掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩与抗裂性能研究

1、青岛鼎昌新材料有限公司掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩与抗裂性能研究刘丽霞，杨长辉，吴 芳，陈 科（重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045）摘 要： 研究了掺聚羧酸减水剂对高强混凝土塑性收缩与抗裂性能影响。结果表明：水胶比在 0.280.34 范围内，随水胶比提高，掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩呈增长趋势，混凝土初裂时间延迟，裂缝面积增大。在 0.15%0.23%范围内提高聚羧酸外加剂掺量，高强混凝土塑性收缩降低，初裂时间延迟，裂缝面积呈减小趋势。与萘系及氨基磺酸盐系减水剂相比，在工作性相当的条件下掺聚羧酸减水剂有利于降低高强混凝土的塑性收缩，提高其抗裂性能。关键词： 聚羧酸减

2、水剂；高强混凝土；早期收缩；抗裂性能0 引言随着混凝土强度的不断提高，其塑性收缩开裂加剧的问题已成为当今国内外混凝土领域研究的热点，也是建筑工程界所面临的最严峻问题之一1。工程界和学术界常采用在混凝土中加入各种外加剂等措施，以求改善混凝土的抗裂性，延长混凝土使用寿命2。聚羧酸减水剂是综合性能较好的一种混凝土外加剂3，具有减水率高、坍落度损失小等优点，可明显改善混凝土拌合物性能4-7，但针对掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩与抗裂性能的研究相对较少，已有的研究结果也存在着较大的差异8。试验研究了水胶比、减水剂掺量对掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩与抗裂性能的影响；同时与萘系及氨基磺酸盐系两种减

3、水剂对比，分析了减水剂种类对高强混凝土塑性收缩与抗裂性能的影响。1 原材料与试验方法1.1 原材料试验采用重庆拉法基水泥有限公司生产的 P·O 42.5R 级水泥，化学成分见表 1。细集料为简阳中砂，细度模数为 3.0。粗集料是粒径为 520 mm 的石灰石碎石。减水剂为GRACE 聚羧酸系高效减水剂（PCA），固含量 20%，减水率 30%，折固掺量为水泥用量的 0.15%0.23%；粉状萘系减水剂（FDN），减水率 25%，掺量为水泥用量的 0.5%1.5%；氨基磺酸盐高效减水剂（AS），固含量 35%，减水率 22%，掺量为水泥用量的 0.8%1.2%。1.2 试验方法混凝土塑

4、性收缩定量测定在空气温度和相对湿度分别为（20±2）和（60±5）%的室内环境条件下进行，采用激光三角反射位移传感器法进行测量，测试龄期为 24 h，试验装置见图 1。混凝土基准配合比为水泥石子砂 =12.51.3，根据试验要求调整用水量，确定外加剂种类及用量。抗裂性能试验采用 ACI 推荐的集中约束平板法，试验装置如图 2 所示。混凝土搅拌后迅速入模并刮平，在风速、空气温混 凝 土Concrete2009 年 第 10 期（ 总 第 240 期）Number 10 in 2009（Total No.240）度、相对湿度分别为 8 m/s、（20±2）、（60&#

5、177;5）%的条件下进行抗裂性能测试，记录裂缝出现的时间和发展情况，待裂缝不再发展时，分别使用 100 倍读数显微镜和软线测量裂缝宽度及长度。2 结果与讨论2.1 水胶比的影响图 3 为掺聚羧酸减水剂的高强混凝土的塑性收缩。结果表明，在拌合物成型的最初约 4 h 内，4 组试样的塑性收缩率相当，收缩发展较快；414 h，混凝土的塑性收缩发展速率有所减缓，水胶比的影响有所增强，塑性收缩随水灰比的提高呈增长趋势。约 20 h 后，收缩缓慢发展。高强混凝土中水泥水化早期反应速度较快，混凝土中的水被水化反应较快的消耗，未水化的水泥颗粒占据消耗水留下的孔隙，导致水泥石塑性收缩加剧；随着龄期增长，未水化

6、水泥颗粒的继续水化，毛细孔中的水分被消耗，产生的毛细孔负压（P）使得混凝土在初凝后继续硬化的过程中产生较大的收缩，同时水胶比越高，水泥石中形成的毛细孔越多，因而高强混凝土塑性收缩值也越大。混凝土试样抗裂性能试验结果见表 2。结果表明，水胶比在0.280.34 范围内增大，掺聚羧酸减水剂高强混凝土的初始裂缝出现时间延迟，但裂缝面积增加，与水胶比为 0.28 的试样相比，水胶比为 0.34 的试样裂缝面积增大了约 19.3%。聚羧酸减水剂使水泥颗粒分散，颗粒包裹的游离水得以释放9。随着水胶比的增加，水泥水化环境中有更多的游离水存在，使混凝土平板表面泌水速率大于水分蒸发速率，进而延缓了开裂时间；水胶

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间距较小时会产生有利的中心质效应，有利的中心质效应减少了界面过渡层的薄弱环节，使其更能抵抗较大的毛管压力（P），同时，拌合物体系的黏聚性较好，产生的塑性沉降较小，故水胶比越低，整体开裂面积越小。2.2 PCA掺量的影响聚羧酸减水剂的掺量不同，所配混凝土的塑性收缩率也不同，如图 4 所示。当减水剂掺量为 0.15%、0.18%、0.20%时混凝土的塑性收缩率相当。减水剂掺量增至 0.23%，混凝土塑性收缩率大幅度降低，10 h 时塑性收缩率约为掺量 0.18%试样的三分之二。新拌混凝土塑性状态主要取决于胶凝材料颗粒的润湿程度，而这种润湿程度是决

8、定于粒子之间的“自由水分”含量，减水剂的作用能使这种“自由水分”含量增多，相同环境条件下，混凝土拌合物中的“自由水分”含量对使混凝土产生塑性收缩的临界毛细管水压力（Pc）以及达到该临界压力的时间 TP有重要影响。当混凝土拌合物体系处于中等塑性状态（本试验条件下为掺量 0.15%、0.18%、0.20%）时，较少的泌水使混凝土毛细管水压力较快发展，增大的粒子间距也更易于产生塑性变形，从而表现为较大的混凝土塑性收缩。Wittman10通过试验得出存在一临界水胶比（适当的湿润程度）使混凝土的塑性收缩值达最大，本试验条件下，掺量为 0.18%收缩值达最大。随减水剂掺量增至 0.23%时，混凝土拌合物呈

9、较大流态，泌水程度加重，一方面混凝土中的自由水分易蒸发，另一方面混凝土中“自由水分”含量的增多，使混凝土毛细管水压力发展速度减缓，达到临界压力 Pc的时间延长，塑性收缩减小，同时聚羧酸减水剂掺量过大时致使液相中聚胺酸类物质增多从而使拌合物黏度增大，故混凝土塑性收缩发生延迟，表现为混凝土塑性收缩的起始收缩值较小，后期发展也较为缓慢。水胶比相同，PCA 掺量不同混凝土抗裂性能也不同。表 3结果显示，在 0.15%0.23%范围内，PCA 掺量越大，试件初始裂缝出现的时间延迟。PCA 掺量为 0.18%的试样裂缝面积最大，PCA 掺量为 0.23% 的试样裂缝面积最小，后者比前者约小23.9%。聚羧

10、酸减水剂的加入一定程度上延缓了水泥水化，同一水胶比下，减水剂掺量大的混凝土保持塑性状态的时间长，流变性大，抵抗收缩变形的能力也大，故聚羧酸减水剂掺量的提高使混凝土开裂时间延迟；减水剂掺量增加，使得混凝土的早期凝结硬化减缓，强度发展缓慢，混凝土因表面水分蒸发而产生的毛细孔收缩应力得不到有效抑制，混凝土的裂缝面积增加，但是当减水剂的掺量继续提高，超过一定掺量时，由于聚羧酸减水剂良好的分散作用，产生的较大空间位阻作用使水泥颗粒水化反应形成的较小凝胶团不能互相聚集，且在这一时间段内，水化反应使拌合物刚性结构进一步形成，降低了混凝土塑性变形能力，增大了混凝土塑性抗拉强度，对抵抗塑性开裂是有利的。因此，随

11、减水剂掺量的增加，混凝土拌合物早期收缩和塑性开裂有减小趋势。2.3 减水剂种类的影响图 5 为减水剂种类对高强混凝土塑性收缩的影响。试验中，混凝土拌合物初始坍落度均控制在（200±20）mm 范围。由图可知，不同种类减水剂对高强混凝土的塑性收缩影响差别较大。成型约 3h 时，高强混凝土塑性收缩均快速增长，掺萘系减水剂和氨基磺酸盐减水剂的高强混凝土约 8 h 后塑性收缩发展变缓，而掺入聚羧酸减水剂的混凝土约 20 h 后塑性收缩发展才变缓，但收缩量较小。20 h 后，三者的塑性收缩率分别为：203.3×10-5、17.5×10-5、93.2×10-5，最终

12、塑性收缩值由大到小顺序为：FDN>AS>PCA。这一结果与聚羧酸减水剂有利于提高混凝土体积稳定性的特性一致。水泥浆体毛细孔负压（P）自加水开始，在水化的初始阶段，即水泥初凝以前变化很小，随着水化反应的进一步进行，水泥-水悬浮体系中液相的浓度达到一定的极限值，开始生成许多新相的初始晶胚，水泥浆体凝聚结构逐渐形成，其结构强度逐渐能够稳定所形成的空孔及液弯面，P 开始迅速增加，而掺聚羧酸系减水剂的 P 快速增长阶段始终落在凝聚以前，此时正处于塑性-弹塑性转变阶段；而掺萘系减水剂和氨基磺酸系减水剂的 P 快速增长阶段都落在了终凝之后；此外，聚羧酸减水剂较其他两种减水剂在减小混凝土毛细孔内水

13、的表面张力和水泥水化放热曲线上有良好表现，因此更大程度上减小了混凝土的塑性收缩，提高了混凝土的体积稳定性2，11。减水剂种类对高强混凝土抗裂性能的影响见表 4。拌合物初始坍落度相当时，约为（200±20）mm，三种外加剂所配混凝土塑性收缩裂缝面积由大至小依次为：FDN>PCA>AS；掺 FDN 的混凝土初始裂缝出现时间最早，掺 AS 的混凝土初始裂缝出现时间最迟。萘系减水剂仅通过静电斥力效应增大水泥颗粒的分散性，而聚羧酸减水剂不仅通过静电斥力还通过空间位阻效应使水泥颗粒良好的分散，同时黏聚性也得到提高，故初裂时间较萘系有所延后；同时聚羧酸减水剂有一定的引气作用，有利于降低

14、水分蒸发和泌水，故开裂面积小。掺氨基磺酸盐减水剂的混凝土可能与其对拌合物泌水性的影响以及混凝土早期强度的促进作用有关，初始裂缝出现时间迟、开裂面积最小。3 结论（1） 水胶比在 0.280.34 范围内，掺聚羧酸减水剂的高强混凝土在成型最初 4 h 内，塑性收缩速率较快，4 h 后收缩速率减缓；水胶比提高，混凝土塑性收缩增大，初裂时间延迟，裂缝面积增加。（2） 水胶比为 0.28 时，随聚羧酸系减水剂掺量在 0.15%0.23%范围内增高，高强混凝土初裂时间延迟，塑性收缩值呈降低趋势。（3）在保证拌合物坍落度一致的条件下，不同外加剂对混凝土塑性收缩和抗裂性影响较明显，与萘系减水剂和氨基磺酸系减

15、水剂相比，掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩小，抗裂性能好。参考文献：1 AJTICJN P C，NEVILLE A，ACKER P.Integrated view of shrinkage deformationJ.Concrete International，1997（9）：35-41.2 缪昌文.高性能混凝土外加剂M.北京：化学工业出版社，2008：7-10，87-88.3 尤启俊，何孟浩.外加剂对混凝土收缩抗裂性能的影响J.混凝土，2004（9）：32-33.4 张文生，王宏霞，叶家元.聚羧酸类减水剂对水化硅酸钙微观结构的影响J.硅酸盐学报，2006，34（5）：546-550.5 K

16、INGERY W D.Factors affecting thermal stress resistance of ceramic materialsJ.Journal of the American Ceramic Society，1955（38）：3-15.6 HASSELMAN D P H.Approximate theory of thermal stress resistanceofbrittle ceramics involving creepJ.Journal of the American CeramicSociety，1969（50）：454-457.7 HASSELMAN D P H.Griffith criterion of thermal shock resistance ofsingle-phase versusmultiphase brittle ceramicsJ.Journal of the Amer ican Ceramic Society，1969（52）：288-289.8 高春勇，姚燕.化学外加剂对混凝土收缩开裂的影响D.中国建筑材料科学研究院，