高效减水剂对水泥砂浆干燥的强度和收缩开裂的影响

1、高效减水剂对水泥砂浆干燥时的强度和收缩开裂的影响摘要：通过多通道椭圆环收缩开裂试验、自由收缩试验和强度试验综合研究了高浓型萘系（H-UNF，硫酸钠含量较低）、普通型萘系(C-UNF，硫酸钠含量较高和聚羧酸类高效减水剂(PC对水泥砂浆干燥时的强度和收缩开裂的影响。萘系高效减水剂和聚羧酸类高效减水剂的掺入延长了水泥砂浆的初始开裂时间，降低了水泥砂浆的开裂敏感性。而降低水泥砂浆开裂敏感性的效果为：聚羧酸类>高浓型萘系>普通型萘系。掺入高效减水剂显然增大了水泥砂浆的自由收缩值，而水胶比和水泥浆体的量保持不变。控制水泥砂浆体积稳定性的效果为：聚羧酸类>普通型萘系>高浓型萘系。聚羧

2、酸类高效减水剂的掺入减小了水泥砂浆的最大裂纹宽度，而高浓型萘系高效减水剂的掺入则加快了水泥砂浆最大裂纹宽度的发展速度。在干燥养护条件下，水泥砂浆28天的抗折强度和抗压强度随着高效减水剂掺量的增加而增强。掺聚羧酸类高效减水剂比掺萘系高效减水剂更能有效地提高水泥砂浆的强度。关键词：高效减水剂 收缩开裂 椭圆环试验 干燥条件1引言开裂是水泥基材料结构过早恶化从而缩短了其使用寿命的主要原因1。减水剂是一种高性能水泥基材料不可缺少的成分。聚萘系高效减水剂(PNS是第二代高效减水剂的代表。根据硫酸钠的含量，萘系高效减水剂可分为两类：硫酸钠含量较低（仅含5%甚至更低）的高浓型萘系（H-UNF）和硫酸钠含量较

3、高（15%-25%）的普通型萘系(C-UNF。聚羧酸类高效减水剂是第三代高性能减水剂，其分子结构表现出梳形，能阻止混凝土坍落度损失（90min内坍落度基本无损失），且不会引起明显缓凝。因此，聚羧酸类高效减水剂是目前国内外化学外加剂研究与开发的重点2,3。以前对高效减水剂的研究趋向于改善水泥基材料的流变性能和力学性能4-7。据作者的了解，至今还没有研究高效减水剂对水泥基材料的早期开裂和体积稳定性的影响。目前的研究目的在于确定高效减水剂的作用，即聚羧酸类高效减水剂和萘系高效减水剂对水泥基材料在干燥养护条件下的早期收缩开裂和体积稳定性的影响。2试验2.1试样制备混合料用拉法基（波兰特）硅酸盐水泥制成

4、。水泥：比表面积为351 m2 / kg，矿物组成为C3 S 含量为62. 1 % ，C2 S 含量为10. 8 %，C3A 含量为8. 8 % ，C4AF 含量为10. 9 %。粉煤灰：比表面积为350m2/kg。硅粉：比表面积为2.0×104m2/kg，密度为2.2g/cm3。这三种材料的化学组成见表1。该水泥的物理性质见表2。细集料为细度模数为2.5的天然河砂。表1 胶凝材料的化学组成表2 水泥物理性能使用的减水剂包括萘系高效减水剂和聚羧酸类高效减水剂。萘系高效减水剂是粉体，由含16%硫酸钠的普通型萘系减水剂(C-UNF和0.5%硫酸钠的高浓型萘系减水剂（H-UNF）组成。普通

5、型萘系减水剂和高浓型萘系减水剂的减水率为15%-25%。聚羧酸类高效减水剂（PC）是一种固含量为18%的液体产品，其减水率为30%以上。从以前的对粘结剂成分优化的研究来看，粘结剂包括水泥，粉煤灰，硅粉，其质量百分比为55405。混合比例详见表3。对于每个砂浆混合料，其流动性控制在120mm以上。表3 混合比例2.2 试验方法水泥基材料的初始开裂时间，直接反映了抵抗早期收缩开裂的能力。目前研究水泥砂浆的初始开裂时间是采用多通道椭圆环收缩开裂试验来测试，其示意图见图1。椭圆环模型在理论和建模方面的实例可以在其他文献中找到。钢制椭圆环尺寸如图2所示。图1 多通道椭圆环收缩开裂装置示意图图2 钢制椭圆

6、环尺寸图在目前的研究中，椭圆环试样是在20 ± 2，相对湿度（RH）超过50的条件下浇注成型，再在振动台上振捣30秒，然后在20 ± 1，相对湿度超过90条件下养护。18小时后，脱去椭圆环试样外模，该环试样的上表面用聚氨酯密封，以便干燥只能从侧表面进行。最后将试样放入20 ± 3，相对湿度为50± 4的干燥室中养护。沿椭圆环试样侧表面涂上导电涂层以便与测试电路接通，测试其初始开裂时间。选择养护18小时来模拟工地养护的最低条件，也加速开裂发生。由于多通道椭圆环收缩开裂试验可以通过计算机同时准确记录及监测5 个样品的初始裂缝出现时间，大大提高了测试水泥基材料

7、早期开裂敏感性的准确性和效率。水泥砂浆椭圆环试样的裂纹宽度采用放大镜观测。每7 天 测定一次椭圆环的最大裂纹宽度，观察并记录最大裂纹宽度的发展情况。将水泥砂浆浇注成尺寸为40 mm×40 mm× l 60 mm的棱柱体来测试抗弯和抗压强度。试样在20±2 ，RH50条件下浇注成型，然后在20±l ，RH90条件下养护18小时，脱模后放入将试件放入20±3，RH = (50 ±4 的干燥室中养护，即强度试验试样和初始开裂时间试验试样在同一时间脱模，并在相同的环境条件下养护。将水泥砂浆浇注成尺寸为25 mm×25 mm×

8、; 280 mm的棱柱体来测定其自由收缩值。试样在20±2 ，RH50条件下浇注成型，然后在20±l ，RH90条件下养护24小时，脱模后并测定试样长度作为基准长度。然后将试件放入20 ±3，RH = 50 ±4%的干燥室中养护，分别测定其1 ,2 ,3 ,7 ,14 ,21 ,28 天 的自由收缩值。3实验结果与分析3.1 初始开裂时间掺高效减水剂的水泥砂浆试样初始开裂时间测试结果如表4所示。从表中很显然看到不同高效减水剂的一般作用是增加了砂浆的初始开裂时间。因此，高效减水剂降低了砂浆的开裂敏感性。当萘系高效减水剂掺量为0.5 %1.0 %时，随着普通

9、型萘系高效减水剂掺量的增大，水泥砂浆的初始开裂时间明显减短，而随高浓型萘系高效减水剂掺量的增大，水泥砂浆的初始开裂时间显著延长。这种现象可以用碱含量和离子浓度来解释。普通型萘系高效减水剂中的Na2 SO4 含量达到16 % ,远高于高浓型萘系高效减水剂中的Na2 SO4 含量(0. 5 % ，Na2SO4 将Na+带入水泥基材料。作为一种碱，R2O 能加速了砂浆裂缝的出现9,10。因此，随着普通型萘系高效减水剂掺量的增大，水泥基材料碱含量大大增加，并且导致初始开裂时间减短。对于高浓型萘系高效减水剂，可能是由于砂浆中的自由水增多，从而降低了溶液中的离子浓度，导致结晶速度变慢，水泥砂浆以塑性状态存

10、在的时间延长，水泥砂浆中拉应力发展与抗拉强度发展有着更好的匹配。因此，水泥砂浆初始开裂时间随着高浓型萘系高效减水剂掺量的增大而延长。表4 水泥砂浆试样的初始开裂时间当聚羧酸类高效减水剂( PC 掺量在0.5 %1.5 %时，随着掺量的增大，水泥砂浆初始开裂时间显著延长,特别是当其掺量达到1.5%时，水泥砂浆在整个试验期间(达240小时 没有出现裂缝。当高效减水剂掺量相同时,水泥砂浆初始开裂时间的大小顺序为： G1>H1>C1>J1,G2>H2>C2>J1。可见降低水泥砂浆开裂敏感性的效果为：聚羧酸类>高浓型萘系>普通型萘系，即掺聚羧酸类高效减水剂

11、的水泥砂浆开裂敏感性低于掺萘系高效减水剂的水泥砂浆开裂敏感性。从抗裂性能角度出发，在实际工程中选用高效减水剂时应优先考虑采用聚羧酸类高效减水剂。3.2 自由收缩图3 ，4 分别反映了萘系、聚羧酸类高效减水剂对水泥砂浆自由收缩的影响。从这些结果可以看出，掺高效减水剂的水泥砂浆的自由收缩值显然高于对照砂浆的自由收缩值，且随着高效减水剂的掺量的增加而增大。这与杨医博, 文梓芸11报道的高效减水剂会增大水泥砂浆自由收缩值,特别是早期自由收缩值的现象是一致的。这种现象被认为是由于高效减水剂使水泥砂浆孔径细化所致，也就是说,掺入高效减水剂后,水泥砂浆中孔径为3. 225 nm 的孔体积含量明显增大。可见控

12、制砂浆体积稳定性的效果为：聚羧酸类> 普通型萘系> 高浓型萘系，即在控制水泥砂浆体积稳定性方面聚羧酸类高效减水剂优于萘系高效减水剂。这里必须指出，自由收缩的测量一般可分为两种方法：一种是测量密封条件下水泥砂浆的自收缩，另一种是测量干燥环境中水泥砂浆的干燥收缩(或称总收缩。本研究测量采用后者。图3 萘系高效减水剂对水泥砂浆自由收缩的影响图4 聚羧酸类高效减水剂对水泥砂浆自由收缩的影响3.3 最大裂纹宽度高效减水剂对水泥砂浆最大裂纹宽度的影响如图5所示。与对照砂浆相比，掺入1.0%聚羧酸类高效减水剂的水泥砂浆最大裂缝宽度减小，掺入1.0%高浓型萘系高效减水剂的水泥砂浆最大裂纹宽度发展得

13、比较快,其28天最大裂纹宽度甚至超过了对照砂浆。因此,当研究水泥砂浆的体积稳定性及早期开裂问题时,不仅有必要研究初始开裂时间和收缩,而且研究裂缝的发展趋势也是相当重要的。只有这样才能更有效、更快地解决水泥砂浆的体积稳定性问题,进而解决类似裂缝的耐久性问题。图5 高效减水剂对砂浆最大裂纹宽度的影响3.4 强度掺高效减水剂水泥砂浆的抗折强度和抗压强度如表5所示。随着普通型萘系高效减水剂掺量的增大,水泥砂浆的初始开裂时抗折强度明显减小,而随高浓型萘系高效减水剂或聚羧酸类高效减水剂的增加，水泥砂浆的初始开裂时抗折强度显著增大,这与掺高效减水剂水泥砂浆的初始开裂时间的规律是一致的。与基准样相比，掺1.0

14、%的聚羧酸类高效减水剂和掺1.0% 的高浓型萘系高效减水剂的水泥砂浆初始开裂时的抗折强度分别提高了48%和28%。当然，水泥砂浆初始开裂时的抗折强度与水泥砂浆的初始开裂时间有关。与表4一起分析水泥砂浆初始开裂时间，可以得出：在干燥条件下，水泥砂浆28天的抗折强度和抗压强度随高效减水剂用量的增加而增大。在水泥砂浆强度增加方面，聚羧酸类高效减水剂优于萘系高效减水剂。表5 掺高效减水剂砂浆的抗折强度和抗压强度4 结论a. 萘系、聚羧酸类高效减水剂的一般作用均延长了水泥砂浆的初始开裂时间，降低了水泥砂浆的开裂敏感性。可见，高效减水剂降低砂浆开裂敏感性的效果为：聚羧酸类> 高浓型萘系> 普通型萘系。掺聚羧酸类高效减水剂的水泥砂浆开裂敏感性低于掺萘系高效减水剂的水泥砂浆开裂敏感性。b. 在固定水胶比w/b和水泥浆体质量的情况下，高效减水剂可以增大水泥砂浆的自由收缩值，且水泥砂浆自由收缩值随着高效减水剂掺量的增加而增大。在增加水泥砂浆自由收缩值方面，萘系高效减水剂优于聚羧酸类高效减水剂。可见，高效减水剂控制水泥砂浆体积稳定性的效果为：聚羧酸类