混凝土減縮劑的制備與研究

林艷梅

（科之杰新材料集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361101）

0 前言

混凝土作為現(xiàn)代建筑工程中用途最廣、用量最大的材料，通常利用化學(xué)外加劑和生活、工業(yè)廢棄物，不僅可滿足現(xiàn)代建筑工程建設(shè)要求，還能節(jié)能降耗、提高建筑工程的耐久性。隨著建筑工程技術(shù)的發(fā)展，特種混凝土高強(qiáng)、高性能混凝土和自流平混凝土等的需求量不斷增加，此外，為了提高混凝土的早期強(qiáng)度，水泥比表面積不斷增大，還摻加高活性超細(xì)礦物摻合料，且水膠比也較低，導(dǎo)致混凝土澆筑后內(nèi)部濕度降低，出現(xiàn)收縮，將使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非荷載裂縫，進(jìn)而出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂，影響混凝土耐久性。混凝土裂縫包括自收縮裂縫、塑性收縮裂縫、溫度收縮裂縫、干縮裂縫、沉降裂縫、施工裂縫、凍脹裂縫等。相關(guān)研究表明[1]，80%的混凝土裂縫的原因?yàn)榛炷磷允湛s變形，只有20%的混凝土裂縫是由外部荷載引起。混凝土收縮裂縫不僅影響建筑工程的美觀，還會(huì)降低混凝土工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)建筑工程的整體性、水密性和耐久性產(chǎn)生不利影響，大大縮短建筑工程服役壽命。相關(guān)數(shù)據(jù)表明[2]，從工業(yè)建筑到民用建筑、商業(yè)建筑，混凝土收縮裂縫問(wèn)題的影響極其廣泛，影響交通設(shè)施橋梁、路面、海港工程結(jié)構(gòu)，成為長(zhǎng)期困擾建筑工程界而未能有效解決的難題。因此，如何減小混凝土收縮，控制混凝土缺陷裂縫是工程界急需解決的問(wèn)題，這對(duì)改善混凝土的應(yīng)用性能至關(guān)重要，將產(chǎn)生重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益。

如何減小混凝土的收縮開(kāi)裂已經(jīng)成為當(dāng)代建筑工程界研究的熱點(diǎn)。摻加混凝土膨脹劑是國(guó)內(nèi)外常采用補(bǔ)償混凝土收縮的方法，膨脹劑的摻量較大，一般為膠凝材料總量的5%~13%，必須對(duì)摻膨脹劑混凝土進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)?；炷翜p縮劑是一種能有效減小混凝土自收縮和干燥收縮的化學(xué)外加劑，為控制混凝土收縮開(kāi)裂提供了一條新途徑[3-4]。混凝土減縮劑克服了常規(guī)水養(yǎng)、摻膨脹劑和摻纖維等抗裂方法的局限性，能有效預(yù)防混凝土收縮開(kāi)裂，具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

（1）減縮組分

二丙二醇單甲醚、2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇單甲醚、二甘醇單甲醚、聚乙二醇單甲醚（相對(duì)分子質(zhì)量為500）：均為工業(yè)級(jí)。

（2）試驗(yàn)材料

水泥（C）：閩福P·O52.5水泥；砂（S）：河砂，細(xì)度模數(shù)2.6～2.9；石（G）：反擊破石子，5～20 mm連續(xù)級(jí)配；普通聚羧酸減水劑：Point-MS，減水率為30%，固含量為49%，科之杰新材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。

1.2 減縮劑的制備

在四口瓶中加入二丙二醇單甲醚和聚乙二醇單甲醚，攪拌1 h，即得到混凝土復(fù)合減縮劑。

1.3 性能測(cè)試與表征

（1）水泥凈漿流動(dòng)度：按照GB/T 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行測(cè)試。

（2）混凝土性能：混凝土拌合物性能按照GB/T 8076—2008進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)中混凝土的拌合量為20 L；混凝土收縮率按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土減縮率按照J(rèn)C/T 2361—2016《砂漿、混凝土減縮劑》進(jìn)行測(cè)試?；炷僚浜媳纫?jiàn)表1。

表1 混凝土的配合比

（3）表面張力：將減縮劑配制成相應(yīng)濃度的溶液，采用承德金和儀器制造有限公司生產(chǎn)的JYW-200全自動(dòng)表、界面張力儀進(jìn)行溶液表面張力測(cè)試。

（4）掃描電鏡分析：分別取水化1 d和7 d的水泥凈漿試塊，將樣品敲碎后取內(nèi)部形貌保存較好的片狀碎片用無(wú)水乙醇終止水化，真空干燥，采用韓國(guó)COXEM公司的CPXEM-20臺(tái)式掃描電鏡觀察水化產(chǎn)物的形貌。

（7）水化熱：采用沃特斯中國(guó)有限公司生產(chǎn)的微量熱儀（TAM air），測(cè)試基準(zhǔn)水泥漿和摻減縮劑水泥漿在水化過(guò)程中的放熱性能。水泥凈漿的水灰比為0.35，減縮劑摻量為水泥質(zhì)量的0.12%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單一減縮劑組分的性能

2.1.1 分散性能

分別將單一減縮劑組分2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇單甲醚、二丙二醇單甲醚、二甘醇單甲醚、聚乙二醇單甲醚進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試，減縮劑組分摻量均為0.5%，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 單一減縮劑組分的分散性對(duì)比

從表2可看出，單一減縮劑組分對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度基本無(wú)影響。與空白樣對(duì)比，摻入2-甲基-2，4-戊二醇和二甘醇單甲醚使得凈漿流動(dòng)度略有增大。

2.1.2 表面張力

將單一減縮劑組分2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇單甲醚、二丙二醇單甲醚、二甘醇單甲醚、聚乙二醇單甲醚配制成10%質(zhì)量濃度的溶液進(jìn)行表面張力測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 單一減縮劑組分的表面張力對(duì)比

從表3可以看出，單一減縮劑組分的表面張力范圍為32.30~48.27 mN/m，其中以二丙二醇單甲醚的表面張力最低，為32.30 mN/m。

2.1.3 混凝土減縮率與抗壓強(qiáng)度

單一減縮劑組分的混凝土減縮率及其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如表4所示。

表4 單一減縮劑組分的混凝土減縮率及其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表4可以看出：（1）5種減縮劑組分中，以聚乙二醇單甲醚的減縮性能最佳，7 d、28 d減縮率分別為30.56%、28.96%，其次為二丙二醇單甲醚，7 d、28 d減縮率分別為25.75%、24.12%；（2）摻5種單一減縮劑組分混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均不低于空白樣。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選擇二丙二醇單甲醚和聚乙二醇單甲醚作為復(fù)合減縮劑的原材料。

2.2 復(fù)合減縮劑的性能

2.2.1 復(fù)合減縮劑對(duì)混凝土性能的影響

將二丙二醇單甲醚與聚乙二醇單甲醚按不同質(zhì)量比（見(jiàn)表5）進(jìn)行復(fù)合，將復(fù)合制備的減縮劑樣品進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 復(fù)合減縮劑中2種單一減縮劑組分的質(zhì)量配比

表6 復(fù)合減縮劑的混凝土試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，隨著二丙二醇單甲醚用量的增加，復(fù)合減縮劑的減縮率呈先增大后減小。5組復(fù)合減縮劑中，以P-3的7 d、28 d混凝土減縮率最高，7 d、28 d混凝土減縮率分別為37%、35%，且其7 d、28 d混凝土抗壓強(qiáng)度不低于空白樣。因此，二丙二醇單甲醚的最佳質(zhì)量百分比為70%。

2.2.2 表面張力

混凝土由于水泥漿體內(nèi)部水分的蒸發(fā)或內(nèi)部水泥水化消耗水，導(dǎo)致水泥漿體內(nèi)部相對(duì)濕度迅速降低，減小水泥漿體內(nèi)部毛細(xì)孔或凝膠孔曲率半徑，進(jìn)而增大毛細(xì)孔或凝膠孔的附加壓力，最終導(dǎo)致混凝土水泥漿體出現(xiàn)干縮，甚至出現(xiàn)裂縫。漿體內(nèi)部毛細(xì)孔的附加壓力與曲率半徑、孔中液相的表面張力成正比，降低孔溶液的表面張力可降低孔的附加壓力，從而有效控制混凝土干縮裂縫。因此，研究減縮劑在不同濃度下的表面張力，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)減縮劑表面張力與混凝土干縮裂縫的關(guān)系。將所制備的減縮劑P-3與普通聚羧酸減水劑Point-MS進(jìn)行不同濃度下的表面張力對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同濃度減縮劑P-3和Point-MS溶液的表面張力

從圖1可以看出：（1）當(dāng)減縮劑溶液濃度小于10%時(shí)，溶液的表面張力隨減縮劑濃度的增大而減小；當(dāng)減縮劑溶液濃度大于10%時(shí)，溶液的表面張力趨于平穩(wěn)。（2）與普通聚羧酸減水劑Point-MS相比，減縮劑P-3水溶液的表面張力較低。

2.2.3 水泥凈漿水化產(chǎn)物形貌

為研究減縮劑對(duì)水泥漿水化影響的微觀機(jī)理，采用掃描電子顯微鏡對(duì)摻0.5%減縮劑P-3的水泥凈漿水化產(chǎn)物進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可見(jiàn)：

（1）對(duì)于空白水泥凈漿，1 d齡期時(shí)，中短簇纖維狀水化產(chǎn)物在片狀水化硅酸鈣凝膠上生長(zhǎng)，水泥漿體孔隙較多，不密實(shí)；7 d齡期時(shí)，大量纖維狀凝膠在水化產(chǎn)物表面生長(zhǎng)，孔隙減少。

（2）對(duì)于摻0.5%減縮劑P-3的水泥凈漿，1 d齡期時(shí)，水泥漿中出現(xiàn)短簇纖維狀水化產(chǎn)物在片狀水化硅酸鈣凝膠上生長(zhǎng)，無(wú)定形凝膠體局部覆蓋在凝膠上，有序度不高，整體孔隙較多不密實(shí)；7 d齡期時(shí)，大量纖維狀水化產(chǎn)物在表面及孔隙內(nèi)部生長(zhǎng)，局部生成無(wú)定形凝膠體覆蓋在漿體表面，且凝膠周圍有少量凝膠顆粒散布，整體密實(shí)，空隙減少。

與空白水泥凈漿相比，1 d齡期時(shí)，摻減縮劑的水泥石表面出現(xiàn)無(wú)定形凝膠體，并產(chǎn)生大小不一的凝膠顆粒和片狀凝膠質(zhì)；不同齡期摻減縮劑的水泥漿中，無(wú)定形凝膠體生長(zhǎng)緩慢，整體結(jié)構(gòu)孔隙多、不密實(shí)。

文獻(xiàn)[7-8]在對(duì)減縮劑的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，減縮劑具有緩凝作用，本文對(duì)水泥凈漿水化產(chǎn)物微觀形貌的分析支持了上述研究結(jié)果。

2.2.4 復(fù)合減縮劑對(duì)水泥水化過(guò)程的影響

溫度收縮為水泥基材料收縮類型之一。由于水泥水化產(chǎn)生的混凝土內(nèi)外溫度梯度是促使混凝土產(chǎn)生早期裂縫的主要原因之一，通過(guò)采取必要的措施降低水泥水化熱，以控制混凝土的溫度變形，是保證混凝土早期不產(chǎn)生溫差收縮裂縫的關(guān)鍵所在。圖3為減縮劑P-3摻量為0.5%時(shí)對(duì)水泥水化熱的影響。

圖3 減縮劑對(duì)水泥水化熱的影響

從圖3可見(jiàn)，與空白水泥凈漿對(duì)比，摻入減縮劑使水泥凈漿的最大水化放熱峰出現(xiàn)時(shí)間后移，峰面積變寬，即摻入0.5%減縮劑P-3延長(zhǎng)了水泥水化的誘導(dǎo)期，延緩水泥水化，降低其水化放熱速率，從而抑制水泥的溫度收縮。

3 結(jié)論

（1）單一減縮劑組分中，以聚乙二醇單甲醚的減縮性能最佳，7 d、28 d減縮率分別為30.56%、28.96%，其次為二丙二醇單甲醚，7 d、28 d減縮率分別為25.75%、24.12%。摻單一減縮劑組分的混凝土抗壓強(qiáng)度不低于空白混凝土。

（2）將二丙二醇單甲醚與聚乙二醇單甲醚復(fù)配，制備復(fù)合減縮劑。隨著二丙二醇單甲醚用量的增加，復(fù)合減縮劑的減縮率呈先增大后減小，其最佳質(zhì)量比為70%，所制得的減縮劑P-3在摻量為0.5%時(shí)，混凝土的7 d、28 d減縮率分別達(dá)37%、35%，且該減縮劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)不利影響。

（3）當(dāng)減縮劑溶液濃度小于10%時(shí)，溶液的表面張力隨減縮劑濃度的增大而減?。划?dāng)減縮劑溶液濃度大于10%時(shí)，溶液的表面張力趨于平穩(wěn)；與普通聚羧酸減水劑Point-MS相比，減縮劑P-3水溶液的表面張力較低。

（4）通過(guò)對(duì)水泥凈漿水化過(guò)程的SEM和水化熱分析結(jié)果表明，摻入復(fù)合減縮劑P-3對(duì)水泥具有緩凝作用，使水泥漿的最大水化放熱峰出現(xiàn)時(shí)間后移，峰面積變寬，降低其水化放熱速率，從而抑制水泥的溫度收縮。