混凝土减缩剂的开发及应用效果.doc

建国亚洲有限公司 CHIEN KUO ASIA .LTD混凝土减缩剂的开发及应用效果韩建国1阎培渝21韩建国，工程师，博士，北京清华大学土木工程系1000842阎培渝，教授，博士，北京清华大学土木工程系1000841引 言 在常规的湿度条件(RH=10040)下，混凝土的收缩主要是由于失去其中的毛细管水时形成的凹液面导致的附加压力产生的。如在混凝土内毛细管水中，加入能降低气液界面张力的表面活性物质，即可降低由凹液面所产生附加压力，达到降低混凝土收缩量的目的。 最早出现的混凝土减缩剂(Shrinkagereducing Admixture，SRA)是1982年日本三洋化学工业公司和日立水泥公司联合开发的，商品名为Tetra guard。1998年，美国的Grace公司开发了商品名为Eclipse的混凝土减缩剂，它们对混凝土性质的影响如表1所示1,2。表1几种减缩剂对混凝土性质的影响品牌水胶比凝结时间引气性新拌混凝土工作性抗压强度Tetra guard0.55-0.45稍微缓凝不引气不影响几乎不降低EclipseO35稍微缓凝-稍有提高降低 1988年富田六郎将减缩剂的主成分归纳为通式R10(AO)nR2。其中骨架A为碳原子数24的环氧基，或两种不同的环氧基以随机顺序重合；n为重复度，以整数表示，一般为25，10以上的大分子结构也具有减缩机能；R为H基、烷基、环烷基或苯基3。 可见，可用作混凝土减缩剂的化学物质多为具有特定结构的非离子型聚醚，它是一种气-液界面活性剂。用作减缩剂的活性剂的分子结构不同，其性质也不同。由表1可见，两家公司开发的产品具有不同的性质，第一种不降低抗压强度，而第二种则要降低抗压强度。 在我国，尚无定型的混凝土减缩剂产品销售，也很难买到国外的产品。如同其它外加剂一样，各个生产厂家对其减缩剂的具体组分是保密的。因此，本文研究了非离子型界面活性剂的分子结构与性能之间的关系，开发了一种混凝土减缩剂，其主要组分为非离子型嵌段聚醚，并讨论了影响减缩剂作用效果的因素及减缩剂的实际作用效果。2影响混凝土减缩剂作用效果的因素 减缩剂作为一种新型的化学外加剂，其工作机理是在混凝土的自收缩和干燥收缩期间在毛细孔中形成的凹液面上富集，从而降低孔溶液的气液界面张力，并最终达到减小毛细孔中的附加压力的目的。为了使得减缩剂大幅度降低混凝土的自收缩和干燥收缩量，同时适应混凝土高碱度的水化环境，在早期混凝土的水化进程中不断生成水化产物和水化热的情况下具有长功效和高稳定性，还要保证混凝土的强度不受到异常的影响。用作混凝土减缩剂的物质应具有如下性质： 大幅度地降低气液界面张力。 对水泥的水化进程不产生异常影响。 在高碱度溶液中具有高稳定性。 在固相组分上不产生强烈的吸附。 高温低挥发性。 低引气性。图1 影响减缩剂作用效果的因素 为了使得所制备的表面活性剂具有上述的性质，综合平衡各影响因素之间的关系(图1)，本文所开发的混凝土减缩剂的主要组分是一种非离子型的嵌段聚醚，分子量为3000，比重103，掺量为混凝土用水量的5O。3混凝土减缩剂的作用效果31 SRA对减小水溶液表面张力的作用效果 在室温25摄氏度的条件下，采用毛细上升法4测定了自来水和重量浓度为30的减缩剂水溶液的表面张力(图2)。可见，掺入减缩剂后可大幅度降低气-液界面张力(降低53)。图2 减缩剂对水溶液表面张力的作用效果32 SRA对水泥；争浆孔结构的影响图3 空白样15天时的断面照片 图4掺入减缩剂试样15天时的断面照片 本试验旨在考察减缩剂的引气性，对肉眼可分辨的孔(大于O1mm)采用数码相机拍的方法予以观察，如图3和图4所示；对1Onm-0.1mm之间的孔用压汞法进行考察，如图5所示。可见，在水泥净浆中掺入5减缩剂后，并没有对净浆原有的孔结构产生扰动。图5 空白样和掺入减缩剂试样不同龄期的压汞试验结果33 SRA对水泥净浆水化度的影响 对不同龄期的水泥净浆试样在1051050范围内进行灼烧，通过测定其失重百分数，即非蒸发水含量，可测定水泥净浆试样在不同龄期的水化度，如图6所示，试验结果表明，减缩剂对水泥净浆早期的水化进程几乎没有影响，只是在5天后，才显示出促进水化的作用，这是由于减缩剂可减小水泥净浆的失水量，因而可维持体系内部的相对湿度，使得其水化程度较高的缘故。图6减缩剂对水泥净浆水化度的影响34 SRA对混凝土凝结时间和强度的影响 本试验旨在考察本文所开发的减缩剂对混凝土凝结时间和强度的影响。所用混凝土配合比如表2所示。由表3可见掺入减缩剂后混凝土的凝结时间稍有延长，但影响不大。由图7和图8可见，掺入减缩剂后，仅使混凝土的一天强度稍有降低，这可能是由于减缩剂的缓凝效应所致，而对其它龄期的强度没有影响，还稍有提高，这是一方面是由于掺入减缩剂时扣除了等体积的水，以使新拌混凝土具有相同的工作性，从而使得掺入减缩剂的混凝土水胶比稍低，另一方面是由于加入减缩剂后可促进混凝土的水化。表2混凝土配合比试样编号水泥(kgm3)粉煤灰(kgm3)硅灰(kgm3)SRA(kgm3)Water(kgm3)WB碎石(kgm3)砂(kgm3)C1-Control31512l48-150O311085723C1-SRA31512l487.5142.70.291085723表3减缩剂对混凝土凝结时间的影响试样编号初凝时间(min)终凝时间(min)C1Control260770C1SRA295795图7减缩剂对混凝土抗压强度的影响 图8减缩剂对混凝土抗折强度的影响35 SRA对混凝土自收缩和干燥收缩的影响 使用混凝土减缩剂的最主要目的是减小混凝土自收缩和干燥收缩量，本文使用Tarawa的自收缩测定方法，测定了混凝土从初凝开始的自收缩量和混凝土从拆模后在T=20，RH=60的养护室中恒温24小时后开始测定的干燥收缩量。混凝土的配合比如表2所示。如图9所示，掺入减缩剂后，混凝土在16，40，150，和300小时的自收缩可分别减小66，60，54，和48。如图10所示，掺入减缩剂后，混凝土在5，15，和40天的干燥收缩可分别减小64，64，和46。图9减缩剂对混凝土自收缩的作用效果图10减缩剂对混凝土干燥收缩的作用效果36 SRA对收缩应力和受限开裂时问的影响 减缩剂最终作用效果是要体现在通过减小混凝土的自收缩和干燥收缩量，使得混凝土中的收缩应力减小，抗开裂能力增强。本文采用温度应力试验机和水泥净浆受限环来考察混凝土对受限应力和开裂时间的作用效果。 温度-应力试验机的工作原理是：通过试验架上的位移传感器(LVDT)和力传感器以及控制程序，使得混凝土的位移量在2um的范围内波动。在混凝土试样进行位移零点复位的过程中，控制程序通过位移传感器和力传感器记录下混凝土试样的位移量和力值，经过对这些位移量和力值进行累计和变换，即可求得混凝土试样随时间而变化的应变和应力。通过在混凝土试样中安置的温度传感器，可得到混凝土试样的温度随时间的变化历程。 净浆开裂环的工作原理是：通过粘贴于净浆试样表面的应变片，可得到净浆试样随时间而变化的应变值，当净浆试样发生开裂时，该应变值会发生突变。所以，通过将应变片与应变仪和相应的控制程序相连接，即可记录下净浆试样的开裂时间。表4混凝土配合比试样编号水泥(kgm3)粉煤灰(kgm3)硅灰(kgm3)SRA(kgm3)Water(kgm3)WB碎石(kgm3)砂(kgm3)C2-Contr01350150-1750.351065710C2-SRA350150-8.6166.40.331065710图11 减缩剂对混凝土收缩应变和收缩应力的作用效果温度-应力试验机所使用的混凝土配合比如表4所示，试验时的外界环境为T=20，混凝土试样处于绝湿和半绝热状态。试验结果如图11所示，图中的1号和2号曲线分别为空白和掺入减缩剂混凝土试样随时间而变化的应变量，对比这两条曲线可见，掺入减缩剂试样的膨胀应变开始发生的时间延迟，这是由于减缩剂具有缓凝效应所致。到72小时为止，1号曲线在膨胀和收缩之间的应变差值为578E-6，而2号曲线在膨胀和收缩之间的应变差值为359E-6，后者相对于前者的应变差值减小了38，这是因为掺入减缩剂可减小混凝土自收缩的缘故。3号和4号曲线分别为为空白和掺入减缩剂混凝土试样随时间而变化的应力。由于减缩剂的缓凝作用，4号曲线开始产生应力的时间要比3号曲线滞后，到72小时为止，3号曲线在膨胀和收缩之间的应力差值为0973MPa，而4号曲线在膨胀和收缩之间的应力差值为O635MPa，后者相对于前者的应力差值减小了35。可见，混凝土在掺入减缩剂后，由于其自收缩量的减小，其收缩应力也相应地减小。图12减缩剂对净浆受限环开裂时间的作用效果 水泥净浆受限环的试验环境为T=20，RH=43。结果如图12所示，图中应变值的突变时刻表示水泥净浆受限环的开裂时刻。空白样的开裂时刻为60小时，而掺入减缩剂的试样到280小时依然没有开裂，这是由于掺入减缩剂后，使得水泥净浆的收缩量减小，相应的收缩应力亦降低的缘故。 将温度-应力试验机和水泥净浆受限环的试验结果结合起来可知，掺入减缩剂后，可使得混凝土的收缩景减小，收缩应力降低，开裂时间推迟。所以其早期的开裂风险降低。4 结 论通过研究表面活性剂分子结构与性能之间的关系，开发了非离子嵌段聚醚型混凝土减缩剂，并对其在水泥净浆和混凝土中的作用效果进行了测定。试验结果表明：该减缩剂在不影响混凝土水化进程和强度发展的前提下，可大幅度地降低混凝土的收缩量、收缩应力和开裂风险。参考文献1 Nmai C K，Tomita R，Hondo F，Buffenbarger JShrinkage-reducing admixturesConcrete International，1998，20(4)，PP31-372