

表2-14
1989年北京水利局二处用UEA 低热膨胀混凝上改建怀柔水库溢洪闸，其中底板长18M 、宽14M 、厚1.2M 。

在底板埋入水工应变汁，观测结果见表2-14。

由表2一14可见，混凝土在湿养5天内使钢筋产生最大应变，约63-200με，后进入自然养护，有一定收缩，但在九十天仍保持52-78με，说明整个混凝土箱体处于受压状态.
由表2-15可见，UEA 膨胀减去温差冷缩后的剩余变形为60-70με，显示了补偿收缩混凝土的抗裂功能。

表2-15
UEA 混凝土另一特点是抗渗能力强。

这是由于水泥水化过程中形成了膨胀结晶体水化硫铝酸钙，它具有填充、堵塞毛细孔缝的作用。

例如，掺入U 型膨胀剂(UEA)的水泥，用高压水银测孔仪测定，其总孔隙率为0.1248cm2／g ，而普通水泥为0.2087cm3／g ，减少40％以上。

从孔分布来看(图2—11)，由于UEA 混凝土中的大孔减少，总孔隙率下降，故抗渗能力高于普通混凝土。

UEA混凝土与普通混凝土主要区别在于：(1)由于限制膨胀的作用，改善了混凝土的应力状态；(2)由于钙矾石填孔的作用使水泥石中的大孔变小，总孔隙率减小，改善了混凝土的孔结构，从而提高了混凝土的抗渗性。

UEA混凝土与一般掺氯化铁，三乙醇胺、FS、JP-1等防水剂的混凝土有本质区别，尽管两者都可提高抗渗性，但一般防水混凝土没有补偿收缩能力，亦即不能产生0.2～0.7MPa的自应力值，抗裂性差。

我们认为抗渗的前提是抗裂，UEA 混凝土同时具有抗裂和防渗之功能，这是它适用作结构自防水工程的原因。

三、U E A主要用途
1.地下、水下、山洞建筑物。

如高层建筑地下室、人防工程、地铁、隧道、矿井。

2.建造水池、游泳池、污水处理池、水塔、粮仓、油罐等。

3.自防渗刚性屋面、砂浆防水层、防潮层；防裂路面。

4.后浇缝填充混凝土、管道、梁柱接头、机器的无收缩灌注。

5.修补、堵漏、补强工程。

6.各种要求抗裂防渗的水泥制品，如下水管道、防水屋面板等。

UEA及补偿收缩混凝土结构自防水技术、连续式现浇混凝土超长结构裂缝控制新技术，应用于国内1000余项重要工程(如北京西客站用UEA混凝土30余万米3，深圳贤成大厦，地下4层，地上60层、北京亚运会十余项工程、石家庄火车站前地下2层商业街，长200m宽100m全部用UEA混凝土结构自防水，无外防水，盖打法施工)，国外一些重要工程(如吉布堤体育场，尼泊尔国会大厦等)。

四、结论
1.UEA可以掺入五大水泥中，但宜用425号以上的纯硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥；UEA可与其他外加剂复合使用。

2.一般说来，在水泥中内掺10～12％UEA，可以配制成补偿收缩混凝土，内掺20～30％UEA，可以配制成自应力混凝土。

3.混凝土的膨胀率随UEA掺入量的增加而增大。

UEA混凝土强度在无限制状态下比普通混凝土低5～10％，在限制条件下比普通混凝土高10～30％。

4.UEA混凝土与普通混凝土比较：
(1)UEA混凝土硬化前和硬化后的性能与普通混凝土相似。

(2)在混凝土搅拌时掺入UEA，可以配制成补偿收缩混凝土或自应力混凝土，达到抗裂防渗或建立自应力之目的。

它所具有的某些优良性能是普通混凝土无法相比的。

(3)UEA混凝土的凝结时间和塌落度损失比普通混凝土稍快。

5.UEA混凝土膨胀剂使用灵活、方便、保存期2年、价格便宜、用途广泛，是一种很有发展前途的混凝土外加剂。

生产和应用混凝土膨胀剂，是发展我国补偿收缩混凝土和自应力混凝土的方向。

6.UEA尤其适用作各种抗裂防渗工程，把承重结构与防水结构结合在一起.取消外防水，可延长伸缩缝间距，采用特殊工艺，可做到超长结构无缝施工，省工省钱，其技术经济效益明显。