摘要
混凝土作为使用范围较广的人造材料，是建筑工程中必不可少的原材料，是当今社会发展的重要物质基础，对社会和经济的发展起着举足轻重的作用。但与此同时，混凝土的耐久性和抗裂性等问题给施工也带来了一定的困扰。通过众多专家的研究，综合国内外情况来看，在混凝土中加入膨胀剂以弥补收缩变形是解决混凝土收缩开裂的一种有效方法。在适宜的水灰比和一定的掺量范围内，加入膨胀剂可以改善混凝土的某些力学性能和耐久性。
本次试验设计是对掺加UEA膨胀剂的c30水泥混凝土进行配合比设计，通过数据分析，最终确定当水灰比范围为0.4～0.5，膨胀剂的掺量范围为8%～12%时，混凝土的力学性能会有所改善。
关键词：UEA膨胀剂，混凝土，力学性能，坍落度
前言
自从有了混凝土以来，混凝土的裂缝问题就一直困扰着人们。大家都知道，混凝土是多相复合材料，其中的孔隙是不可避免的，且孔隙越大，混凝土的耐久性越差，会造成结构物的破坏、崩塌，引起开裂。为了有效地解决混凝土开裂问题，改善混凝土的使用寿命，我们通常都会掺加膨胀剂。特别是在大体积混凝土中，为了补偿收缩，往往需要掺加膨胀剂。但膨胀剂的使用条件较为苛刻，一旦膨胀剂掺入量超出一定范围时，混凝土力学性能就会受到影响，因此只有合理的膨胀剂掺量才会使混凝土的性能得到良好的改善。
回顾膨胀剂的发展历程，日本首创的膨胀剂给膨胀混凝土(尤其是补偿收缩混凝土)的广泛应用带来生机[1]。1962年，日本在XK型膨胀水泥的基础上研制出了硫铝酸钙膨胀剂，这种膨胀剂掺加在砼中能够有效地增强砼的抗渗抗裂等性能，同样伴随出现问题体现在砼的需水量、坍落度的保持值、水泥用量、掺入砼中的强度的相对降低等。
1979年，吴中伟先生撰写的《补偿收缩混凝土》专著出版，这是我国科学界首次提出补偿收缩混凝土理论[1]。在吴中伟院士的补偿收缩混凝土理论的指导下，我国混凝土膨胀剂开发应用取得了很大的成绩，膨胀剂的质量从高碱到低碱，从高掺到低掺，掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的性能研究日趋系统，其应用技术不断完善，应用范围逐渐扩大，尤其在混凝土裂缝控制方面已成为一种有效的技术措施[1]。在国内，虽然膨胀剂的研究应用已经取得了很大的成就，但是，由于使用膨胀剂的工程的越来越多，使用的范围也越来越广，失败的案例也越来越多，一些施工单位对膨胀剂的作用效果产生了质疑，甚至不愿使用。究其原因，主要是对膨胀剂本身了解不够，对膨胀剂的使用条件和使用量存在一定的盲目性，膨胀剂自身性质不稳定，存在缺陷，致使掺膨胀剂的混凝经常无法达到预期的膨胀，导致混凝土结构在中后期乃至初期仍然会发生变形开裂。
因此，膨胀剂的使用条件以及掺量问题有很重要的现实意义，值得进一步研究。本文根据UEA膨胀剂的性能，通过改变UEA膨胀剂在混凝土中的掺量来观察混凝土力学性能的变化，从而确定可以改善混凝土力学性能的最佳掺量，以此来更好地确保混凝土的质量，改善混凝土的力学性能。
1.原材料的性能测定
1.1水泥
本次试验使用P·S42.5水泥，并根据相关规程对P·S42.5水泥的几项重要指标进行测定。
1.1.1水泥细度
本试验采用负压筛析法对水泥进行细度测定。用负压筛析仪对25克的水泥试样筛析2分钟。筛析后，称量筛余质量，并进行数据记录。本次试验共进行两次，试验结果如表1.1所示：
1.1.2水泥标准稠度用水量
首先根据水泥的质量，确定合适的用水量，然后用搅拌机进行水泥净浆的拌制，拌制完成后，用维卡仪进行测定，当测量结果为5mm～7mm时，即可确定水泥标准稠度用水量。
本次试验共进行两次，试验结果如表1.2所示：
由表1.2可以得出,当用水量为143.5g时，试杆与底板距离是6mm,符合标准规定，所以由此数据可以算出，水泥的标准稠度用水量为28.7%。
1.1.3水泥凝结时间
本次试验采用标准维卡仪对水泥的凝结时间进行测定。首先制作水泥标准稠度净浆，并将水泥全部加入水中的时间作为凝结的起始时间，在确定凝结的终止时间时应注意，达到凝结状态时需用维卡仪进行两次测定，两次测定结果一致时，才可确定凝结状态。
1.2集料
本次试验采用的粗集料为5-10mm的碎石和10-20mm的碎石，细集料为河砂中砂。
1.2.1粗集料的表观密度试验
由于疫情原因，试验室被封，无法继续进行试验，所以本次试验数据由本校试验室提供，由于本次试验所用的5-20mm的碎石和试验室所用的为同一批碎石，故数据可以用来使用。
本次试验采用网篮法来测定碎石的表观密度。将粗集料过4.75mm号筛后，称取一定量的试样放入盛有水的烧杯中浸泡24小时，然后将试样放入调试好的溢流水箱中，打开溢流孔的开关，当水流到与液面维持原来的高度时，记录水中质量。取出网篮中试样用拧干的湿毛巾擦拭，在其保持表干的状态下，称量其表干质量。最后将试样放入烘箱烘干，并称量其烘干后的质量。
本次试验共进行两次，试验结果如表所示：
由表1.4可以得出两组试验结果之差为0.3%，在允许的误差范围之内，所以5-10mm的碎石表观密度可以取两次试验结果的平均值2.736g/cm3。
由表1.5可以得出两组试验结果之差为0.4%，符合标准规范的要求，所以10-20mm的碎石表观密度可以取两次试验结果的平均值2.730g/cm3。
1.2.2粗集料的堆积密度试验
让试样距容量筒筒口正上方5厘米处自由落下，使试样装满并调整至与容量筒筒口基本平齐，称量其总质量。本次试验共进行两次，试验结果如表所示：
如表1.6可以看出，两次试验结果相差1.1%，并没有超出标准规定范围，所以粗集料的堆积密度可以取两次试验结果的平均值1.366g/cm3
1.2.3粗集料的筛分试验
将大约1000g的5-10mm的碎石和大约2000g的10-20mm的碎石，分为两组进行逐级筛分，且每一组筛分进行两次，试验结果如下：
如表1.7所示，5-10mm的碎石试样在筛分前后质量损失不超过2g，在允许的误差范围之内，且两次试验的平均累计筛余率均在规定的范围内，所以本次试验数据可以使用。
10-20mm的碎石试样在筛分前后质量损失不超过3g，符合标准规范的要求，且两次试验的平均累计筛余率，除了9.5mm号筛上的平均累计筛余率低于标准规范的1.39%外，其余的均在标准范围内，对试验结果的整体影响不大，所以本次试验数据也可以使用。
根据表的筛分数据，现将两种粒径的碎石按照3：7的比例和4：6的比例进行配比，即5-10mm的碎石占30%（40%），10-20mm的碎石占70%（60%）。采用级配复合的方法，计算出两种碎石的合成级配，从而判断假设的配比是否符合要求，若符合要求比较哪种配比更加适合。经计算所得的级配数据如表1.9和表1.10所示：
根据表1.9做出粗集料3：7配比的合成级配曲线图，如图1.1
图1.1粗集料配比3:7的合成级配曲线图
根据表1.10做出粗集料4：6配比的合成级配曲线图，如图1.2：
图1.2粗集料配比4:6的合成级配曲线图
通过对比图1.1和图1.2可以看出，当粗集料的配比为4：6时，合成级配的曲线更光滑，且合成的级配曲线处于标准规定的上、下限范围内，满足级配要求，因此最终可以确定两种碎石混合比例为5-10mm:10-20mm=4:6。
1.2.4粗集料的含水率
将两种不同粒径的碎石分别称取约2000克，置于两个浅盘中。然后，放入烘干箱，烘干后称量其质量，并计算烘干前后的质量差，得出含水率。每组试验进行两次，试验结果如下：
表1.11粗集料含水率
如表1.11所示，最终可以确定5-10mm碎石含水率=0.600%，10-20mm碎石含水率=为0.363%。
1.2.5细集料的表观密度试验
称取800g的砂石放入烘干箱烘干，烘干后取300g的砂石倒入盛有水的容量瓶，摇动容量瓶。静置一天后，继续向容量瓶内加水至刻度线，并称量此时砂和容量瓶的总质量。称量完毕后，将砂倒出，向干净的容量瓶内加水直至刻度线，称量此时瓶和水的总质量。故取两次结果的算术平均值作为最后的结果，即砂的表观密度为2.657g/cm3。
1.2.6细集料的堆积密度试验
本次试验数据由本校试验室提供，由于本次试验所用河砂和试验室所用的为同一批河砂，故数据可以用来使用。本次试验与粗集料的堆积密度试验步骤相似，试验结果如下：
表1.13细集料的堆积密度试验记录表(本校试验室数据）
如表1.13所示，两次试验结果相差1.4%，符合标准规定，所以本次试验细集料的堆积密度可以确定为1.445g/cm3。
1.2.7细集料的筛分试验
本试验对砂石进行逐级筛分，根据筛分数据来计算砂石的细度模数，并以此来判断砂石的种类。
表1.14砂的筛分试验记录表
根据表1.14可以绘制出细集料的级配曲线，如图1.3所示：
图1.3细集料的级配曲线
如图1.3可以看出，在2.36mm号筛上，两次试验的平均累计筛分结果超过了规定范围的1.6%，由于操作过程存在人为因素引起的误差，且结果超出规范值不大，所以对整体使用影响不大，试验数据可以使用。
由表1.14可以看出，两次筛分试验计算所得出的细度模数相差0.01，误差在允许范围内，所以最终的细度模数值可以确定为Mx=3.055。通过查表1.15可知，该砂属于中砂。
表1.15细度模数等级表
1.2.8细集料的含水率
称取两份质量为500g左右的砂石试样置于浅盘中，放入烘箱烘干，烘干完毕后称量其质量，计算烘干前后的试样质量差，得出细集料的含水率。本次试验共进行两次，试验结果如下表所示：
表1.16砂的含水率试验记录表
如表1.16所示，根据试验结果可以确定本次试验细集料的含水率
2.混凝土配合比设计
2.1计算c30水泥混凝土配合比
2.1.1c30基准混凝土原料及设计要求
（1）本次试验设计所用的水泥为P·S42.5水泥；
（2）本次试验设计所用的细集料为级配良好的中砂；
（3）本次试验设计所用粗集料为粒径5-10mm的碎石（40%）与10-20mm的碎石（60%）；
（4）本次试验设计的混凝土强度为c30；
（5）本次试验所设计的混凝土拌合物坍落度为70～90mm。
2.1.2确定c30水泥混凝土配制强度
由于没有统计资料,所以混凝土的强度标准差σ按表2.1取值:
表2.1标准差σ值表
2.1.3计算水灰比（W/C）
水灰比根据公式2.2计算：
回归系数的取值按照表2.2选取:
表2.2回归系数取值
表2.3水泥强度等级值的富余系数
由表2.3确定本次试验所用的P·S42.5水泥的富余系数为1.16，计算水泥28d实际强度结果得：
5=49.3MPa。
2.1.4计算单位用水量和单位水泥用量
根据本次试验所设计的混凝土坍落度70～90mm和碎石的最大粒径20mm，对照表2.4可以选取215kg的单位用水量。
根据所选的单位用水量，可以计算出混凝土的单位水泥用量，用公式2.4计算：
由公式2.4可得，mco=215/0.54=398.15kg，即每立方米混凝土中水泥用量为398.15kg。
2.1.5砂率的确定
根据本次试验碎石最大粒径为20mm和2.1.3中的计算得到的混凝土的水灰比为0.54，这两个条件，来查表2.5，并从中选择合适的砂率。
表2.5混凝土砂率（%）
经过查表2.5，本次试验的砂率宜选32%-37%,经过实践操作,对砂率在可行范围内进行了调试,最终确定合适的砂率为37%。
2.1.6计算砂石用量
本次试验采用重量法来计算粗、细集料的用量。用公式2.5，2.6，2.7，2.8来算：mco+mgo+mso+mwo=mcp（2.5）
砂石总用量及个别用量的计算：mgo+mso=mcp-mco-mwo（2.6）
砂的用量：
mso=（mgo+mso）（2.7）
石的用量：
mgo=（mgo+mso）-mso（2.8）公式2.5，2.6，2.7，2.8中：
mco—每立方米混凝土的水泥用量，kg;mgo—每立方米混凝土的粗集料用量，kg;mso—每立方米混凝土的细集料用量，kg;mwo—每立方米混凝土的用水量，kg;mcp—每立方米混凝土拌和物的假定总用量，kg，其值可按表2.6选用。
2.1.7确定混凝土配合比
以水泥的用量为单位用量，经计算可以得出本次试验所设计的c30混凝土的配合比为：水泥：水：细集料:粗集料=1：0.54：1.66：2.83
2.2制作混凝土试件
2.2.1制作基准混凝土试件
本次试验采用人工拌合的方法来制作混凝土的标准抗压试件。为避免材料浪费，按照所计算的配合比，我们最终确定，当水泥的取量为5kg时，水的质量为2.7kg，砂8.3kg，5-10mm碎石5.66kg，10-20mm碎石8.491kg，此时拌合物恰好可以装三个标准抗压试件，且测得其坍落度为90mm,符合所设计的坍落度要求,水泥和易性良好。
2.2.2制作掺加膨胀剂的混凝土试件
本次试验设计掺用5种不同浓度的膨胀剂，根据厂家推荐的适宜掺量（0.5%，以水泥重量为标准），以此掺量作为标准上下调动，最终确定试验所加的膨胀剂掺量分别为：0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%。
膨胀剂的加入采用先掺法，与水泥充分搅匀后进行拌合，通过确定的水泥用量5kg，得出膨胀剂的掺量分别为15g、20g、25g、30g、35g，其他步骤与基准混凝土的制作相同，采用人工拌合的方法，先把石和砂干拌一分钟，再加入水泥和膨胀剂干拌一分钟，再加入水进行拌合，拌合后测量混凝土的坍落度，然后进行装件，放入养护室进行3d、7d、28d的养护，并测定试件的抗压强度。
结论
本次试验以c30水泥为基准，通过改变UEA膨胀剂的掺量来确定能改善混凝土性能的最佳掺量，通过大量文献查阅和试验数据分析，最终总结如下：
（1）掺入UEA会造成新拌混凝土坍落度的损失，且坍落度随着UEA掺量的增加而减小。当UEA掺量为0.7%时，混凝土拌合物坍落度下降幅度最大，下降了17mm。
（2）UEA会降低低水灰比混凝土的早期强度，而提升高水灰比混凝土的早期强度。当UEA掺量为8%时，水灰比为0.35的混凝土1d抗压强度下降最为显著，下降了1.9MPa，水灰比为0.5的混凝土的1d抗压强度上升最为显著，上升了5.8MPa。
（3）在非限制条件下，随着UEA掺量的增加，混凝土的膨胀率逐渐升高，密度和强度逐渐降低，尤其对早期强度影响最为明显。当养护天数为1天，UEA掺量为15%时，膨胀率上升的最多，上升了0.27%，抗压强度下降的最大，下降了4.6MPa。
（4）根据本次试验的材料以及设计条件，通过分析整合相关数据，最终确定掺加膨胀剂的c30水泥混凝土最佳配合比设计为：水灰比为0.45，砂率为37%，膨胀剂掺量为8%。
致谢
时光荏苒，行文至此，意味着大学的生活即将结束。回首匆匆，百感交集，但最多的还是感激。在毕业之际，我要向我的老师、同学以及一直陪伴、鼓励、帮助我的人们表以最真诚的感谢！
感谢我的指导老师。从论文选题到最后定稿的这段时间里，老师给予了我耐心的指导和帮助，提出宝贵的修改意见并细致的检查我论文中的错误，让我真正学到了严谨认真的学术态度。在此还要感谢我大学来所有的授课老师，感谢老师们的精心栽培，教会了我专业知识和人生道理。祝愿老师们工作顺利，幸福健康。感谢我的舍友和同学，风雨同舟，苦乐共济，因为有了你们，平淡的日子才闪闪发光。
感谢我的父母，养育之恩，无以回报，只想不断努力成为你们的骄傲。
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