聚羧酸減水劑在綠色混凝土中的力學(xué)性能

周 樂, 張 欣, 關(guān)乾坤

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)首先由英國于1990年發(fā)布,我國在2004年全面進(jìn)入到綠色建筑發(fā)展階段.綠色建筑的評價指標(biāo)是節(jié)能、低碳、綠色、智能等生態(tài)文明理念.為了適應(yīng)綠色建筑的長遠(yuǎn)發(fā)展,科研人員將目標(biāo)鎖定于綠色建筑材料的研發(fā),隨之而來的就是對新一代綠色環(huán)保的聚羧酸系高效減水劑的研發(fā)和綠色混凝土的制造.郭登峰等[1]總結(jié)了以往的減水劑的性能,如苯系減水劑、木質(zhì)素減水劑等,雖然可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度,但是對混凝土的坍落度和泵送運輸?shù)确矫鏁胁焕挠绊?并且這些減水劑還會產(chǎn)生有害物質(zhì),危害人體健康,不利于可持續(xù)發(fā)展,傳統(tǒng)減水劑必將被新型綠色環(huán)保的聚羧酸系高效減水劑所取代.

混凝土是實際工程中應(yīng)用最多的建筑材料,但傳統(tǒng)型混凝土收縮性差、體積大、自重大、易開裂、強(qiáng)度低、耐久性差.因此,吳中偉[2]在1998年提出了綠色高性能混凝土這一概念,為我國的土木建筑材料事業(yè)開創(chuàng)了新紀(jì)元.之后許多科研工作集中于研制各種綠色混凝土,包括高強(qiáng)高性能混凝土、再生骨料混凝土、透水性混凝土等來滿足人們對建筑的各種要求.在實際工程中,外加劑成為改善混凝土力學(xué)性能的重要方法.然而,以往普通的外加劑已經(jīng)滿足不了工程需求,因此需要摻加高效減水劑滿足高強(qiáng)混凝土的性能要求.

在目前研制綠色混凝土的試驗中,大多數(shù)科研人員都用到了高效減水劑來提高混凝土的強(qiáng)度、抗裂能力、耐久性、穩(wěn)定性和降低混凝土凝結(jié)時間等性能.聚羧酸系高效減水劑是一種具有綠色、環(huán)保、摻量低、高減水率等多種優(yōu)點的減水劑,與綠色混凝土的制備理念和目前我國倡導(dǎo)的保護(hù)自然、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相符.因此,研究聚羧酸系高效減水劑對綠色混凝土性能的影響,進(jìn)行適應(yīng)新一代綠色混凝土發(fā)展的高效減水劑的研發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實意義.

目前的研究多數(shù)集中于聚羧酸減水劑對混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能的增強(qiáng),但是在聚羧酸減水劑對綠色混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量關(guān)系方面的相關(guān)研究甚少,并且在綠色混凝土柱正截面承載力計算中沒有考慮聚羧酸減水劑的增強(qiáng)作用.基于此,本文進(jìn)行了相關(guān)試驗數(shù)據(jù)收集及回歸分析,分析了聚羧酸減水劑對混凝土力學(xué)性能和工程應(yīng)用的綜合優(yōu)勢,定義了聚羧酸減水劑的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù),并對混凝土柱的正截面承載力計算公式進(jìn)行了修正.此外,還得到了泡沫混凝土柱的承載力計算修正公式,為聚羧酸減水劑對綠色混凝土的力學(xué)性能作進(jìn)一步研究.

1 聚羧酸減水劑對混凝土力學(xué)性能的影響

1.1 聚羧酸減水劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

在實際工程中,對混凝土結(jié)構(gòu)的要求越來越高,尤其是對高性能混凝土和綠色混凝土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等方面的追求.與之前使用的萘系、木質(zhì)素類等減水劑相比,聚羧酸減水劑在配制混凝土坍落度、擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、減水率、和易性、無甲醛等有害物質(zhì)含量方面都具有極大的優(yōu)勢,并以其優(yōu)良的綜合性能、環(huán)保性能等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)施工中.聚羧酸減水劑有多種類型,根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)的不同,可以分為早強(qiáng)型聚羧酸減水劑、緩凝型聚羧酸減水劑、抗泥型聚羧酸減水劑、保坍型聚羧酸減水劑等.可見聚羧酸減水劑的不同類型有不同的作用,這也決定了它在實際工程中的多樣性、實用性,因此成為現(xiàn)如今國內(nèi)外廣泛使用的最具有應(yīng)用前景的高效減水劑之一.

1.2 不同類型減水劑的性能對比

將減水劑摻加到混凝土中,可以改變混凝土的力學(xué)性能,不同類型的減水劑對混凝土性能的影響不同.氨基硫酸鹽減水劑、苯系減水劑、聚羧酸系減水劑性能對比[3-4]如表1所示.

表1 不同種類減水劑的性能對比Table 1 Performance comparison of different water reducing agents

從不同種類減水劑的性能對比來看,在3種減水劑中聚羧酸減水劑的綜合性能較好.聚羧酸減水劑[5]相比于以往的摻入早強(qiáng)劑、增加水泥用量等方法,既可以增強(qiáng)混凝土早期的強(qiáng)度,還能夠滿足混凝土良好的施工性能.

因此,需要如聚羧酸類這種綜合性能較好的減水劑來制備高強(qiáng)高性能混凝土,以滿足實際工程要求.

1.3 混凝土的收縮性能

摻加一定量的減水劑會改變混凝土的收縮性能,不同類型的減水劑對混凝土的收縮性能影響不同.本文將收縮應(yīng)變數(shù)據(jù)[6]繪制成如圖1所示的折線圖,其中J1是摻加聚羧酸減水劑試驗組,J2是摻加苯系減水劑試驗組,J3是未摻加減水劑試驗組.由圖1可直觀看到對于混凝土的收縮性影響從大到小依次為:苯系減水劑、未摻加減水劑、

圖1 不同減水劑影響下的混凝土收縮應(yīng)變

聚羧酸減水劑.說明聚羧酸減水劑對混凝土收縮應(yīng)變影響較小,提高了混凝土的穩(wěn)定性.

1.4 混凝土的抗凍性能

在一定凍融循環(huán)次數(shù)下,混凝土的質(zhì)量會有一定的損失[7].混凝土柱的承載能力在反復(fù)凍融循環(huán)作用后會明顯下降, 因此,抗凍性是影響混凝土穩(wěn)定性的重要因素之一,考慮溫差變化對結(jié)構(gòu)的損傷作用是必要的[8].摻加一定量的減水劑可以增強(qiáng)混凝土的抗凍性能,不同類型的減水劑對混凝土抗凍性能的影響不同.通過混凝土凍融試驗,觀察混凝土在凍融循環(huán)作用下混凝土的相對動彈性模量變化可以看出混凝土的抗凍性能.本文整理了其中不摻加減水劑、摻加改性木鈣系減水劑、苯系減水劑、聚羧酸減水劑等4組試驗數(shù)據(jù)[9],繪制成如圖2所示的折線圖.從折線圖中可明顯看到摻加聚羧酸減水劑的試驗組在循環(huán)凍融150次后,混凝土的相對動彈性模量損失量是最小的,說明用聚羧酸減水劑配制的混凝土抗凍性能良好.通過研究聚羧酸減水劑的性能可以提高混凝土抗凍性能,進(jìn)而提高混凝土的耐久性,為實際工程取得新的突破.

圖2 凍融作用下?lián)郊硬煌瑴p水劑的混凝土 相對彈性模量保持率曲線

1.5 混凝土的抗碳化性能

在混凝土中加入減水劑可以減小混凝土的碳化深度,不同類型的減水劑對混凝土的抗碳化性能影響不同.將摻加苯系減水劑、聚羧酸系減水劑的2組混凝土在不同齡期的混凝土碳化深度的數(shù)據(jù)[10]繪成如圖3所示的折線圖,由圖3可以看出,摻加聚羧酸減水劑的混凝土比摻加苯系減水劑的混凝土以及不摻加減水劑的普通混凝土的碳化深度低.說明聚羧酸減水劑可以提高混凝土的抗碳化性能,從而提高混凝土的耐久性.

圖3 不同減水劑影響下的混凝土碳化深度曲線

1.6 混凝土的抗壓強(qiáng)度

減水劑對混凝土的抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用,不同類型的減水劑對混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)程度不同.將養(yǎng)護(hù)時間為3、7、28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)[11]繪制成如圖4所示的折線圖,可明顯觀察到摻加HT- HPC聚羧酸系減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度最高.摻加聚羧酸減水劑的混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度為不摻加減水劑混凝土組的1.3倍.說明聚羧酸減水劑可以顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度.因此,可以根據(jù)實際工程需求,用聚羧酸減水劑研制高強(qiáng)高性能混凝土.

圖4 不同減水劑影響下的混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

1.7 聚羧酸減水劑類型對綠色混凝土性能的作用

張新民等[12]和ILG等[13]通過試驗研究表明聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)將會影響其對水泥顆粒的分散程度.側(cè)鏈密度低,側(cè)鏈長度較長類型的減水劑對水泥顆粒的分散效果會更好.

姚曦[14]通過對某文體中心的工程實例分析指出,在高性能綠色混凝土的制備中應(yīng)用緩凝型聚羧酸高效減水劑可以使混凝土得到高效的減水作用,獲得較好的流動性,延長混凝土的凝結(jié)時間,以便進(jìn)行泵送,還有利于提高混凝土的強(qiáng)度.張海進(jìn)等[15]選用了4個型號的聚羧酸系高性能減水劑,用于配制C80高強(qiáng)高性能混凝土.并對這4種類型的聚羧酸減水劑適用性進(jìn)行對比分析.其結(jié)果表明,合適的聚羧酸減水劑類型可明顯降低混凝土黏度,提高力學(xué)性能,增加其實用價值.李崇智等[16]對比分析了4種分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑的優(yōu)缺點,以及在工程中的應(yīng)用處理方法.選用合適的分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑解決了建筑工程中黏土質(zhì)人工砂的使用問題.章超[17]通過對聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)形式,研制出了一種阻銹型聚羧酸減水劑,并且分析了這種減水劑的抗腐蝕工作機(jī)理,有利于工程中鋼筋混凝土、型鋼混凝土以及組合結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展.

通過試驗數(shù)據(jù)的收集與整理,可以看出摻加聚羧酸減水劑對混凝土的收縮性能、抗凍性能、抗碳化性能、抗壓強(qiáng)度等主要力學(xué)性能都有明顯的改善.已有試驗研究表明不同分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑對綠色混凝土的性能作用不同.因此通過改變聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)形式,研制不同類型的聚羧酸減水劑,并應(yīng)用于實際工程中,可以解決工程中制備高強(qiáng)高性能混凝土等綠色混凝土及型鋼混凝土等組合構(gòu)件的眾多難題.

2 聚羧酸減水劑對混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系的影響

2.1 聚羧酸減水劑對混凝土彈性模量的影響

混凝土的彈性模量是反映混凝土的質(zhì)量、耐久性的重要指標(biāo).本文應(yīng)用現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)[18],現(xiàn)有試驗將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,0.6%,0.9%的聚羧酸減水劑加入到混凝土中,與不摻加聚羧酸減水劑的空白組進(jìn)行對比.將這幾種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同齡期的混凝土彈性模量的影響數(shù)據(jù)整理成表格,如表2所示.由表2可知,聚羧酸減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對不同齡期的混凝土彈性模量有較大影響.

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚羧酸減水劑對不同齡期的混凝土彈性模量的影響Table 2 The effect of polycarboxylate superplasticizer with different mass fraction on the elastic modulus of concrete at different ages

2.2 聚羧酸減水劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度是反映混凝土承載能力、穩(wěn)定性及耐久性的重要指標(biāo)之一.本文應(yīng)用現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)[18],現(xiàn)有試驗將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,0.6%,0.9%的聚羧酸減水劑加入到混凝土中,與不摻加聚羧酸減水劑的空白組進(jìn)行對比.將這幾種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響數(shù)據(jù)整理成表格,如表3所示.由表3可知,聚羧酸減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大.

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚羧酸減水劑對不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Table 3 The effect of polycarboxylate superplasticizer with different mass fraction on the compressive strength of concrete at different ages

2.3 加入聚羧酸減水劑的混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

通過表2和表3的試驗數(shù)據(jù),可以觀察到聚羧酸減水劑對混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度有較大影響,因此普通混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式已經(jīng)不再適用于摻加外加劑后的混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系.利用表2、表3的試驗數(shù)據(jù),經(jīng)過回歸分析,得到了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚羧酸減水劑下混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式.

一般認(rèn)為,線性相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.8以上的2個變量的關(guān)系為強(qiáng)相關(guān).經(jīng)過數(shù)據(jù)的回歸分析,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的聚羧酸減水劑的混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示.

圖5 摻加0.3%的聚羧酸減水劑的混凝土的 彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可以看出R2=0.940 1,可知該線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97,表明分析所得的混凝土強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系為強(qiáng)相關(guān).因此,通過回歸分析得到的混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式,可以精確且方便地測出摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的聚羧酸減水劑的混凝土結(jié)構(gòu)各個部位的抗壓強(qiáng)度.

據(jù)分析得出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的聚羧酸減水劑的混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式為

(1)

式中:fc1為摻加0.3%聚羧酸減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度;Ec1為摻加0.3%聚羧酸減水劑的混凝土彈性模量.

經(jīng)過數(shù)據(jù)的回歸分析,摻加0.6%的聚羧酸減水劑的混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示.

圖6 摻加0.6%的聚羧酸減水劑的混凝土的 彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖6可以看出R2=0.885 4,可知該線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94,表明分析所得的混凝土強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系為強(qiáng)相關(guān).因此,通過回歸分析得到的混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式,可以精確且方便地測出摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的聚羧酸減水劑的混凝土結(jié)構(gòu)各個部位的抗壓強(qiáng)度.

據(jù)分析得,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的聚羧酸減水劑的混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式為

(2)

式中:fc2為摻加0.6%聚羧酸減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度;Ec2為摻加0.6%聚羧酸減水劑的混凝土彈性模量.

經(jīng)過數(shù)據(jù)的回歸分析,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的聚羧酸減水劑的混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示.

圖7 摻加0.9%的聚羧酸減水劑的混凝土的 彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖7可以看出R2=0.963 9,可知該線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98,表明分析所得的混凝土強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系為強(qiáng)相關(guān).因此,通過回歸分析得到的混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式,可以精確且方便地測出摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的聚羧酸減水劑的混凝土結(jié)構(gòu)各個部位的抗壓強(qiáng)度.

據(jù)分析得出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的聚羧酸減水劑的混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式為

(3)

式中:fc3為摻加0.9%聚羧酸減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度;Ec3為摻加0.9%聚羧酸減水劑的混凝土彈性模量.

3 摻加聚羧酸減水劑的混凝土柱承載力公式修正

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度變化

由對圖4和表3的分析可知,聚羧酸減水劑對混凝土的抗壓強(qiáng)度作用明顯,因此,按照普通混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行混凝土柱的正截面承載力計算公式,不再適用于摻加聚羧酸減水劑的混凝土柱正截面受壓承載力計算公式.因此,本文定義了混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù).

混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)

(4)

3.2 承載力公式修正

根據(jù)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可知[19],鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的正截面受壓承載力計算公式為

(5)

不配置鋼筋的素混凝土柱的正截面受壓承載力計算公式為

N=0.9φfcA.

(6)

摻加聚羧酸減水劑的素混凝土柱的正截面受壓承載力計算公式為

N=0.9φηfcA.

(7)

式中:η為摻加聚羧酸減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù).

根據(jù)現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)[20],可知聚羧酸減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳時,對養(yǎng)護(hù)28 d的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度可提高20.3%.則η=1.203.

則摻加聚羧酸減水劑的泡沫混凝土柱的正截面受壓承載力計算公式為

N=1.082 7φfcA.

(8)

4 結(jié) 論

1) 通過已有試驗數(shù)據(jù)分析得知,聚羧酸減水劑可明顯增強(qiáng)混凝土的收縮性、抗碳化性、抗凍性、抗壓強(qiáng)度等主要力學(xué)性能.

2) 根據(jù)已有試驗數(shù)據(jù),通過線性回歸分析得到了不同聚羧酸減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式.其線性相關(guān)系數(shù)為0.94～0.98,可以精確地測出不同聚羧酸減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下混凝土結(jié)構(gòu)各個部位的抗壓強(qiáng)度.

3) 根據(jù)聚羧酸減水劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的作用,定義了混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù),理論推導(dǎo)出素混凝土柱的正截面受壓承載力修正計算公式.并根據(jù)已有試驗數(shù)據(jù),得出了在最佳的聚羧酸減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,泡沫混凝土柱的承載力計算公式.