高性能混凝土減縮劑的研究和應(yīng)用

摘要：收縮變形是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)非荷載裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，泵送施工、高強(qiáng)混凝土、高效減水劑和超細(xì)摻合料的應(yīng)用，使得混凝土的裂縫問題越來越嚴(yán)重。使用減縮劑是有效、直接的防裂措施之一。介紹ZDD-A減縮劑摻量對(duì)水泥凈漿、砂漿和混凝土收縮及強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，其合理摻量為1.2%~1.8%。當(dāng)摻量為1.8%時(shí)，可分別降低28d水泥凈漿、砂漿和混凝土的收縮率58%、38%和43%左右；砂漿和混凝土的早期減縮率更大；后期減縮率雖有下降，但絕對(duì)減縮值仍然增大。砂漿和混凝土90d的收縮減小量分別可達(dá)520μm/m和270μm/m左右。

關(guān)鍵詞：收縮；減縮劑；混凝土；裂縫；砂漿

中圖分類號(hào)：TU528.042 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001-702X(2003)07-0042-04

0 引　言

大型基礎(chǔ)底板、地下結(jié)構(gòu)混凝土墻板及樓面板、梁的裂縫問題一直困擾著建筑工程界，特別是泵送混凝土、高強(qiáng)混凝土、高效減水劑和超細(xì)摻合料的應(yīng)用，使得混凝土的裂縫問題越來越嚴(yán)重。這里主要指的是溫度、干縮和自收縮等引起的非荷載裂縫。裂縫出現(xiàn)的時(shí)間也從原來的幾個(gè)月縮短到現(xiàn)今的幾周，甚至于幾天，亦即在模板剛剛拆除，混凝土尚在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)即出現(xiàn)。這一現(xiàn)象很難用混凝土的干燥收縮或溫度應(yīng)力來解釋,而與混凝土的自收縮有著密切的關(guān)系。

從目前采取的非荷載裂縫控制措施看,除了增設(shè)構(gòu)造鋼筋、施工縫、后澆帶等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施外，主要有降低溫差、澆水養(yǎng)護(hù)和摻膨脹劑或使用膨脹水泥等。但控制混凝土內(nèi)外溫差和澆水養(yǎng)護(hù)這一施工措施僅僅推遲收縮變形的產(chǎn)生，并不能真正減小最終收縮值。雖然膨脹劑使用得當(dāng)，能在一定程度上補(bǔ)償收縮"但其本身存在嚴(yán)重的水泥適應(yīng)性、有效補(bǔ)償量和延遲鈣礬石生成等問題。

由于自收縮在普通混凝土中占總收縮的比例較小，在過去幾乎被忽略不計(jì)。但隨著低水膠比、高強(qiáng)、高性能混凝土的應(yīng)用，不得不對(duì)混凝土的自收縮問題重新加以關(guān)注。自收縮和干縮產(chǎn)生機(jī)理，在實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是一致的，常溫條件下主要由毛細(xì)孔失水，形成水凹液面而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。所不同的只是自收縮是因水泥水化導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺水，外部水分又未能及時(shí)補(bǔ)充而產(chǎn)生，這在低水膠比、高強(qiáng)、高性能混凝土中是極其普遍的；而干縮則是混凝土內(nèi)部水分向外部揮發(fā)而產(chǎn)生。研究結(jié)果表明，即使混凝土在恒溫水養(yǎng)的條件下仍然會(huì)產(chǎn)生開裂[1] 。Mak[2]的研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土的水膠比低于0.3時(shí)，自收縮率高達(dá)(2～4)×10-4。此外，膠凝材料用量增加和硅灰、磨細(xì)礦粉的使用都將增加混凝土自收縮值［3-4］，因此，如何降低混凝土的自收縮和干燥收縮問題，成為目前工程界研究的重點(diǎn)。

我國關(guān)于減縮劑的研究和報(bào)導(dǎo)始于20世紀(jì)90年代[5-8]，由于減縮劑的成本較高，一直沒有得到推廣應(yīng)用。但隨著混凝土工程裂縫控制的迫切需要，以及減縮劑研究技術(shù)和產(chǎn)品性能的進(jìn)一步提高，減縮劑這一新材料定將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 混凝土減縮劑的作用機(jī)理日本

日產(chǎn)水泥公司和Sanyo化學(xué)工業(yè)公司于1982年首先研制成混凝土減縮劑。多年來，為了降低減縮劑的成本和改善混凝土的綜合性能，對(duì)減縮劑的組成及復(fù)配技術(shù)開展了大量研究，并獲得了多項(xiàng)專利［9］。

減縮劑的主要作用機(jī)理是降低混凝土孔隙水的表面張力，從而減小毛細(xì)孔失水時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。另一方面，由于減縮劑能增大孔隙水的粘度，增強(qiáng)水分子在凝膠體中的吸附作用，進(jìn)一步減小混凝土的最終收縮值。根據(jù)毛細(xì)管強(qiáng)力理論，毛細(xì)孔失水時(shí)引起的收縮應(yīng)力可由下式表示：

P=2σcosθ/r

式中：P—毛細(xì)孔水凹液面產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，Mpa；

σ—水的表面張力，N/mm；

θ—水凹液面與毛細(xì)孔壁的接觸角；

r—毛細(xì)孔半徑，mm。

顯而易見，在一定的毛細(xì)孔半徑時(shí)，水的表面張力下降，將直接降低由毛細(xì)孔失水時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。另一方面，由水和減縮劑組成的溶液粘度增加，使得接觸角θ增大，從而進(jìn)一步降低混凝土的收縮應(yīng)力。

由減縮劑的作用機(jī)理可知，在原材料和配合比一定時(shí)，減縮率是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，施工養(yǎng)護(hù)和環(huán)境條件對(duì)混凝土的減縮率影響較小。亦即當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件差或空氣相對(duì)濕度小、風(fēng)速大、混凝土的收縮增大時(shí)，由于減縮率基本一定，故其降低收縮的絕對(duì)值也增加。反之亦然。

此外，減縮劑幾乎不存在水泥適應(yīng)性問題，這是因?yàn)闇p縮劑是通過水的物理過程起作用，與水泥的礦物組成和摻合料等無關(guān)，且與其它混凝土外加劑有良好的相容性。

2 高性能混凝土減縮劑的研究

混凝土減縮劑的化學(xué)組成主要為聚醚或聚醚類衍生物，其通式可用R1O(AO)nR2表示，其中A為碳原子數(shù)2~4的環(huán)氧基；n一般為2~5,R為烷基、環(huán)烷基或苯基。從美國專利文獻(xiàn)資料看，常用的單組分型減縮劑有一元或二元醇類減縮劑、氨基醇類減縮劑、聚氧乙烯類減縮劑、烷基氨類減縮劑等；復(fù)合型減縮劑主要有低分子量的氧化烯烴和高分子量的含聚氧化烯鏈的梳型聚合物、含仲或叔羥基的亞烷基二醇和烯基醚/馬來酸酐共聚物、烷基烯加成物和亞烷基二醇、亞烷基二醇或聚氧化烯二醇與硅灰、烷基醚氧化烯加成物和磺化有機(jī)環(huán)狀物以及烷基醚氧化烯加成物和氧化烯二醇等復(fù)合減縮劑。日本研究開發(fā)的混凝土減縮劑則主要有聚丙撐二醇、環(huán)氧乙烷甲基、苯基、環(huán)烷基和氨基衍生物。

由于單一化合物的減縮功能或混凝土性能不盡理想，特別是成本較高，而復(fù)合型減縮劑具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。本研究正是基于這一思路，采用國產(chǎn)甲醚基聚合物與乙二醇系聚合物按一定比例復(fù)合并改性，研制成ZDD-A型高性能混凝土減縮劑。一方面成本大大降低，與前述有機(jī)物相比，可降低40%~100%；另一方面，摻量低，大部分減縮劑的摻量均大于2%，而本研究的產(chǎn)品摻量小于1.8%，且水溶性好。該減縮劑為淡黃色液體，不同摻量和不同溶液中的表面張力測試結(jié)果見表1。

3摻減縮劑的水泥凈漿、砂漿和混凝土性能

3.1原材料、配合比和試驗(yàn)方法

3.1.1 原材料

本研究全部采用基準(zhǔn)水泥，減水劑為萘系高效減水劑，河砂的細(xì)度模數(shù)2.5，碎石的最大粒徑31.5mm。

3.1.2 水泥凈漿、砂漿和混凝土配合比(見表2)

3.1.3 試驗(yàn)方法
水泥凈漿和砂漿試驗(yàn)參照J(rèn)C476《混凝土膨脹劑》和JGJ70《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試件尺寸為40mmΧ40mmΧ160mm?；炷潦湛s試驗(yàn)參照GBJ86《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試件尺寸為100mmΧ100mmΧ515mm。試件成型后帶模養(yǎng)護(hù)24h，凈漿和砂漿再在20οС的水中養(yǎng)護(hù)6d測試基準(zhǔn)長度，混凝土試件水中養(yǎng)護(hù)2d后測試基準(zhǔn)長度，然后將試件置于溫度(20±1) οС，相對(duì)濕度(60±5)%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中連續(xù)測試長度變化。砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB177《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)按照GBJ81《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)》。
3.2 減縮劑摻量對(duì)水泥凈漿收縮性能的影響

減縮劑摻量不同的水泥凈漿，不同齡期時(shí)的減縮率見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著減縮劑摻量的增加，水泥凈漿的減縮率呈有規(guī)律的提高。減縮劑摻量小于1%(ZJ1、ZJ2)時(shí)，減縮率較小；摻量為1.2%(ZJ3)時(shí)，凈漿減縮率可達(dá)40%左右；而當(dāng)摻量增加到1.8% (ZJ4)時(shí)，減縮率達(dá)55%左右?？紤]成本因素，1.2%~1.8%的摻量較為合理。

3.3 減縮劑摻量對(duì)砂漿收縮性能的影響

減縮劑摻量不同的水泥砂漿，不同齡期的收縮值和減縮率試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻減縮劑的砂漿早期(5~6d)減縮率明顯大于凈漿，而14d以后的減縮率差距稍有減小。摻量對(duì)減縮率的影響，在砂漿中有弱化的趨勢(shì)，即減縮劑在凈漿中摻量從1.2%增加到1.8%時(shí)，減縮率平均增幅達(dá)17%左右，而在砂漿中，平均增幅不到10%。從減縮率的變化規(guī)律看，凈漿中隨著齡期的增長(后期)減縮率下降幅度較小，而在砂漿中，從1d到90d的減縮率下降20%左右，50d以后，收縮趨于穩(wěn)定，收縮的收斂速度比凈漿快得多。必須說明的是，雖然減縮率隨著齡期的增長而下降，但減縮量隨著齡期的增長仍然略有增加。
3.4 減縮劑摻量對(duì)混凝土收縮性能的影響

不同摻量減縮劑的混凝土：不同齡期的收縮率和減縮率試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻減縮劑的混凝土早期減縮率小于砂漿，而14d以后的減縮率反而大于砂漿，這可能與試件尺寸，特別是試件的比表面積大小有關(guān)。從減縮劑摻量對(duì)減縮率的影響看，與砂漿試驗(yàn)結(jié)果相似，摻量從1.2%增加到1.8%，減縮率平均增幅約10%。因此，ZDD-A型混凝土減縮劑的合理摻量控制在1.2%~1.8%，可使混凝土的14D收縮率下降40%~50%，收縮量減小200270μm/m左右，當(dāng)混凝土的彈性模量為3.0Χ104MPa時(shí)，相當(dāng)于減小絕對(duì)約束狀態(tài)下的收縮應(yīng)力6MPa，對(duì)減少混凝土收縮裂縫是十分有利的。
另一方面，減縮劑的早期減縮率較大，對(duì)提高混凝土的能力也是十分有益的。雖然早期混凝土可能尚處于施工養(yǎng)護(hù)階段，干燥收縮可能相對(duì)較小，但混凝土的化學(xué)收縮、自收縮和水化熱引起的溫度升降主要發(fā)生在這一階段，特別是當(dāng)澆水養(yǎng)護(hù)未能及時(shí)保證時(shí)，混凝土極易產(chǎn)生開裂，這可能就是混凝土在模板拆除時(shí)即出現(xiàn)裂縫的主要原因。使用減縮劑則可以大大減弱混凝土開裂的趨勢(shì)。
3.5 減縮劑摻量對(duì)水泥砂漿和混凝土強(qiáng)度的影響
減縮劑摻量不同的水泥砂漿和混凝土：各齡期強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，減縮劑摻量對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響很小，但對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較大，3d和7d 強(qiáng)度下降15%左右，28d強(qiáng)度下降10%左右。對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，各齡期強(qiáng)度下降10%左右。如何改進(jìn)減縮劑的配方，在提高減縮率的同時(shí)減少對(duì)強(qiáng)度的影響有待進(jìn)一步研究。
4 結(jié)論
(1) ZDD-A型混凝土減縮劑摻量為1.8%時(shí)，可使水泥凈漿收縮率下降50%以上；砂漿7d以內(nèi)的收縮率下降50%以上，28d下降約38%；混凝土7d以內(nèi)的收縮率下降50%左右，28d下降43%左右。合理摻量可控制在1.2%~1.8%。
(2)ZDD-A型混凝土減縮劑對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度影響較小，但使砂漿和混凝土的抗壓強(qiáng)度下降10%~15%。
(3) 減縮劑是一種新型的混凝土外加劑，能有效降低混凝土的收縮率，減少混凝土的收縮應(yīng)力和開裂。除了對(duì)減縮劑本身的改性及與其它外加劑相容性研究外，對(duì)摻減縮劑混凝土和砂漿的和易性、耐久性及真實(shí)抗裂性能等，尚有許多研究工作要做。參考文獻(xiàn)：[1] Bentz D P,Geiker,Hansen K K.Shrinkage-reducing admixtures and early-age desiccation in cement pastes and mortars. CCR,2001,31(7):1075-1085.[2] Mak S l,Torii K.Strength development of high strength of ultrahigh-strength concrete subjected to high hydration temperature.CCR,1995,25(8):1791-1802.[3] 李悅，談慕華，張雄等.混凝土的自收縮及其研究進(jìn)展.建筑材料學(xué)報(bào)，2000,3(3):252-257.[4] 李悅，吳科如，王勝先等.摻加混合材的水泥石自收縮特性研究.建筑材料學(xué)報(bào)，2001,4(1):7-11.[5] 卞榮兵.混凝土抗收縮劑最新發(fā)展趨勢(shì).化學(xué)建材2001(1):35-36.[6] 邵正明，張超，仲曉林等.國外減縮劑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.混凝土，2000(10):60-63.[7] 許賢明.一種減少混凝土收縮率的外加劑.云南建材，2000(1):37-40.[8] 韓建國，楊富民.混凝土減縮劑的作用機(jī)理及其應(yīng)用效果. 混凝土，2001(4):25-29.[9] Grace W R, Co.-Conn.Cement composition.USP5938835,1999.