高性能聚羧酸混凝土減縮材料的性能測(cè)試,建筑材料論文

高性能聚羧酸混凝土減縮材料的性能測(cè)試,建筑材料論文無(wú)論在當(dāng)今還是將來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，水泥混凝土都將是高層建筑和大型橋梁等工程應(yīng)用最廣、用量最大的構(gòu)造材料。一般以為，用于構(gòu)造上的水泥混凝土要求具有良好的工作性能、較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性能。為了知足這些要求，水泥混凝土往往采用提高水泥用量和細(xì)度、大量使用礦物摻合料，固然知足了工作性能和強(qiáng)度的要求，但實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)水泥混凝土早期收縮開(kāi)裂現(xiàn)象相當(dāng)普遍[1-2],嚴(yán)重影響了水泥混凝土的耐久性能。因而，加強(qiáng)怎樣降低水泥混凝土收縮開(kāi)裂問(wèn)題的討論已成為關(guān)于水泥混凝土領(lǐng)域研究的熱門[3-4].近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外為了減縮防裂通常采用添加膨脹劑、纖維、減縮劑等措施。可是，添加膨脹劑存在高溫穩(wěn)定性差、膨脹延緩和水分用量高問(wèn)題[5-6];添加纖維存在用量大、成本高、施工操作復(fù)雜、混凝土工作性能低等問(wèn)題；單純添加減縮劑也存在成本高、與減水劑相容性、強(qiáng)度出現(xiàn)下降等問(wèn)題[7].綜合以上情況，課題組通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了一種高性價(jià)比、高分散、高減縮多功能的高性能聚羧酸混凝土減縮材料。文中在自主研發(fā)的基礎(chǔ)上通過(guò)測(cè)定添加了高性能聚羧酸混凝土減縮材料的水泥凈漿流動(dòng)度、在水泥顆粒外表上的吸附行為、溶解在孔溶液中的外表張力、蒸發(fā)速率、動(dòng)力黏度以及對(duì)水泥石孔構(gòu)造分布的影響，進(jìn)一步分析了高性能聚羧酸混凝土減縮材料的作用機(jī)理。1材料與方式方法1.1主要原料與儀器1.1.1主要原料高性能聚羧酸混凝土減縮材料[8]〔SRA-PC減縮材料〕：自制；水泥：海螺牌普通硅酸鹽水泥〔PO42.5R〕，安徽海螺水泥股份有限公司產(chǎn)品；標(biāo)準(zhǔn)砂：中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司產(chǎn)品；水：自來(lái)水與蒸餾水。1.1.2主要儀器UV757CRT/PC型紫外分光光度計(jì)，由上海儀電分析儀器有限公司提供；QBZY-3型表界面張力儀，由蘇州江東精致細(xì)密儀器有限公司提供；1834A型烏氏黏度計(jì)，由北京天創(chuàng)尚邦儀器設(shè)備有限公司提供；SNE-4500MB型掃描電子顯微鏡〔SEM〕，由德國(guó)Leica公司提供；PoreMasterMacro壓汞儀，由美國(guó)Quantachrome公司提供。1.2測(cè)試與表征1.2.1水泥凈漿流動(dòng)度及其保持性測(cè)試參考(混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方式方法〕〔GB/T8077-2020〕制備摻有SRA-PC減縮材料水泥凈漿，并根據(jù)混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方式方法，測(cè)試添加了SRA-PC減縮材料的水泥凈漿初始流動(dòng)度及1h后流動(dòng)度保持情況。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.1.2.2水泥砂漿減縮率測(cè)試參照(水泥膠砂干縮試驗(yàn)方式方法〕〔JC/T603-2004〕測(cè)試摻有SRA-PC減縮材料水泥砂漿試塊在標(biāo)準(zhǔn)干縮養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3d和28d減縮率。1.2.3水泥顆粒外表吸附量測(cè)試采用UV757CRT/PC型紫外分光光度計(jì)分別測(cè)試水泥顆粒外表對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料吸附前初始質(zhì)量濃度〔cf,g/L〕和吸附后殘留在溶液中的質(zhì)量濃度〔cb,g/L〕，然后按式〔1〕計(jì)算水泥顆粒對(duì)SRA-PC減縮材料的吸附量〔Ad,mg/g〕：華而不實(shí)，V是SRA-PC減縮材料溶液體積，mL;m為水泥質(zhì)量，g.1.2.4溶液外表張力測(cè)試參考(混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方式方法〕〔GB/T8077-2020〕，在QBZY-3型表界面張力儀上測(cè)試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SRA-PC減縮材料溶解在水溶液和孔溶液中的外表張力，以3次測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值作為溶液外表張力值，精到準(zhǔn)確到0.1mN/m.華而不實(shí)，孔溶液是在去離子水中參加0.35mol/m的氫氧化鉀和0.05mol/m的氫氧化鈉制備而成[8].1.2.5溶液蒸發(fā)速率測(cè)試在相對(duì)濕度為〔505〕%、溫度為30℃下，分別稱取20g由不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制而成的SRA-PC減縮材料水溶液和孔溶液置于不同蒸發(fā)皿〔70mm〕中，采用分析天平分別測(cè)試并記錄靜置1d后SRA-PC減縮材料溶液的質(zhì)量損失，SRA-PC減縮材料溶液蒸發(fā)速率v〔10-3kg/〔m2h〕〕按式〔2〕計(jì)算：華而不實(shí)，m0為SRA-PC減縮材料溶液初始質(zhì)量，g;m24為SRA-PC減縮材料溶液靜置1d的質(zhì)量，g;S為在蒸發(fā)皿SRA-PC減縮材料溶液暴露面積，m2;24為靜置時(shí)間，24h.1.2.6溶液動(dòng)力黏度測(cè)定根據(jù)(聚合物稀溶液粘數(shù)和特性粘數(shù)測(cè)定〕〔GB/T1632-1993〕，在1834A型烏氏黏度計(jì)測(cè)試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SRA-PC減縮材料溶液動(dòng)力黏度。1.2.7MIP測(cè)試水泥石試樣孔構(gòu)造分布情況采用PoreMasterMacro壓汞儀測(cè)試。1.2.8SEM觀測(cè)按(混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方式方法〕〔GB/T8077-2020〕制作水泥石試塊，采用SNE-4500MB型掃描電子顯微鏡表征其斷面形貌。2結(jié)果與討論2.1SRA-PC減縮材料分散性能評(píng)價(jià)隨著時(shí)間的推移，添加了SRA-PC減縮材料的水泥凈漿流動(dòng)度的變化曲線如此圖1所示。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.由圖1能夠看出，當(dāng)SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%時(shí)，隨著時(shí)間的推移，水泥凈漿流動(dòng)度呈現(xiàn)平穩(wěn)降低的變化趨勢(shì)，但在2h內(nèi)，其降幅很小。凈漿初始流動(dòng)度為300mm,1h后流動(dòng)度為295mm,經(jīng)時(shí)損失僅為1.67%,幾乎無(wú)損失。原因是SRA-PC減縮材料分子引入能夠促使支鏈得到更好伸展的減縮基團(tuán)，使其支鏈更有利于空間位阻作用的充分發(fā)揮，同時(shí)在強(qiáng)極性磺酸基官能團(tuán)靜電斥力作用下，降低了水泥顆粒之間產(chǎn)生絮凝,進(jìn)而提高了水泥凈漿初始流動(dòng)度和保塑性能。2.2SRA-PC減縮材料減縮性能評(píng)價(jià)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，添加了SRA-PC減縮材料的水泥砂漿枯燥收縮量與收縮率的變化曲線如此圖2所示。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.由圖2能夠看出，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試樣，摻有SRA-PC減縮材料的水泥砂漿干縮量隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而遞增。在齡期7d前砂漿的枯燥收縮量增幅大，過(guò)了齡期7d后增幅則開(kāi)場(chǎng)下降。講明SRA-PC減縮材料對(duì)水泥砂漿早期枯燥收縮影響較大，后期固然有一定程度上的影響，但影響效果明顯降低。圖2還顯示，摻有SRA-PC減縮材料的水泥砂漿收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)出現(xiàn)降低變化趨勢(shì)。同樣在齡期7d前降幅較大，過(guò)了齡期7d后降幅趨于緩慢降低，最后保持穩(wěn)定?？梢?jiàn)，SRA-PC減縮材料對(duì)水泥砂漿早期凝結(jié)硬化經(jīng)過(guò)中的減縮能力強(qiáng)，而后期還是能夠保持一定程度減縮效果。2.3SRA-PC減縮材料的作用歷程2.3.1水泥顆粒對(duì)SRA-PC減縮材料的吸附行為隨著質(zhì)量濃度的提高，水泥顆粒對(duì)SRA-PC減縮材料吸附在其外表的吸附率的變化曲線如此圖3所示。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料的質(zhì)量濃度為5.0g/L,7.5g/L,10.0g/L,12.5g/L,15.0g/L.由圖3能夠看出，水泥顆粒對(duì)5種不同質(zhì)量濃度的SRA-PC減縮材料平均吸附率僅為7.37%,表示清楚有92.63%的SRA-PC減縮材料是溶解在溶液中的。圖3還顯示，隨著SRA-PC減縮材料質(zhì)量濃度的增加，水泥顆粒對(duì)SRA-PC減縮材料的吸附率呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)SRA-PC減縮材料的質(zhì)量濃度為5.0g/L時(shí)，水泥顆粒對(duì)其吸附率為8.95%,當(dāng)SRA-PC減縮材料的質(zhì)量濃度為15.0g/L時(shí)，水泥顆粒對(duì)其吸附率僅為6.15%.原因主要決定于SRA-PC減縮材料分子上的醚鍵與水結(jié)合構(gòu)成氫鍵牢固程度和聚氧乙烯支鏈所提供的空間位阻效應(yīng)的大小。2.3.2SRA-PC減縮材料對(duì)溶液外表張力的影響圖4為溶解在孔溶液和蒸餾水中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料溶液外表張力的變化曲線。華而不實(shí)，RA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%,5.0%,10.0%,20.0%,40.0%,100.0%.由圖4能夠看出，當(dāng)SRA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w〔SRA-PC〕5%時(shí)，隨著w〔SRA-PC〕的增大，SRA-PC減縮材料無(wú)論是溶于孔溶液還是蒸餾水，其溶液外表張力都呈現(xiàn)出大幅降低的變化趨勢(shì)；當(dāng)w〔SRA-PC〕5%時(shí)，隨著w〔SRA-PC〕繼續(xù)增大，SRA-PC減縮材料溶液外表張力的降幅減小處于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)w〔SRA-PC〕=5%時(shí)，溶解于蒸餾水的SRA-PC減縮材料溶液外表張力降低了52.7%;而溶解于孔溶液的SRA-PC減縮材料溶液外表張力降低了41.3%.其實(shí)，SRA-PC減縮材料減少水泥基材料收縮，首先是通過(guò)降低溶液外表張力，進(jìn)而降低毛細(xì)孔負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此講明，SRA-PC減縮材料降低溶液外表張力是考量SRA-PC減縮材料減縮能力的一個(gè)主要因素。2.3.3SRA-PC減縮材料對(duì)溶液蒸發(fā)速率的影響圖5為溶解在孔溶液和蒸餾水中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料溶液蒸發(fā)速率的變化曲線。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,0.5%,1.0%,3.0%,5.0%,10.0%,30.0%.圖5能夠看出，從整體上，溶解在孔溶液或蒸餾水中的SRA-PC減縮材料溶液蒸發(fā)速率隨w〔SRA-PC〕的增大，呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)。原因可能是水的密度大于SRA-PC減縮材料的密度，溶液靜置24h后，SRA-PC減縮材料與水出現(xiàn)分層[9],隨著w〔SRA-PC〕的增大，將有更多的減縮材料富集于溶液外表，阻礙了水分蒸發(fā)，進(jìn)而降低了溶液蒸發(fā)速率。盡管溶液蒸發(fā)速率在w〔SRA-PC〕10%的條件下出現(xiàn)一些波動(dòng)，但總體上講，溶液蒸發(fā)速率還是呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)。原因決定于SRA-PC減縮材料在溶液外表富集程度與SRA-PC減縮材料所含揮發(fā)性溶劑對(duì)水分蒸發(fā)奉獻(xiàn)的權(quán)重上。由于試件內(nèi)部相對(duì)濕度隨著溶液蒸發(fā)速率的降低而提高，進(jìn)而降低了試件產(chǎn)生收縮驅(qū)動(dòng)力，可見(jiàn)，SRA-PC減縮材料降低溶液蒸發(fā)速率是考量SRA-PC減縮材料減縮能力的另一個(gè)主要因素。2.3.4SRA-PC減縮材料對(duì)溶液黏度的影響為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SRA-PC減縮材料溶液動(dòng)力黏度的變化曲線。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%,1.75%,2.5%,3.75%,5%,15%,50%,100%.由圖6能夠看出，SRA-PC減縮材料溶液動(dòng)力黏度隨著w〔SRA-PC〕的增大而呈現(xiàn)遞增的變化趨勢(shì)。原因可能是水分子的相對(duì)分子質(zhì)量遠(yuǎn)小于SRA-PC減縮材料，當(dāng)w〔SRA-PC〕增大時(shí)，SRA-PC減縮材料溶液動(dòng)力黏度因其分子間內(nèi)摩擦力的提高而增大。隨著SRA-PC減縮材料溶液動(dòng)力黏度的增大，水泥基材料的收縮因水分子在水泥水化所構(gòu)成的凝膠體中吸附作用的加強(qiáng)而降低?？梢?jiàn)，增大SRA-PC減縮材料溶液動(dòng)力黏度是考量SRA-PC減縮材料減縮能力的又一個(gè)不可忽視的因素。2.3.5MIP分析由毛細(xì)管應(yīng)力學(xué)講得知，水泥石中的毛細(xì)孔徑越小，失水產(chǎn)生的收縮應(yīng)力越大，由毛細(xì)管應(yīng)力引起收縮也就越大。添加了SRA-PC減縮材料水泥石的孔構(gòu)造分布規(guī)律如此圖7所示。華而不實(shí)，SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.由圖7能夠看出，與空白水泥石試樣相比，添加了SRA-PC減縮材料的水泥石中2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量明顯少于空白水泥石試樣，空白水泥石2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量為90.50%,而添加了SRA-PC減縮材料的水泥石2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量?jī)H為65.45%,與水泥石產(chǎn)生收縮有很大關(guān)系的2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量降低了25.05%.可見(jiàn)，在水泥石試樣中，添加了SRA-PC減縮材料能夠減少水泥石中直徑為2~50nm毛細(xì)孔數(shù)量，進(jìn)而大幅降低了水泥石枯燥收縮或由毛細(xì)管應(yīng)力引起水泥石強(qiáng)烈收縮。2.4水泥石SEM分析圖8為空白水泥石和添加了SRA-PC減縮材料的水泥石SEM圖像。華而不實(shí)，未摻入任何添加劑空白水泥石養(yǎng)護(hù)1d和28d后的SEM圖像如此圖8〔a〕，〔b〕所示；摻入SRA-PC減縮材料水泥石養(yǎng)護(hù)1d和28d后的SEM圖像如此圖8〔c〕，〔d〕所示。SRA-PC減縮材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%.從圖8能夠看出，摻入SRA-PC減縮材料的水泥凈漿經(jīng)養(yǎng)護(hù)1d和28d齡期，其水化產(chǎn)物形態(tài)與未摻入任何添加劑的水化產(chǎn)物形態(tài)明顯不同，原因取決于SRA-PC減縮材料的減水效果。由于SRA-PC減縮材料分子上接枝有靜電排擠作用大的強(qiáng)極性磺酸基官能團(tuán)和空間位阻效應(yīng)大的聚氧乙烯基支鏈，對(duì)水泥顆粒的分散作用得到提高，這有助于水泥充分水化，表現(xiàn)出摻入SRA-PC減縮材料的水泥石水化產(chǎn)物形態(tài)明顯優(yōu)于未摻入任何添加劑的水化產(chǎn)物形態(tài)。2.5SRA-PC減縮材料作用機(jī)理綜合以上分析，SRA-PC減縮材料作用機(jī)理是：一方面，在SRA-PC減縮材料分子構(gòu)造上不僅含有提供靜電斥力作用的強(qiáng)極性磺酸基基團(tuán)，而且還帶有提供空間位阻作用的聚氧乙烯基長(zhǎng)側(cè)鏈，同時(shí)由于引入能夠加強(qiáng)空間位阻作用的減縮基團(tuán)，使得水泥顆粒愈加分散；另一方面，在SRA-PC減縮材料分子構(gòu)造支鏈上接枝的非離子性減縮基團(tuán)不易被水泥顆粒所吸附，這有利于SRA-PC減縮材料通過(guò)降低溶液外表張力和蒸發(fā)速率、提高溶液黏度和改善水泥石毛細(xì)孔構(gòu)造分布來(lái)降低或抑制水泥基材料的收縮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高分散及高減縮的統(tǒng)一。3結(jié)束語(yǔ)1〕SRA-PC減縮材料具有良好的分散性能和保塑性能。摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%SRA-PC減縮材料的水泥凈漿初始流動(dòng)度可達(dá)300mm,1h后流動(dòng)度為295mm,經(jīng)時(shí)損失僅為1.67%,幾乎無(wú)損失。2〕SRA-PC減縮材料具有優(yōu)異的減縮性能。摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%S