孫立萍，吳葉

（1.江蘇省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210009；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098）

混凝土減縮劑抗裂性能研究

孫立萍1，吳葉2

（1.江蘇省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210009；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098）

為推廣應(yīng)用混凝土減縮劑，通過(guò)測(cè)定摻減縮劑砂漿的干燥收縮、圓環(huán)開裂性能和摻減縮劑的混凝土平板抗裂性能，評(píng)價(jià)了JG-SRA混凝土減縮劑的抗裂性能，并通過(guò)測(cè)定摻減縮劑的模擬水泥石孔溶液的表面張力，分析了減縮劑的作用機(jī)理。結(jié)果表明，JG-SRA的砂漿減縮率大于35%，圓環(huán)開裂時(shí)間比基準(zhǔn)砂漿推遲34 h，混凝土裂縫控制率大于50%。減縮劑通過(guò)降低水泥石孔溶液表面張力，提高內(nèi)部相對(duì)濕度，減少水分蒸發(fā)，有效地提高了混凝土體積穩(wěn)定性。

混凝土；減縮劑；收縮；抗裂

0 引言

混凝土作為重要的結(jié)構(gòu)材料，其體積穩(wěn)定性受到工程界的普遍關(guān)注。由于混凝土自澆筑后，受塑性收縮、溫度收縮、自收縮、干燥收縮和碳化收縮作用[1-3]，易導(dǎo)致早期開裂和混凝土耐久性問(wèn)題。通常，降低混凝土收縮的主要控制技術(shù)途徑有：加強(qiáng)早期濕養(yǎng)護(hù)、摻膨脹劑補(bǔ)償收縮、摻聚丙烯纖維等抗裂纖維等[4]。但是，摻膨脹劑的混凝土在養(yǎng)護(hù)不良及水灰比較低的情況下，膨脹補(bǔ)償效果會(huì)受到影響，并且存在混凝土后期收縮增加的問(wèn)題?；瘜W(xué)纖維可在一定程度上緩解混凝土塑性開裂，且由于其對(duì)塑性抗裂的貢獻(xiàn)，對(duì)提高混凝土的長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性具有一定的作用，但在纖維分散不均勻時(shí)，也會(huì)引起混凝土質(zhì)量問(wèn)題。減縮劑、減縮型減水劑的發(fā)明及其在混凝土中的應(yīng)用，提供了混凝土減縮抗裂有效的技術(shù)途徑[5]。本文對(duì)摻減縮劑的水泥砂漿和混凝土性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并研究減縮劑作用機(jī)理，為推廣應(yīng)用混凝土減縮劑提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

減縮劑：JG-SRA型混凝土減縮劑，摻量1%。

水泥：中國(guó)海螺P.II 42.5級(jí)水泥。

砂：細(xì)度模數(shù)2.62的中砂。

石子：5～20 mm連續(xù)級(jí)配石灰石碎石。

水：自來(lái)水、去離子水。

模擬孔溶液的配制：首先用去離子水配制20%KOH的溶液，再向盛有500 mL去離子水的燒杯中滴加20%KOH的溶液，控制pH=12.5。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 砂漿干燥收縮試驗(yàn)

水泥砂漿干燥收縮試驗(yàn)參照J(rèn)C/T603-2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試件尺寸為40 mm× 40 mm×160 mm，養(yǎng)護(hù)溫度20～22℃，相對(duì)濕度（60±5）%。分別測(cè)定3 d、7 d、28 d的收縮率，測(cè)定的齡期從放入干縮實(shí)驗(yàn)室時(shí)算起。砂漿流動(dòng)度控制在130～140 mm。

1.2.2 砂漿圓環(huán)開裂試驗(yàn)

參照ASTM C1581M-09a規(guī)定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行砂漿抗裂試驗(yàn)（圖1）。試驗(yàn)時(shí)，將成型好的砂漿試樣入模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，在溫度為20℃、濕度為60%的干空室中養(yǎng)護(hù)，定期測(cè)量初裂和最大裂縫寬度。

圖1 砂漿圓環(huán)

1.2.3 混凝土平板抗裂試驗(yàn)

基準(zhǔn)混凝土與受檢混凝土的配合比參照GB8706《混凝土外加劑》的規(guī)定，平板抗裂的試驗(yàn)裝置（圖2）、試件尺寸以及試驗(yàn)步驟按照GB/ T50082《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，將成型好的試樣立刻移至室溫23～26℃、風(fēng)速為3～4 m/s的風(fēng)扇下，仔細(xì)觀察試件的表面，記錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。每一試件測(cè)量過(guò)程為24 h，最初4 h內(nèi)每5 min測(cè)量一次，其后每隔1 h測(cè)量一次。采用裂縫面積和最大裂縫開裂寬度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。裂縫控制率K=100(1-m/ m0)%，其中m為受檢混凝土的開裂面積,m0為基準(zhǔn)混凝土的開裂面積。

圖2 混凝土平板試模

1.2.4 表面張力測(cè)定

將JG-SRA加入模擬孔溶液中，制得具有不同減縮劑濃度的模擬孔溶液，用BZY型自動(dòng)表面張力儀測(cè)試其表面張力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 減縮劑的減縮性能

圖3是摻減水劑砂漿及基準(zhǔn)砂漿收縮率隨齡期的變化。結(jié)果表明，在水化初期和早期，由于砂漿中水泥的早期的水化程度較低，內(nèi)部相對(duì)濕度較高，齡期7 d前，兩種砂漿的干燥收縮幾乎相同；但在7 d后，由于減縮劑的減蒸作用，受檢砂漿的收縮明顯下降，齡期14 d和28 d的減縮率分別達(dá)到36.3%和38.4%。

圖3 砂漿收縮率隨齡期的變化

與混凝土膨脹劑相比，摻用減縮劑的明顯優(yōu)勢(shì)在于不受施工環(huán)境影響，即使在干燥環(huán)境下也能降低砂漿和混凝土的干燥收縮，適合于在干燥環(huán)境下的混凝土和砂漿工程如路面、堆場(chǎng)、碼頭、混凝土大壩下游面等暴露面大的混凝土工程。在實(shí)際應(yīng)用中，除了可以在拌混凝土?xí)r摻入，減少混凝土收縮開裂，還可直接涂刷在混凝土表面，起保水養(yǎng)護(hù)的作用。隨著對(duì)混凝土減縮劑研究的深入以及其性能的提高，在人們?nèi)找骊P(guān)注混凝土的體積穩(wěn)定性和耐久性的今天，減縮劑作為一種能減少收縮開裂、提高混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性的功能外加劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 減縮劑的抗裂性能

表1是受檢砂漿和基準(zhǔn)砂漿圓環(huán)初裂時(shí)間及14 d裂縫寬度，摻減縮劑的砂漿初裂時(shí)間比基準(zhǔn)砂漿推遲了34 h，14 d的裂縫寬度降低了29.4%，充分說(shuō)明了減縮劑提高水泥基材料抗裂性能的有效性。

表1 砂漿圓環(huán)初裂時(shí)間及14 d裂縫寬度

表2列示了混凝土平板試驗(yàn)結(jié)果，摻用減縮劑可使混凝土裂縫總指數(shù)減少101.5，裂縫控制率為52.1%，表明減縮劑對(duì)控制混凝土塑性開裂具有重要的作用。通常情況下，混凝土表面裂縫細(xì)小，甚至在后期可自愈合，且裂縫寬度小于一定值時(shí)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度也是可以接受的；但表面裂縫不僅影響建筑物的觀感，而且可成為侵蝕介質(zhì)的通道，使有害氣體或離子更容易侵入到鋼筋表面，導(dǎo)致鋼筋銹蝕、水泥基材料性能劣化，尤其是處于潮濕環(huán)境或干濕交替環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土早期微裂縫將加速混凝土劣化、縮短建筑物的服役壽命。減縮劑或減縮型減水劑是現(xiàn)代長(zhǎng)壽命混凝土必不可少的組成材料。

表2 混凝土平板試驗(yàn)結(jié)果

2.3 減縮劑提高混凝土抗裂性能的機(jī)理

減縮劑作為兩性表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)中含有親水基團(tuán)和憎水基團(tuán)。親水基團(tuán)可為離子的或非離子的基團(tuán)，被帶氫鍵的極性溶劑、帶相反電荷的表面吸引。憎水基團(tuán)是非極性的碳?xì)滏?，被非極性溶劑吸引，但被極性分子排斥。通常情況下，兩性表面活性劑分子既可溶于極性溶劑，又可溶于非極性溶劑。兩性分子在水溶液中被非極性的水-氣界面或水-油界面吸引。由于表面活性劑在界面的吸附導(dǎo)致界面能降低，因而減縮劑能使水-空氣界面的表面張力降低，減少水分蒸發(fā)，進(jìn)而減少混凝土收縮。

圖4 水泥石孔溶液的表面張力

圖4是含JG-SRA型減縮劑對(duì)模擬水泥石孔溶液表面張力影響的試驗(yàn)結(jié)果，可見減縮劑在摻量較低時(shí)即可大幅度降低水泥石孔溶液的表面張力，而繼續(xù)加大摻量，表面張力的降幅不再明顯，這是減縮劑與水泥石相互作用的結(jié)果。Farshad Rajabipour等人研究了減縮劑與水泥孔溶液的相互作用。采用比表面積為360 m2/kg的I型普通硅酸鹽水泥，根據(jù)Bogue公式計(jì)算的礦物組成為60%C3S，12%C2S，12%C3A，7%C4AF，水泥等當(dāng)量Na2O含量為0.72%。試驗(yàn)在（23±1）℃條件下進(jìn)行。將減縮劑分別與去離子水（DI）和合成孔溶液（0.35 MKOH+ 0.05 MNaOH的去離子水溶液）混合，配制了不同濃度的減縮劑溶液。同時(shí)，研究了水灰比為0.3，摻與不摻SRA的水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間、孔溶液離子組成（Na，K，Ca）、離子色譜（SO42-）、酸滴定（OH-）隨時(shí)間的變化和孔溶液中SRA的濃度。結(jié)果表明，SRA濃度為5%、10%和20%的去離子水溶液，靜置60 d后，仍然為澄清、穩(wěn)定、宏觀各相同性的乳液，但SRA與合成孔溶液的混合物，濃度為5%和20%時(shí)，乳液也為澄清、穩(wěn)定、宏觀各相同性；濃度為10%的乳液呈乳濁狀，靜置12 h后，分離為兩相：頂層富含SRA，其余為SRA的稀溶液。電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明，頂部溶液中的SRA濃度接近50%，而底部溶液中的SRA含量約為7.5%。研究表明，合成孔溶液中的SRA濃度較低時(shí)（＜7.5%），可得到穩(wěn)定、透明、各項(xiàng)同性的微乳液，這種微乳液具有微粒結(jié)構(gòu)，微細(xì)的油滴被分散在連續(xù)的液相介質(zhì)中，并被吸附的表面活性劑分子保護(hù)。在中等濃度時(shí)（7.5%～15%），形成不穩(wěn)定的粗乳液。有趣的是，這種粗乳液分離為濃度約為7.5%的穩(wěn)定的微乳液和不易與孔溶液混合的富-SRA相。SRA濃度較高時(shí)（＞15%），又形成了穩(wěn)定、透明、宏觀各向同性的乳液，這可能是因?yàn)槲⒘ｓw系向雙層連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，得到如下結(jié)論：

（1）減縮劑可顯著減少混凝土塑性收縮和干燥收縮，砂漿減縮率大于35%，滿足低收縮水泥基材料性能指標(biāo)要求。

（2）摻用減縮劑的砂漿開裂時(shí)間比基準(zhǔn)砂漿推遲34 h，14 d裂縫寬度降低29.4%，對(duì)提高砂漿、混凝土的體積穩(wěn)定性具有重要作用。

（3）減縮劑的作用機(jī)理為：通過(guò)降低水泥石孔溶液表面張力，提高水泥石內(nèi)部相對(duì)濕度，減少混凝土水分蒸發(fā)，起減縮、抗裂作用。

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In order to apply shrinkage reducing admixture for concrete,crack resistance of JG-SRA type shrinkage reducing admixture was evaluated by testing dry shrinkage and ring experiment of mortar with JGSRA,and concrete plate experiment.Mechanism of shrinkage reducing admixture was analyzed by surface tension measurement of modeling pore solution of cement paste.Experimental results indicate that more than 35%dry shrinkage of mortar with JG-SRA is reduced,and crack time of mortar ring is delayed for 34 hours compared to basic mortar.No less than 50%crack can be controlled by use of JG-SRA in concrete.Lower surface tension of pore solution of cement paste containing shrinkage reducing admixture results in higher internal relative humidity，less water evaporation,and volume stability of concrete may be efficiently enhanced.

concrete;shrinkage reducing admixture;shrinkage;crack

孫立萍（1962-），女，本科，高級(jí)工程師，建筑材料專業(yè)。

蔚清）（

2014-7-18）