摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土塑性收縮與抗裂性能研究

1、青島鼎昌新材料有限公司摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土塑性收縮與抗裂性能研究劉麗霞，楊長(zhǎng)輝，吳 芳，陳 科（重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）摘 要： 研究了摻聚羧酸減水劑對(duì)高強(qiáng)混凝土塑性收縮與抗裂性能影響。結(jié)果表明：水膠比在 0.280.34 范圍內(nèi)，隨水膠比提高，摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土塑性收縮呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，混凝土初裂時(shí)間延遲，裂縫面積增大。在 0.15%0.23%范圍內(nèi)提高聚羧酸外加劑摻量，高強(qiáng)混凝土塑性收縮降低，初裂時(shí)間延遲，裂縫面積呈減小趨勢(shì)。與萘系及氨基磺酸鹽系減水劑相比，在工作性相當(dāng)?shù)臈l件下?lián)骄埕人釡p水劑有利于降低高強(qiáng)混凝土的塑性收縮，提高其抗裂性能。關(guān)鍵詞： 聚羧酸減

2、水劑；高強(qiáng)混凝土；早期收縮；抗裂性能0 引言隨著混凝土強(qiáng)度的不斷提高，其塑性收縮開裂加劇的問題已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外混凝土領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是建筑工程界所面臨的最嚴(yán)峻問題之一1。工程界和學(xué)術(shù)界常采用在混凝土中加入各種外加劑等措施，以求改善混凝土的抗裂性，延長(zhǎng)混凝土使用壽命2。聚羧酸減水劑是綜合性能較好的一種混凝土外加劑3，具有減水率高、坍落度損失小等優(yōu)點(diǎn)，可明顯改善混凝土拌合物性能4-7，但針對(duì)摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土塑性收縮與抗裂性能的研究相對(duì)較少，已有的研究結(jié)果也存在著較大的差異8。試驗(yàn)研究了水膠比、減水劑摻量對(duì)摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土塑性收縮與抗裂性能的影響；同時(shí)與萘系及氨基磺酸鹽系兩種減

3、水劑對(duì)比，分析了減水劑種類對(duì)高強(qiáng)混凝土塑性收縮與抗裂性能的影響。1 原材料與試驗(yàn)方法1.1 原材料試驗(yàn)采用重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的 P·O 42.5R 級(jí)水泥，化學(xué)成分見表 1。細(xì)集料為簡(jiǎn)陽(yáng)中砂，細(xì)度模數(shù)為 3.0。粗集料是粒徑為 520 mm 的石灰石碎石。減水劑為GRACE 聚羧酸系高效減水劑（PCA），固含量 20%，減水率 30%，折固摻量為水泥用量的 0.15%0.23%；粉狀萘系減水劑（FDN），減水率 25%，摻量為水泥用量的 0.5%1.5%；氨基磺酸鹽高效減水劑（AS），固含量 35%，減水率 22%，摻量為水泥用量的 0.8%1.2%。1.2 試驗(yàn)方法混凝土塑

4、性收縮定量測(cè)定在空氣溫度和相對(duì)濕度分別為（20±2）和（60±5）%的室內(nèi)環(huán)境條件下進(jìn)行，采用激光三角反射位移傳感器法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試齡期為 24 h，試驗(yàn)裝置見圖 1?；炷粱鶞?zhǔn)配合比為水泥石子砂 =12.51.3，根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整用水量，確定外加劑種類及用量?？沽研阅茉囼?yàn)采用 ACI 推薦的集中約束平板法，試驗(yàn)裝置如圖 2 所示?；炷翑嚢韬笱杆偃肽２⒐纹?，在風(fēng)速、空氣溫混 凝 土Concrete2009 年 第 10 期（ 總 第 240 期）Number 10 in 2009（Total No.240）度、相對(duì)濕度分別為 8 m/s、（20±2）、（60&#

5、177;5）%的條件下進(jìn)行抗裂性能測(cè)試，記錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間和發(fā)展情況，待裂縫不再發(fā)展時(shí)，分別使用 100 倍讀數(shù)顯微鏡和軟線測(cè)量裂縫寬度及長(zhǎng)度。2 結(jié)果與討論2.1 水膠比的影響圖 3 為摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土的塑性收縮。結(jié)果表明，在拌合物成型的最初約 4 h 內(nèi)，4 組試樣的塑性收縮率相當(dāng)，收縮發(fā)展較快；414 h，混凝土的塑性收縮發(fā)展速率有所減緩，水膠比的影響有所增強(qiáng)，塑性收縮隨水灰比的提高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。約 20 h 后，收縮緩慢發(fā)展。高強(qiáng)混凝土中水泥水化早期反應(yīng)速度較快，混凝土中的水被水化反應(yīng)較快的消耗，未水化的水泥顆粒占據(jù)消耗水留下的孔隙，導(dǎo)致水泥石塑性收縮加??；隨著齡期增長(zhǎng)，未水化

6、水泥顆粒的繼續(xù)水化，毛細(xì)孔中的水分被消耗，產(chǎn)生的毛細(xì)孔負(fù)壓（P）使得混凝土在初凝后繼續(xù)硬化的過程中產(chǎn)生較大的收縮，同時(shí)水膠比越高，水泥石中形成的毛細(xì)孔越多，因而高強(qiáng)混凝土塑性收縮值也越大?；炷猎嚇涌沽研阅茉囼?yàn)結(jié)果見表 2。結(jié)果表明，水膠比在0.280.34 范圍內(nèi)增大，摻聚羧酸減水劑高強(qiáng)混凝土的初始裂縫出現(xiàn)時(shí)間延遲，但裂縫面積增加，與水膠比為 0.28 的試樣相比，水膠比為 0.34 的試樣裂縫面積增大了約 19.3%。聚羧酸減水劑使水泥顆粒分散，顆粒包裹的游離水得以釋放9。隨著水膠比的增加，水泥水化環(huán)境中有更多的游離水存在，使混凝土平板表面泌水速率大于水分蒸發(fā)速率，進(jìn)而延緩了開裂時(shí)間；水膠

7、比越低，未水化的水泥粒子越多，未水化的水泥粒子在粒子間距較小時(shí)會(huì)產(chǎn)生有利的中心質(zhì)效應(yīng)，有利的中心質(zhì)效應(yīng)減少了界面過渡層的薄弱環(huán)節(jié)，使其更能抵抗較大的毛管壓力（P），同時(shí)，拌合物體系的黏聚性較好，產(chǎn)生的塑性沉降較小，故水膠比越低，整體開裂面積越小。2.2 PCA摻量的影響聚羧酸減水劑的摻量不同，所配混凝土的塑性收縮率也不同，如圖 4 所示。當(dāng)減水劑摻量為 0.15%、0.18%、0.20%時(shí)混凝土的塑性收縮率相當(dāng)。減水劑摻量增至 0.23%，混凝土塑性收縮率大幅度降低，10 h 時(shí)塑性收縮率約為摻量 0.18%試樣的三分之二。新拌混凝土塑性狀態(tài)主要取決于膠凝材料顆粒的潤(rùn)濕程度，而這種潤(rùn)濕程度是決

8、定于粒子之間的“自由水分”含量，減水劑的作用能使這種“自由水分”含量增多，相同環(huán)境條件下，混凝土拌合物中的“自由水分”含量對(duì)使混凝土產(chǎn)生塑性收縮的臨界毛細(xì)管水壓力（Pc）以及達(dá)到該臨界壓力的時(shí)間 TP有重要影響。當(dāng)混凝土拌合物體系處于中等塑性狀態(tài)（本試驗(yàn)條件下為摻量 0.15%、0.18%、0.20%）時(shí)，較少的泌水使混凝土毛細(xì)管水壓力較快發(fā)展，增大的粒子間距也更易于產(chǎn)生塑性變形，從而表現(xiàn)為較大的混凝土塑性收縮。Wittman10通過試驗(yàn)得出存在一臨界水膠比（適當(dāng)?shù)臐駶?rùn)程度）使混凝土的塑性收縮值達(dá)最大，本試驗(yàn)條件下，摻量為 0.18%收縮值達(dá)最大。隨減水劑摻量增至 0.23%時(shí)，混凝土拌合物呈

9、較大流態(tài)，泌水程度加重，一方面混凝土中的自由水分易蒸發(fā)，另一方面混凝土中“自由水分”含量的增多，使混凝土毛細(xì)管水壓力發(fā)展速度減緩，達(dá)到臨界壓力 Pc的時(shí)間延長(zhǎng)，塑性收縮減小，同時(shí)聚羧酸減水劑摻量過大時(shí)致使液相中聚胺酸類物質(zhì)增多從而使拌合物黏度增大，故混凝土塑性收縮發(fā)生延遲，表現(xiàn)為混凝土塑性收縮的起始收縮值較小，后期發(fā)展也較為緩慢。水膠比相同，PCA 摻量不同混凝土抗裂性能也不同。表 3結(jié)果顯示，在 0.15%0.23%范圍內(nèi)，PCA 摻量越大，試件初始裂縫出現(xiàn)的時(shí)間延遲。PCA 摻量為 0.18%的試樣裂縫面積最大，PCA 摻量為 0.23% 的試樣裂縫面積最小，后者比前者約小23.9%。聚羧

10、酸減水劑的加入一定程度上延緩了水泥水化，同一水膠比下，減水劑摻量大的混凝土保持塑性狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，流變性大，抵抗收縮變形的能力也大，故聚羧酸減水劑摻量的提高使混凝土開裂時(shí)間延遲；減水劑摻量增加，使得混凝土的早期凝結(jié)硬化減緩，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，混凝土因表面水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的毛細(xì)孔收縮應(yīng)力得不到有效抑制，混凝土的裂縫面積增加，但是當(dāng)減水劑的摻量繼續(xù)提高，超過一定摻量時(shí)，由于聚羧酸減水劑良好的分散作用，產(chǎn)生的較大空間位阻作用使水泥顆粒水化反應(yīng)形成的較小凝膠團(tuán)不能互相聚集，且在這一時(shí)間段內(nèi)，水化反應(yīng)使拌合物剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)一步形成，降低了混凝土塑性變形能力，增大了混凝土塑性抗拉強(qiáng)度，對(duì)抵抗塑性開裂是有利的。因此，隨

11、減水劑摻量的增加，混凝土拌合物早期收縮和塑性開裂有減小趨勢(shì)。2.3 減水劑種類的影響圖 5 為減水劑種類對(duì)高強(qiáng)混凝土塑性收縮的影響。試驗(yàn)中，混凝土拌合物初始坍落度均控制在（200±20）mm 范圍。由圖可知，不同種類減水劑對(duì)高強(qiáng)混凝土的塑性收縮影響差別較大。成型約 3h 時(shí)，高強(qiáng)混凝土塑性收縮均快速增長(zhǎng)，摻萘系減水劑和氨基磺酸鹽減水劑的高強(qiáng)混凝土約 8 h 后塑性收縮發(fā)展變緩，而摻入聚羧酸減水劑的混凝土約 20 h 后塑性收縮發(fā)展才變緩，但收縮量較小。20 h 后，三者的塑性收縮率分別為：203.3×10-5、17.5×10-5、93.2×10-5，最終

12、塑性收縮值由大到小順序?yàn)椋篎DN>AS>PCA。這一結(jié)果與聚羧酸減水劑有利于提高混凝土體積穩(wěn)定性的特性一致。水泥漿體毛細(xì)孔負(fù)壓（P）自加水開始，在水化的初始階段，即水泥初凝以前變化很小，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，水泥-水懸浮體系中液相的濃度達(dá)到一定的極限值，開始生成許多新相的初始晶胚，水泥漿體凝聚結(jié)構(gòu)逐漸形成，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸能夠穩(wěn)定所形成的空孔及液彎面，P 開始迅速增加，而摻聚羧酸系減水劑的 P 快速增長(zhǎng)階段始終落在凝聚以前，此時(shí)正處于塑性-彈塑性轉(zhuǎn)變階段；而摻萘系減水劑和氨基磺酸系減水劑的 P 快速增長(zhǎng)階段都落在了終凝之后；此外，聚羧酸減水劑較其他兩種減水劑在減小混凝土毛細(xì)孔內(nèi)水

13、的表面張力和水泥水化放熱曲線上有良好表現(xiàn)，因此更大程度上減小了混凝土的塑性收縮，提高了混凝土的體積穩(wěn)定性2，11。減水劑種類對(duì)高強(qiáng)混凝土抗裂性能的影響見表 4。拌合物初始坍落度相當(dāng)時(shí)，約為（200±20）mm，三種外加劑所配混凝土塑性收縮裂縫面積由大至小依次為：FDN>PCA>AS；摻 FDN 的混凝土初始裂縫出現(xiàn)時(shí)間最早，摻 AS 的混凝土初始裂縫出現(xiàn)時(shí)間最遲。萘系減水劑僅通過靜電斥力效應(yīng)增大水泥顆粒的分散性，而聚羧酸減水劑不僅通過靜電斥力還通過空間位阻效應(yīng)使水泥顆粒良好的分散，同時(shí)黏聚性也得到提高，故初裂時(shí)間較萘系有所延后；同時(shí)聚羧酸減水劑有一定的引氣作用，有利于降低

14、水分蒸發(fā)和泌水，故開裂面積小。摻氨基磺酸鹽減水劑的混凝土可能與其對(duì)拌合物泌水性的影響以及混凝土早期強(qiáng)度的促進(jìn)作用有關(guān)，初始裂縫出現(xiàn)時(shí)間遲、開裂面積最小。3 結(jié)論（1） 水膠比在 0.280.34 范圍內(nèi)，摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土在成型最初 4 h 內(nèi)，塑性收縮速率較快，4 h 后收縮速率減緩；水膠比提高，混凝土塑性收縮增大，初裂時(shí)間延遲，裂縫面積增加。（2） 水膠比為 0.28 時(shí)，隨聚羧酸系減水劑摻量在 0.15%0.23%范圍內(nèi)增高，高強(qiáng)混凝土初裂時(shí)間延遲，塑性收縮值呈降低趨勢(shì)。（3）在保證拌合物坍落度一致的條件下，不同外加劑對(duì)混凝土塑性收縮和抗裂性影響較明顯，與萘系減水劑和氨基磺酸系減

15、水劑相比，摻聚羧酸減水劑的高強(qiáng)混凝土塑性收縮小，抗裂性能好。參考文獻(xiàn)：1 AJTICJN P C，NEVILLE A，ACKER P.Integrated view of shrinkage deformationJ.Concrete International，1997（9）：35-41.2 繆昌文.高性能混凝土外加劑M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：7-10，87-88.3 尤啟俊，何孟浩.外加劑對(duì)混凝土收縮抗裂性能的影響J.混凝土，2004（9）：32-33.4 張文生，王宏霞，葉家元.聚羧酸類減水劑對(duì)水化硅酸鈣微觀結(jié)構(gòu)的影響J.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，34（5）：546-550.5 K

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