三种常用混凝土早期减缩抗裂材料的试验研究

三种常用混凝土早期减缩抗裂材料的试验研究

随着泵送设计的广泛应用和高性能混凝土的开发，化学外加剂的广泛应用，尤其是减水剂的广泛应用，显著增加了混凝土的收缩。学术界对此有了更一致的认识。混凝土的早期收缩增大,随之而来的问题是裂缝出现的时间大大提前,有的裂缝发生在拆模时,有的甚至发生在混凝土浇注后12h之内。目前混凝土工程中常用的减缩抗裂材料包括膨胀剂补偿收缩、减缩剂减少收缩以及聚丙烯纤维阻裂增韧。目前我国混凝土的收缩试验是根据GBJ82《混凝土耐久性和长期力学性能试验方法》进行的,该试验方法对混凝土3d之内的早期收缩无法反映。混凝土早期相关的试验研究多集中于抗裂试验,对早期塑性收缩的研究也相对较少。文中通过对同水灰比试验条件下三种常用材料对混凝土早期收缩性能的影响进行对比试验研究,明确三种常用材料对混凝土早期塑性收缩的影响,以期为混凝土工程中的实际应用提供参考。1原材料和试验方法1.1高效减水剂及减缩剂粗骨料:碎石,最大粒径31.5mm。细骨料:河砂,细度模数为2.61。水泥:P.O.42.5水泥(浙江都水泥有限公司生产)。聚丙烯纤维:聚丙烯拉丝异型纤维(杭州华驰新型建筑材料有限公司生产)。减水剂:脂肪族高效减水剂TA201(浙江大东吴建设新材料有限公司生产)。减缩剂:浙江大学建筑材料研究所开发研制的新型减缩剂ZDD-A。膨胀剂:HL-HEA高效混凝土膨胀剂(浙江合力新型建材有限公司生产)。1.2混凝土配合比试验文中采用的混凝土早期收缩测量装置是浙江大学建筑材料研究所自行设计的,详见图1。本试验混凝土设计强度为C30,混凝土水灰比为0.46,为了保持各配比混凝土同坍落度,用水量略有差异。为了更客观地比较,三种材料的掺量均采用生产厂家的推荐掺量。即聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3,膨胀剂掺量为8%,等量取代水泥,减缩剂掺量为1.6%。混凝土配合比见表1。每种试验条件下有六组试件,包括不掺任何外加材料的基准试件、三组单掺聚丙烯纤维、减缩剂、膨胀剂的试件、一组聚丙烯纤维和减缩剂双掺的试件,一组聚丙烯纤维和膨胀剂双掺的试件、在相对湿度60±5%、温度20±2℃的恒温、恒湿养护室内敞开自然养护。凝土浇注后5h(初凝)为混凝土收缩的起测时间,整个测量过程采用千分表人工读数。2试验结果及分析2.1双掺膨胀剂的混凝土减缩性能本试验混凝土设计强度为C30,水灰比为0.46,同水灰比条件下混凝土的配合比及实测坍落度详见表1。掺入聚丙烯纤维和膨胀剂的混凝土早期收缩曲线如图2所示。从表1和图2中可以看出:截至浇筑后3d,混凝土的收缩曲线趋于平稳。与基准混凝土比较,掺加聚丙烯纤维和膨胀剂的混凝土收缩值分别从571.2×10-6mm降低至451.9×10-6mm、449.9×10-6mm,减缩率分别为20.89%和21.24%。也就是说,在本试验条件下,尽管作用机理不同,掺量为0.9kg/m3的聚丙烯纤维和掺量为8%的膨胀剂都具有一定的减缩效果,且减缩率极为接近。值得注意的是,与基准混凝土相比,聚丙烯纤维和膨胀剂双掺的混凝土3d的收缩值从571.2×10-6mm降低至369.4×10-6mm,减缩率达到35.33%,见图2。这一数值将单掺聚丙烯纤维和单掺膨胀剂的混凝土减缩率分别降低了14.4%、14.1%。从中可以看出双掺膨胀剂和聚丙烯纤维对于减小混凝土早期收缩具有一定的复合效果,可以较为明显地提高单掺这两种材料的减缩率。掺入膨胀剂的混凝土在凝结硬化过程中会经历“收缩-膨胀”的过程,膨胀会在一定程度上补偿混凝土的早期收缩,这一补偿收缩的过程可以从掺加膨胀剂的试件JH、JHP的收缩曲线中明显地看出:在6~24h这一时间段内,混凝土收缩曲线有明显的回落,这也是膨胀剂表现出明显效应的时间段。聚丙烯纤维能够降低混凝土早期收缩的主要原因可能是纤维在混凝土内部形成了三维乱向体系,这一方面有效抑制了混凝土中骨料的集中和下沉,提高了混凝土的匀质性,另一方面阻断了混凝土内部水分溢出的通道,延缓或减少了水分的散失,进而降低了混凝土早期由于水分散失形成的收缩。双掺聚丙烯纤维和减缩剂对降低混凝土早期收缩表现出了良好的叠加效果。分析其原因,是因为膨胀剂中的膨胀组分发挥作用需要良好的外部湿度条件,而聚丙烯纤维的掺入在一定程度上阻隔了水分散失通道,一部分原本可能散失的水分滞留在混凝土内部;这部分滞留的水分一方面为膨胀剂中的膨胀组分发挥效应提供了良好的外部条件,另一方面又降低了混凝土因水分散失引起的收缩。2.2减缩剂的减缩机理掺入聚丙烯纤维和膨胀剂的混凝土早期收缩曲线如图3所示。从表1和图3中可以看出:截至浇筑后3d,混凝土的收缩曲线趋于平稳。与基准混凝土比较,掺加减缩剂的混凝土收缩值从571.2×10-6mm降低至303.7×10-6mm,减缩率达到46.83%。而减缩剂和聚丙烯纤维双掺的收缩值318.2×10-6mm,较基准混凝土减缩率为44.29%,这与减缩剂单掺的减缩率极其接近。因此,双掺纤维和减缩剂对减缩剂的减缩效果并无明显提高。减缩剂是通过水的物理过程起作用,因此几乎不存在水泥适应性的问题。减缩剂的主要作用机理是通过可以降低混凝土孔隙水的表面张力,进而减小毛细孔失水时产生的收缩应力。减缩剂能使混凝土孔隙水的粘度增加,并增强水分子在凝胶体中的吸附作用,从而能进一步减小混凝土的最终收缩值。从减缩剂的作用机理分析可以看出,减缩剂对外部条件尤其是水分条件的要求相对较低,因此,相对膨胀剂相来说,其减缩效应的发挥也更为稳定;这也可能是减缩剂与聚丙烯纤维双掺不具有叠加效果的原因所在。2.3通过对三种材料措施对混凝土初收缩值的影响的分析结合前期收缩试验结果,我们可以对这三种混凝土减缩抗裂材料做一个全面的比较。2.3.1减缩剂的使用效果试验结果表明:从聚丙烯纤维、膨胀剂和减缩剂的减缩率来看,三种材料的排序如下:减缩剂≈减缩剂+聚丙烯纤维>膨胀剂+聚丙烯纤维>膨胀剂>聚丙烯纤维,减缩剂具有较为明显的优势。单从减少混凝土早期收缩的角度来看,而最有效的措施是单掺减缩剂,其次是聚丙烯纤维和减缩剂或膨胀剂复合使用,而膨胀剂和聚丙烯纤维单掺的效果相对较差。考虑到减缩剂已经具有较大的减缩率,而加入聚丙烯纤维对其减缩率并无明显提高,从经济性考虑,如果仅做减缩措施,减缩剂和聚丙烯纤维不宜双掺。2.3.2减缩抗裂材料的筛选从上述试验结果可以看出:在本试验条件下,减缩剂减小混凝土早期收缩的效果最为明显,减缩率可达45%以上,双掺聚丙烯纤维和膨胀剂也具有相当好的减缩效果,减缩率达到35%以上,相对而言,单掺聚丙烯纤维和膨胀剂效果不甚明显,减缩率在20%左右。从裂缝数量和裂缝宽度的变化情况来看,聚丙烯纤维可以有效抵抗裂缝的扩展,具有较好的阻裂效果。从提高混凝土早期减缩抗裂性能来看,三种材料的优劣次序为:减缩剂≈减缩剂+聚丙烯纤维>聚丙烯纤维+膨胀剂>聚丙烯纤维>膨胀剂。考虑到减缩剂经济成本相对较高,双掺聚丙烯纤维和膨胀剂也是提高混凝土早期收缩抗裂性能的有效措施。3混凝土减缩剂的应用掺膨胀剂补偿收缩、掺减缩剂减小收缩、掺纤维限制收缩是目前改善混凝土早期收缩抗裂性能的三种主要材料措施,文中通过早期收缩试验对这三种措施做了对比分析,总结如下:(1)在同水灰比条件下,膨胀剂、减缩剂和聚丙烯纤维都能有效降低混凝土的早期收缩值。截至混凝土浇筑后3d,这三种材料的减缩率分别为20.90%和21.24%、44.29%,减缩剂的减缩率明显高出另两种材料。(2)双掺聚丙烯纤维和膨胀剂和聚丙烯纤维