陳寶璠
(1.黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,福建 泉州362000;2.黎明職業(yè)大學(xué) 實(shí)用化工材料福建省高等學(xué)校應(yīng)用技術(shù)工程中心,福建 泉州362000)
減縮劑(Shrinkage Reducing Admixture,SRA)是一種聚醚或聚醇類化學(xué)外加劑,其主要特點(diǎn)是能夠溶于水并通過有效降低混凝土毛細(xì)孔溶液的表面張力來提高混凝土收縮開裂抑制效果。應(yīng)用于混凝土減縮劑首先由三洋化學(xué)工業(yè)公司和日產(chǎn)水泥公司于1982 年研發(fā)成功。目前,國內(nèi)外眾多學(xué)者[1-14]對此也加強(qiáng)研究,并取得了一些研究成果。但關(guān)于添加減縮劑對混凝土性能的影響還缺少系統(tǒng)的綜合評價。
在研發(fā)一種高性能聚羧酸減縮材料(SRA-PC減縮材料)和文獻(xiàn)[15]基礎(chǔ)上,文中通過與市面減縮劑對比試驗(yàn),系統(tǒng)考察了高性能聚羧酸減縮材料對混凝土減縮性能、抗裂性能、和易性能、強(qiáng)度發(fā)展和抗氯離子滲透性能的改善作用。
1.1.1 主要原料 1)試驗(yàn)所采用的水泥(C):福建某水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 R 普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)成分及基本物性指標(biāo)分別見表1和表2 所示。
2)礦渣粉(GBFS):福建某非金屬有限公司的S95 ?;郀t礦渣粉,28 d 混合砂漿活性指標(biāo)和比表面積分別為98% 和462 m2/kg,其化學(xué)成分如表1所示。
3)粉煤灰(FA):福建某粉煤灰開發(fā)有限公司的Ⅰ級F 類粉煤灰,0.045 mm 方孔篩篩余和需水量比分別為6.1% 和83%,其化學(xué)成分如表1 所示。
4)細(xì)骨料(S):當(dāng)?shù)靥烊缓由?,其顆粒級配良好,細(xì)度模數(shù)Mf= 2.78,屬中砂,其主要物性指標(biāo)如表3 所示。
5)粗骨料(NA):當(dāng)?shù)亟?jīng)加工的天然石灰?guī)r碎石,粒徑為5 ~25 mm,連續(xù)級配,其主要物性指標(biāo)如表3 所示。
6)水:自來水。
7)混凝土:泉州某建筑材料有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為C30 混凝土,其配比為mC∶mFA∶mGBFS∶mS∶mG= 280 ∶54 ∶25 ∶735 ∶1 050 (單位:kg/m3),水膠比W/B = 0.48,砂率Sp= 41%。
8)減縮劑(NW-SRA):福建南安某外加劑有限公司生產(chǎn)的混凝土減縮劑,合成單體主要為一縮二乙二醇單甲醚、馬來酸酐和甲基烯基聚氧乙烯醚。
9)SRA-PC 減縮材料:以聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯、丙烯酸二甘醇單丁醚馬來酸酐單酯與丙烯磺酸鈉為主要合成原料通過水溶液共聚法自行研發(fā)的產(chǎn)品,其分子結(jié)構(gòu)式如下:
表1 膠凝材料主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical constitution of cementitious materials
表2 普通硅酸鹽水泥基本物性指標(biāo)Tab.2 Basic index of physical property of P·O 42.5 R
1.1.2 主要儀器 由天津某儀器有限公司提供的RCM-D 型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀;由北京某儀器設(shè)備有限公司提供的DJCK-2 型裂縫測寬儀。
1.2.1 混凝土早齡期自收縮和干燥收縮試驗(yàn) 參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082 - 2009)的方法進(jìn)行混凝土早齡期自收縮和干燥收縮試驗(yàn)。其中,試驗(yàn)試件所采用的是邊長為100 mm ×100 mm ×515 mm 的棱柱體,SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.25%(相對水泥質(zhì)量比,固含量,下同)。
表3 骨料主要物性指標(biāo)Tab.3 Main index of physical property of aggregate
1.2.2 混凝土早齡期開裂性能試驗(yàn) 參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13 ∶2009)的方法進(jìn)行混凝土早齡期開裂性能試驗(yàn),開裂試驗(yàn)裝置如圖1 所示。其中,試驗(yàn)時采用平面薄板試件,其尺寸為600 mm × 600 mm × 63 mm,SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.25%。
圖1 混凝土開裂試驗(yàn)裝置Fig.1 Equipment of cracking experiment of pumping concrete
1.2.3 混凝土減水率、含氣量以及保坍性能試驗(yàn)
參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080 - 2002)的方法進(jìn)行混凝土減水率、含氣量以及坍落度試驗(yàn)。其中,SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.25%。
1.2.4 混凝土抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn) 參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081 - 2002)的方法進(jìn)行混凝土抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。其中,抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用棱柱體試件,尺寸為150 mm × 150 mm ×550 mm,抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)則采用立方體試件,尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.25%。
1.2.5 混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn) 混凝土抗氯離子滲透性通過采用RCM 法快速測試氯離子擴(kuò)散系數(shù)大小給予評定。其中,測試時采用尺寸為φ100 mm ×50 mm 的圓柱體試件,SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.25%。
固定SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25% 的情況下,通過對比考察了SRA-PC 減縮材料對混凝土收縮的影響,以不同養(yǎng)護(hù)齡期下的早齡期收縮值和干燥收縮值的大小表征其減縮性能,具體結(jié)果如圖2 所示。
由圖2(a)可知,混凝土早齡期自收縮值隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,呈現(xiàn)先驟增后平穩(wěn)的變化規(guī)律。原因是由于混凝土早齡期自收縮是混凝土化學(xué)收縮的宏觀表現(xiàn),在混凝土凝結(jié)初期,水泥水化速度快,化學(xué)收縮大,表現(xiàn)為混凝土早齡期自收縮值驟增變化規(guī)律;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,水化產(chǎn)物吸附在水泥顆粒表面,減緩了水泥水化速度,化學(xué)收縮變形小,表現(xiàn)為混凝土早齡期自收縮值平穩(wěn)變化規(guī)律。
圖2 SRA-PC 減縮材料對混凝土收縮的影響Fig.2 Influence of SRA-PC on shrinkage reduction of concrete
從圖2(a)還可以看出,在相同養(yǎng)護(hù)齡期下,添加SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑的混凝土,其早齡期自收縮變形較空白混凝土小,平均減縮率分別為60% 和50%,說明SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑對混凝土早齡期自收縮都有不同程度的抑制作用,但SRA-PC 減縮材料的抑制作用明顯高于NW-SRA 減縮劑。說明SRA-PC 減縮材料對混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)速率較NW-SRA 減縮劑慢,使混凝土內(nèi)部在較長時間內(nèi)保持較高的相對濕度,從而顯著減小了混凝土自收縮變形產(chǎn)生的驅(qū)動力,這是SRA-PC 減縮材料對混凝土早齡期自收縮抑制作用高的主要原因。
圖2(b)顯示,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,混凝土干燥收縮值呈現(xiàn)遞增的變化趨勢。原因是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,混凝土中的大孔數(shù)量增多,導(dǎo)致干燥過程水分蒸發(fā)速度加快。
從圖2(b)還可以看出,在相同養(yǎng)護(hù)齡期下,添加SRA-PC 減縮材料的混凝土干燥收縮值明顯小于添加了NW-SRA 減縮劑的混凝土干燥收縮值,由此表明與NW-SRA 減縮劑相比,SRA-PC 減縮材料對混凝土干燥收縮的抑制作用顯著增強(qiáng)。原因是對比SRA-PC 減縮材料與NW-SRA 減縮劑,SRA-PC 減縮材料能夠更有效地降低混凝土內(nèi)部孔溶液的表面張力和蒸發(fā)速率,并有效地提高了孔溶液黏度,改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),從而顯著地增強(qiáng)了SRA-PC減縮材料對混凝土干燥收縮的抑制作用。
SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.25%,通過對比考察了SRA-PC 減縮材料對混凝土早齡期收縮開裂性能的影響,以開裂時間、最大裂縫寬度、單位面積裂縫數(shù)量、平均開裂面積和單位面積總開裂面積的大小表征其早齡期收縮開裂性能,具體結(jié)果如表4 所示。
表4 混凝土的收縮開裂性能Tab.4 Crack resistance of concrete
由表4 可知,在混凝土中添加SRA-PC 減縮材料相比于添加NW-SRA 減縮劑,SRA-PC 減縮材料更有效地延緩了混凝土試件的開裂時間,并更有效地減小了混凝土試件的平均開裂面積和單位面積總開裂面積;同時,混凝土試件的單位面積裂縫數(shù)目和最大裂縫寬度也得到控制。原因是SRA-PC 減縮材料在大幅降低混凝土試件孔溶液表面張力的同時,又大幅降低了混凝土試件孔結(jié)構(gòu)中的水分蒸發(fā)速度和泌水速度,從而顯著提升了混凝土試件的抗裂性能。
在SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25% 的情況下,通過對比考察了SRA-PC 減縮材料對新拌混凝土和易性能的影響,以減水率、含氣量、坍落度以及在60 min 內(nèi)保坍性表征其和易性能,具體結(jié)果如表5 所示。
表5 新拌混凝土的和易性能Tab.5 Workability of concrete mixture
由表5 可知,在保持新拌基準(zhǔn)混凝土坍落度為(80 ± 10)mm 時,添加了SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑后的混凝土減水率分別為36.0%和20.0%,說明SRA-PC 減縮材料的減水作用明顯高于NW-SRA 減縮劑。原因是添加于混凝土中的SRA-PC 減縮材料分子結(jié)構(gòu)上含有較長的聚氧乙烯基(- CH2CH2O)側(cè)鏈和強(qiáng)極性陰離子磺酸基(),由于-CH2CH2O 長側(cè)鏈的空間位阻作用和的靜電斥力作用,遏制了水泥顆?!皥F(tuán)聚”[16],從而保證了SRA -PC 減縮材料在混凝土中減水性能的提升。從表5 還可以看出,在混凝土中添加SRA-PC 減縮材料相比于添加NW-SRA 減縮劑、添加SRA-PC 減縮材料的新拌混凝土初始坍落度達(dá)到210 mm,滿足高性能混凝土對坍落度的要求,而且拌合后60 min 內(nèi)坍落度損失率僅為4.8%,幾乎無損失,說明SRA-PC 減縮材料還具有良好的保坍性能。原因是SRA-PC 減縮材料降低了水分泌水和蒸發(fā),使得水泥顆粒表面具有一定水分膜層,降低了水泥顆粒發(fā)生“絮凝”機(jī)會[17]。
同時,在混凝土中添加SRA-PC 減縮材料,其氣體體積分?jǐn)?shù)僅為3.8%,小于添加NW-SRA 減縮劑的4.8%,說明其引氣性低于NW-SRA 減縮劑??梢?,SRA-PC 減縮材料對新拌混凝土具有較高的減水率和良好的保坍性能。
在SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25% 時,通過對比考察SRA-PC 減縮材料對混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度的影響,以抗折、抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的大小表征其強(qiáng)度,具體結(jié)果如圖3 所示。
圖3 SRA-PC 對混凝土強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of SRA-PC on strength of concrete
由圖3(a)可知,添加SRA-PC 減縮材料后混凝土的抗折強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)齡期都有不同程度地提高,尤其是早期抗折強(qiáng)度的提高較為明顯;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長,其中抗折強(qiáng)度提高幅度有所下降。其中3 d、7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期抗折強(qiáng)度分別提高了12.5%、10.3% 和9.7%;而添加NW-SRA 減縮劑后混凝土的抗折強(qiáng)度有不同程度地降低,其中3 d、7 d和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期抗折強(qiáng)度則分別降低了4.2%、3.5% 和3.0%,但降幅小,均未超過5%。這表明添加SRA-PC 減縮材料對混凝土抗折強(qiáng)度的發(fā)展產(chǎn)生有利影響。
圖3(b)顯示,添加SRA-PC 減縮材料后的混凝土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長,其抗壓強(qiáng)度均有不同程度地提高,在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d 和28 d 時,其抗壓強(qiáng)度分別提高了26.8%、21.5% 和20.3%;而添加NW-SRA 減縮劑對混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展則產(chǎn)生不利影響,在3 d、7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期時,添加NW-SRA減縮劑后的混凝土抗壓強(qiáng)度分別下降了8.3%、6.5% 和6.1%,說明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長,其不利影響逐漸減弱??梢奡RA-PC 減縮材料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響是朝著有利方向發(fā)展的。
圖3(c)顯示,在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d 和28 d 時,添加SRA-PC 后的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.3 MPa、4.0 MPa 和5.6 MPa,分別提高了3.8%、6.9% 和6.5%;而添加NW-SRA 減縮劑后的混凝土在3 d、7 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期劈裂抗拉強(qiáng)度卻分別降低了6.6%、4.8% 和3.0%,降幅均小于10%。
綜上所述,SRA-PC 減縮材料對混凝土抗折、抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度不但不會產(chǎn)生不利影響,而且在不同養(yǎng)護(hù)齡期還有不同程度地提高。原因是SRA-PC 減縮材料具有良好的減水性能,添加SRA-PC 減縮材料后,混凝土的總水膠比降低,使得硬化后的混凝土總孔隙率降低,強(qiáng)度在不同齡期得到不同程度的提高。
當(dāng)SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25% 時,通過對比考察了SRA-PC 減縮材料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響,以氯離子擴(kuò)散系數(shù)大小表征其抗氯離子滲透性,具體結(jié)果如表6 所示。
表6 混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.6 Chloride ion diffusion coefficient of concrete
由表6 可知,比較空白混凝土、添加SRA-PC 減縮材料和NW-SRA 減縮劑混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù),其大小順序由大至小依次為:空白混凝土>添加NW-SRA 減縮劑后混凝土>添加SRA-PC 減縮材料后混凝土,表明其抗氯離子滲透能力大小順序由大至小依次為:添加SRA-PC 減縮材料后混凝土>添加NW-SRA 減縮劑后混凝土>空白混凝土。原因是由于SRA-PC 減縮材料不僅能夠大幅降低添加SRA-PC 減縮材料后混凝土試件的孔溶液表面張力,更重要的是它能夠有效地減小混凝土試件的泌水和水分蒸發(fā),使得泌水和水分蒸發(fā)后留下的孔隙減少,導(dǎo)致氯離子在添加SRA-PC 減縮材料后混凝土內(nèi)部運(yùn)輸通道減少,從而提高了添加SRA-PC 減縮材料后混凝土抗氯離子滲透性。
從圖6 還可以看出,氯離子在添加SRA-PC 減縮材料后混凝土的擴(kuò)散系數(shù)為1.82 ×10-12m2/s,小于2.0 ×10-12m2/s,說明添加SRA-PC 減縮材料后混凝土具有優(yōu)異抗氯離子滲透性??梢娫诨炷林刑砑覵RA-PC 減縮材料,對其抗氯離子滲透性具有顯著改善作用。
1)SRA-PC 減縮材料對混凝土的收縮具有顯著減縮作用。添加0.25% SRA-PC 減縮材料后的混凝土,其早齡期自收縮的平均減縮率達(dá)到60%,3 d 和28 d 養(yǎng)護(hù)齡期混凝土干燥收縮的減縮率分別為56.0% 和39.0%。
2)SRA-PC 減縮材料對混凝土早齡期收縮開裂的產(chǎn)生具有明顯抑制作用。添加0.25% SRA-PC 減縮材料后的混凝土,其初始開裂時間延緩了7.5 h,單位面積裂縫數(shù)量減少了60%,同時有效控制了平均開裂面積和單位面積總開裂面積。
3)SRA-PC 減縮材料對新拌混凝土的減水和保坍性能具有明顯的改善作用。添加0.25% SRA-PC減縮材料后的混凝土,其減水率可達(dá)36%,在60 min 內(nèi)坍落度幾乎無損失,損失率僅為4.8%。
4)SRA-PC 減縮材料對混凝土強(qiáng)度的發(fā)展并無不良影響。添加0.25% SRA-PC 減縮材料后的混凝土,其28 d 養(yǎng)護(hù)齡期時的抗折、抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了9.7%、26.8% 和6.5%。
5)SRA-PC 減縮材料對混凝土的抗氯離子滲透性能具有明顯提高作用。添加0.25% SRA-PC 減縮材料后的混凝土,其氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為1.82 ×10-12m2/s,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氯離子滲透性。
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