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聚羧酸系减水剂对早期混凝土收缩变形的影响


  摘要:将同一品牌、三种类型的聚羧酸系减水剂掺入混凝土中,研究它们对早龄期混凝土收缩变形的影响及其规律。结果表明:三种类型的聚羧酸系减水剂对早龄期混凝土的收缩变形均能产生较大的影响,影响程度随着减水剂类型的不同而变化。在固定配合比条件下,外掺缓凝型聚羧酸系减水剂不仅不会使早龄期混凝土产生收缩变形,反而出现微膨胀,具有独特的减缩功效;但是,外掺标准型、早强型聚羧酸系减水剂则增大了早龄期混凝土的收缩变形,且外掺早强型聚羧酸系减水剂的增缩作用更加显著。因此,优先选用缓凝型聚羧酸系减水剂是减少早龄期混凝土收缩变形的有效手段。

关键词:聚羧酸系减水剂;混凝土;早期;收缩变形

1前言

随着我国大规模城镇化建设和预拌混凝土技术的快速发展,混凝土化学外加剂,特别是高效减水剂以其改善新拌和硬化混凝土综合性能、改变混凝土制备与施工方式、促进混凝土新技术发展及有助于节约资源和环境保护等优点,已经逐步成为预拌混凝土必不可少的组成材料或第五组分。据了解,厦门市预拌混凝土中几乎全部掺入了减水剂。中国建筑材料联合会混凝土外加剂分会统计显示,2013 年我国合成减水剂总产量达到954.24万吨,其中聚羧酸系高性能减水剂占合成减水剂总产量的52.2%。聚羧酸系减水剂是目前我国使用量大、应用面广的减水剂之一[1]

在我国由于高速铁路客运专线、大坝以及国家重点工程等大型项目的迅猛发展推动了聚羧酸高效减水剂的使用。目前,我国几乎所有国家重大、重点工程中,尤其在水利、水电、水工、海工、桥梁等工程中均广泛使用聚羧酸系减水剂,主要工程包括:三峡工程、龙滩水电站、小湾水电站、溪洛渡水电站、锦屏水电站等,还有苏通大桥、杭州湾大桥、东海大桥、磁悬浮工程等等。而混凝土搅拌站对聚羧酸系减水剂的使用仍处于观望阶段,主要原因是其价格较高且没有丰富的使用经验。由此看来,我国的聚羧酸系高效减水剂在成本等方面还有较大的下降空间,再加上其使用经验的积累和工艺条件的成熟,在不久的将来聚羧酸系高效减水剂必将成为我国混凝土减水剂行业最主要的品种之一[2]

作者所在的课题组对近5年的厦门市部分混凝土工程质量跟踪调查发现,90%的已建和在建混凝土工程或多或少地出现了裂缝问题,并且早期裂缝现象较为普遍。混凝土早期性能的研究是一个系统性的课题,因为这时水泥处于快速水化反应阶段,水泥石内部的化学组成、微观结构和物理力学性能都随时间而不断变化。尽管混凝土的早期自由收缩与开裂之间没有必然的联系,但考虑到早期混凝土的拉应变能力较低,当存在各类约束条件时,早期自由收缩值较大的混凝土构件内部的拉应力很有可能超过混凝土抗拉强度而导致开裂。裂缝的产生降低了混凝土构件的强度和耐久性,预防混凝土构件开裂已经成为混凝土工程中亟需解决的技术难题。

混凝土裂缝的成因非常复杂,除了结构设计、建筑施工、环境条件和荷载受力等因素外,预拌混凝土日益复杂的材料组分和配合比设计的影响也不容忽视。相关研究表明:减水剂的大量应用是混凝土收缩变形增大、开裂现象严重的诱因之一[3,4]。通过对厦门市多家预拌混凝土生产企业所用减水剂产品的调查,本文选取三种类型(缓凝型、标准型、早强型)的聚羧酸系减水剂作为研究对象,采用非接触式位移测量法,研究聚羧酸系减水剂在固定配合比条件下对早龄期混凝土收缩变形的影响,得到不同类型聚羧酸系减水剂对早龄期混凝土收缩变形的影响规律,探讨不同类型聚羧酸系减水剂影响早龄期混凝土收缩变形的机理,为预拌混凝土生产企业合理选择减水剂以及对混凝土配合比进行减缩设计提供依据。

2试验原材料与试验方法

2.1试验原材料

1)水泥:福建省漳州市龙海红狮水泥有限公司生产的“红狮”牌42.5级普通硅酸盐水泥,相关技术指标如表1所示。

1    水泥的技术指标检测结果

水泥品种

筛余

/%

MgO

/%

SO3

/%

烧失量/%

安定性

初凝

时间

/min

终凝

时间

/min

抗折强度

/MPa

抗压强度

/MPa

3d

28d

3d

28d

P.O42.5

1.74

3.60

1.80

1.53

合格

150

210

5.0

8.4

29.4

52.9

2)砂:中砂,符合Ⅲ区级配要求,,各项指标均符合JGJ 522006的规定。

3)碎石:公称粒级 525mm, 颗粒级配良好,,各项指标均符合JGJ 522006的规定。

4)水:洁净的自来水。

5)矿物掺合料:厦门益材粉煤灰有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰。

6)减水剂:三种“point”牌不同系列的缓凝型减水剂均来自于福建科之杰新材料有限公司,概况如表2所示。

2   三种类型聚羧酸系减水剂概况

序号

产品型号

产品类型

固含量

推荐掺量

1

Point-S

缓凝型聚羧酸系减水剂

20%

0.4%-2.0%

2

Point-S

标准型聚羧酸系减水剂

20%

0.4%-2.0%

3

Point-S

早强型聚羧酸系减水剂

20%

0.4%-2.0%

2.2试验方法

GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定,采用CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪测定早龄期(3d)混凝土的自由收缩变形。试件尺寸为 100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱体,试验在温度(20±2)℃、相对湿度(60±5%的恒温恒湿条件下进行。试验仪器如1图所示:

图片.png

1  CABR-NES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪

混凝土收缩率应按照公式(2.1)计算:

图片.png

式中:


测试期为th)的混凝土收缩率,t从初始读数时算起;


左侧非接触法位移传感器初始读数(mm)


左侧非接触法位移传感器测试期为th)的读数(mm)


右侧非接触法位移传感器初始读数(mm)


右侧非接触法位移传感器测试期为th)的读数(mm)

试件测量标距(mm),等于试件长度减去试件中两个反射靶沿试件长度方向埋入试件中的长度之和。

3 试验方案设计

依据混凝土配合比设计规程(JCJ55-2011),采用绝 对体积法设计了如表3所示的C40混凝土配合比试验方案,其中包括未掺减水剂的基准组(JZ)和掺加少量不同系列减水剂的试验组,研究固定配合比条件下不同系列缓凝型减水剂对混凝土早期收缩变形的影响。

3    混凝土试验配合比

试验编号

水泥/kg/m3

粉煤灰/kg/m3

砂/kg/m3

石/kg/m3

水/kg/m3

水胶比

砂率

聚羧酸系减水剂

掺量

类型

JZ

317.33

136

727.72

1004.94

181.33

0.4

40%

0

-

JS1

317.33

136

727.72

1004.94

181.33

0.4

40%

1.1%

缓凝型

JS2

317.33

136

727.72

1004.94

181.33

0.4

40%

1.1%

标准型

JS3

317.33

136

727.72

1004.94

181.33

0.4

40%

1.1%

早强型

4 试验结果与分析

4.1标准型聚羧酸系减水剂对早龄期混凝土收缩变形的影响

标准型聚羧酸系减水剂对早龄期(3d)混凝土收缩变形的影响结果如图2所示。

图片.png

2标准型聚羧酸系减水剂对3d龄期混凝土收缩变形的影响

由图2可以看出:基准组JZ在试验之初所产生的收缩变形较小,510h以内收缩变形加快,收缩率达到100×10-6;之后趋于稳定,缓慢发展,在68h时达到最大收缩率200×10-672h的收缩率回落至168×10-6。在固定配合比条件下,外掺标准型聚羧酸系减水剂的试验组在试验之初所产生的收缩变形微小,在415h收缩率增长迅速,并在9h时赶超基准组收缩率,出现239×10-6的峰值,在1572h呈现平稳回落回升的趋势,但均比基准组收缩率大,3d周期中的最大收缩率可达到254×10-6

在固定配合比条件下,外掺标准型聚羧酸系减水剂增大了3d龄期的混凝土收缩变形的原因是多种因素综合作用的结果。聚羧酸系减水剂是一类既具有降低表面张力作用,又具有一定引气作用的高性能减水剂。除了浆骨比降低的原因,它对混凝土收缩变形的影响受到毛细孔细化和孔溶液表面张力降低及含气量增加等多重因素的影响[5]

一方面,聚羧酸系减水剂使混凝土中部分毛细孔细化,混凝土中孔径变小,使同量水分蒸发产生的收缩变大,这将使混凝土早期收缩变大[6];聚羧酸系减水剂使混凝土含气量有所增加,降低了混凝土的抗变形能力[7],也会导致收缩率有所增加;聚羧酸系减水剂的碱含量低,因而引入到混凝土孔溶液中的碱金属离子相对较少,而碱金属离子浓度的增加会引起毛细孔中相对湿度的下降,从而增大早期混凝土的自由收缩。

另一方面,聚羧酸系减水剂的掺入能够降低混凝土中孔溶液的表面张力,这会减小收缩率[8]。有关研究表明,在低水胶比时,表面张力的降低对混凝土收缩产生的影响是主要的,引气作用产生的影响是次要的。因为在低水胶比时,混凝土中毛细孔的孔径较小,根据Laplace方程,毛细孔径越小,降低孔溶液的表面张力对减小收缩变形的影响越大;

4.2缓凝型聚羧酸系减水剂对早龄期混凝土收缩变形的影响

采用非接触式位移法测试了外掺缓凝型聚羧酸系减水剂对3d龄期混凝土收缩变形的影响,结果如图3所示。

图片.png

3缓凝型聚羧酸系减水剂对3d龄期混凝土收缩变形的影响

在固定配合比条件下,外掺缓凝型聚羧酸系减水剂的试验组的收缩率始终呈现负值状态,说明混凝土不仅不收缩,反而产生了微膨胀,伴随着时间的推移,到达3d龄期时的混凝土膨胀率达到88×10-6。试验结果充分体现了缓凝型聚羧酸系减水剂独特的减缩功效。

缓凝型聚羧酸系减水剂的掺入,会使预拌混凝土在前期的水化反应和初凝时间推迟,水泥浆体的凝结快慢取决于水泥的早期水化作用。缓凝型聚羧酸系减水剂缓凝作用遵循“吸附- 络合”机理。即由于缓凝型聚羧酸系减水剂在水泥颗粒表面的吸附阻止了SO42-C3A周围的聚集, 从而有效地控制了铝酸盐相的早期水化; 部分减水剂分子与Ca2+形成络合物, 使Ca2+浓度降低, Ca(OH)2不能迅速达到其饱和度, 从而抑制了Ca(OH)2的结晶过程; 减水剂分子中的亲水性基团, 能与水分子中氢原子形成氢键,生成缔合分子,束缚了水分子的运动,使得一定阶段内的水化反应速度降低[9],又因为水化反应会导致混凝土在硬化时产生化学收缩,水化反应速度的降低使得化学收缩量降低;另一方面混凝土中孔溶液的表面张力的降低,会减小收缩率。在上述因素的共同作用下,缓凝型聚羧酸系减水剂掺入预拌混凝土中会降低混凝土3d龄期的收缩变形。

4.3早强型聚羧酸系减水剂对早龄期混凝土收缩变形的影响

早强型聚羧酸系减水剂对早龄期(3d)混凝土收缩变形的影响结果如图4所示。

图片.png

4早强型聚羧酸系减水剂对3d龄期混凝土收缩变形的影响

在固定配合比条件下,外掺早强型聚羧酸系减水剂在试验之初产生微膨胀,在412h其收缩率增长迅猛,在12~16h依然缓慢增长,并达到峰值466×10-6,在1672h呈现波浪式的缓慢升降趋势,并维持在430×10-6附近波动。相比基准组而言,外掺早强型聚羧酸系减水剂大大增加了混凝土3d龄期收缩变形。

和缓凝型聚羧酸系减水剂相比,早强型聚羧酸系减水剂使水泥水化时间提前,研究表明[10]:分子结构上,早强型AN4000-3聚羧酸系减水剂具有长侧链,侧链分布较疏,主链上的-COOH比较密集,对水泥的吸附锚固作用强,吸附速度快,长侧链更提供了超强的空间位阻效应;主链中的活性基团链接通过离子键、氢键、共价键、范德华力相互作用,改变水泥颗粒表面电位,产生静电斥力。在静电斥力和空间位阻斥力的共同作用下,分散了絮状物质,释放出结合水和空气,为胶凝材料提供充足的游离水,水化程度大大提高,形成的固相物质分布更加均匀,结构更加致密,孔隙率减少,前期化学收缩量也会明显提高,从而和标准型聚羧酸系减水剂相比又进一步的增大了混凝土3d龄期的收缩变形。

 

4.4三种类型聚羧酸系减水剂对早龄期混凝土收缩变形的影响规律比较

为了便于比较,将三种缓凝型高效减水剂对早龄期(3d)混凝土收缩变形的影响结果同时绘制于图5

图片.png

5三种类型聚羧酸系

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