摻聚羧酸減水劑的高強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混凝土塑性收縮與抗裂性能研究劉麗霞，楊長輝，吳 芳，陳 科（重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045）摘 要： 研究了摻聚羧酸減水劑對高強混凝土塑性收縮與抗裂性能影響。結果表明：水膠比在 0.280.34 范圍內，隨水膠比提高，摻聚羧酸減水劑的高強混凝土塑性收縮呈增長趨勢，混凝土初裂時間延遲，裂縫面積增大。在 0.15%0.23%范圍內提高聚羧酸外加劑摻量，高強混凝土塑性收縮降低，初裂時間延遲，裂縫面積呈減小趨勢。與萘系及氨基磺酸鹽系減水劑相比，在工作性相當?shù)臈l件下?lián)骄埕人釡p水劑有利于降低高強混凝土的塑性收縮，提高其抗裂性能。關鍵詞： 聚羧酸減

2、水劑；高強混凝土；早期收縮；抗裂性能0 引言隨著混凝土強度的不斷提高，其塑性收縮開裂加劇的問題已成為當今國內外混凝土領域研究的熱點，也是建筑工程界所面臨的最嚴峻問題之一1。工程界和學術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，可明顯改善混凝土拌合物性能4-7，但針對摻聚羧酸減水劑的高強混凝土塑性收縮與抗裂性能的研究相對較少，已有的研究結果也存在著較大的差異8。試驗研究了水膠比、減水劑摻量對摻聚羧酸減水劑的高強混凝土塑性收縮與抗裂性能的影響；同時與萘系及氨基磺酸鹽系兩種減

3、水劑對比，分析了減水劑種類對高強混凝土塑性收縮與抗裂性能的影響。1 原材料與試驗方法1.1 原材料試驗采用重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的 P·O 42.5R 級水泥，化學成分見表 1。細集料為簡陽中砂，細度模數(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 試驗方法混凝土塑

4、性收縮定量測定在空氣溫度和相對濕度分別為（20±2）和（60±5）%的室內環(huán)境條件下進行，采用激光三角反射位移傳感器法進行測量，測試齡期為 24 h，試驗裝置見圖 1?；炷粱鶞逝浜媳葹樗嗍由?=12.51.3，根據(jù)試驗要求調整用水量，確定外加劑種類及用量?？沽研阅茉囼灢捎?ACI 推薦的集中約束平板法，試驗裝置如圖 2 所示。混凝土攪拌后迅速入模并刮平，在風速、空氣溫混 凝 土Concrete2009 年 第 10 期（ 總 第 240 期）Number 10 in 2009（Total No.240）度、相對濕度分別為 8 m/s、（20±2）、（60&#

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

6、水泥顆粒的繼續(xù)水化，毛細孔中的水分被消耗，產(chǎn)生的毛細孔負壓（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，同時水膠比越高，水泥石中形成的毛細孔越多，因而高強混凝土塑性收縮值也越大?；炷猎嚇涌沽研阅茉囼灲Y果見表 2。結果表明，水膠比在0.280.34 范圍內增大，摻聚羧酸減水劑高強混凝土的初始裂縫出現(xiàn)時間延遲，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，進而延緩了開裂時間；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會產(chǎn)生有利的中心質效應，有利的中心質效應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，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。當減水劑摻量為 0.15%、0.18%、0.20%時混凝土的塑性收縮率相當。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濕程度，而這種潤濕程度是決

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”含量對使混凝土產(chǎn)生塑性收縮的臨界毛細管水壓力（Pc）以及達到該臨界壓力的時間 TP有重要影響。當混凝土拌合物體系處于中等塑性狀態(tài)（本試驗條件下為摻量 0.15%、0.18%、0.20%）時，較少的泌水使混凝土毛細管水壓力較快發(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通過試驗得出存在一臨界水膠比（適當?shù)臐駶櫝潭龋┦够炷恋乃苄允湛s值達最大，本試驗條件下，摻量為 0.18%收縮值達最大。隨減水劑摻量增至 0.23%時，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，使混凝土毛細管水壓力發(fā)展速度減緩，達到臨界壓力 Pc的時間延長，塑性收縮減小，同時聚羧酸減水劑摻量過大時致使液相中聚胺酸類物質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結果顯示，在 0.15%0.23%范圍內，PCA 摻量越大，試件初始裂縫出現(xiàn)的時間延遲。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)的時間長，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間延遲；減水劑摻量增加，使得混凝土的早期凝結硬化減緩，強度發(fā)展緩慢，混凝土因表面水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的毛細孔收縮應力得不到有效抑制，混凝土的裂縫面積增加，但是當減水劑的摻量繼續(xù)提高，超過一定摻量時，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形成的較小凝膠團不能互相聚集，且在這一時間段內，水化反應使拌合物剛性結構進一步形成，降低了混凝土塑性變形能力，增大了混凝土塑性抗拉強度，對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。2.3 減水劑種類的影響圖 5 為減水劑種類對高強混凝土塑性收縮的影響。試驗中，混凝土拌合物初始坍落度均控制在（200±20）mm 范圍。由圖可知，不同種類減水劑對高強混凝土的塑性收縮影響差別較大。成型約 3h 時，高強混凝土塑性收縮均快速增長，摻萘系減水劑和氨基磺酸鹽減水劑的高強混凝土約 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為：FDN>AS>PCA。這一結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。水泥漿體毛細孔負壓（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，隨著水化反應的進一步進行，水泥-水懸浮體系中液相的濃度達到一定的極限值，開始生成許多新相的初始晶胚，水泥漿體凝聚結構逐漸形成，其結構強度逐漸能夠穩(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 快速增長階段始終落在凝聚以前，此時正處于塑性-彈塑性轉變階段；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孔內水

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。減水劑種類對高強混凝土抗裂性能的影響見表 4。拌合物初始坍落度相當時，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)時間最早，摻 AS 的混凝土初始裂縫出現(xiàn)時間最遲。萘系減水劑僅通過靜電斥力效應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使水泥顆粒良好的分散，同時黏聚性也得到提高，故初裂時間較萘系有所延后；同時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拌合物泌水性的影響以及混凝土早期強度的促進作用有關，初始裂縫出現(xiàn)時間遲、開裂面積最小。3 結論（1） 水膠比在 0.280.34 范圍內，摻聚羧酸減水劑的高強混凝土在成型最初 4 h 內，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，初裂時間延遲，裂縫面積增加。（2） 水膠比為 0.28 時，隨聚羧酸系減水劑摻量在 0.15%0.23%范圍內增高，高強混凝土初裂時間延遲，塑性收縮值呈降低趨勢。（3）在保證拌合物坍落度一致的條件下，不同外加劑對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混凝土塑性收縮小，抗裂性能好。參考文獻：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：化學工業(yè)出版社，2008：7-10，87-88.3 尤啟俊，何孟浩.外加劑對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.聚羧酸類減水劑對水化硅酸鈣微觀結構的影響J.硅酸鹽學報，2006，34（5）：546-550.5 K

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