减水剂对混凝土早期收缩和总收缩的影响
减水剂对混凝土早期收缩和总收缩的影响
钱晓倩, 詹树林, 方明晖, 孟 涛, 钱匡亮(浙江大学建筑工程学院, 浙江杭州 310027)
[摘 要] 在混凝土配合比不变的情况下, 掺入减水剂能增大流动性, 同时也显著增大早期收缩和总收缩, 特别是24h 内增幅特别大。当用水量减少、保持坍落度相同时, 掺减水剂将进一步增大早期收缩和总收缩, 且随水泥用量的增加, 收缩显著增大, 而对不掺减水剂的混凝土影响很小。因此, 对掺减水剂的混凝土应特别加强早期施工养护, 并尽可能采用纤维、减缩剂和补偿收缩剂等材料措施, 才有可能减少裂缝、推迟裂缝产生。此外, 脂肪族系、萘系和胺基磺酸盐系减水剂均增大收缩, 且品种之间的差异较小。普通水泥与基准水泥对收缩的影响规律相似。
[关键词] 减水剂; 早期收缩; 干燥收缩; 裂缝; 混凝土
抗泥型功能单体是青岛鼎昌新材料有限公司独立研发的一种应用于聚羧酸母液合成的功能性单体。该是基于分子设计的理念,利用有机合成的技术合成的一种可用于自由基聚合的不饱和单体。它的分子结构既不同于不饱和醇聚氧乙烯醚(大单体),又不同于丙烯酸、丙烯酸羟乙酯等小单体,它可以吸附在胶凝材料颗粒表面,起到“锚固”作用,也可以起到空间位阻的作用。
性能
在聚羧酸母液的合成中使用该,可以优化聚羧酸母液的分子结构,该链接到主链结构中,使聚羧酸的聚合由原来的二元或三元共聚变成了多元共聚,从而优化聚羧酸的分子结构。经过合理的工艺调整,可以赋予聚羧酸母液保坍、抗泥、减水等不同的功能。
使用方法:
1、本可以用来合成减水、综合、保坍、缓释等不同类型的聚羧酸减水剂,适用于加温或常温工艺。
2、该可以等量或者超量替代大单体或者丙烯酸、丙烯酸羟乙酯等小单体。推荐用法如下:按照1:2的比例取代原工艺中的大单体,取代总量为大单体原用量的5%-15%,根据实验情况,再调整引发体系和链转移剂的用量。
3、在减水型工艺中,先将原工艺中丙烯酸的用量降低三分之一至二分之一,然后加入该,逐渐增加其用量,可以调整出综合抗泥型的聚羧酸母液工艺,也可以调整出保坍型和缓释型的母液工艺。
4、该在具体使用时可以采用和小单体一起滴加的方式加入,也可以采用部分放在底料中,其余的采用滴加的方式。
5、该在底料中的浓度不宜过高,否则会影响聚羧酸母液的效果。
1 前言
混凝土的早期收缩裂缝问题越来越得到重视, 特别是随着泵送施工和外加剂的应用, 裂缝出现时间大大提前, 有的发生在拆模时, 甚至是在混凝土浇筑后的4至12小时内均有大量出现。减水剂、泵送剂等增大混凝土的干燥收缩有较一致的认识, 因此《混凝土外加剂》, (GB8076- 1997)规范中规定, 即使一等品, 混凝土28天收缩率比也允许增大到135%。近年来研制开发的胺基磺酸盐、聚羧酸盐和聚苯乙烯磺酸盐等高性能减水剂, 均增大混凝土的收缩。
减水剂的收缩率比是根据《混凝土耐久性和长期力学性能试验方法》(GBJ82)方法, 在等坍落度条件下测定的, 因此掺减水剂混凝土的水灰比和单方用水量均小于基准混凝土, 理论上, 收缩应该减小, 而实际上混凝土收缩反而增大, 是测试方法问题, 还是减水剂本身产生的必然结果, 非常值得研究。另一方面, 该试验方法对混凝土3d 之内的早期收缩无法反映, 这对以往不掺外加剂的普通混凝土而言, 由于早期收缩一般较小, 对总收缩的影响并不太大, 但对掺减水
剂的混凝土, 特别是对泵送法施工和低水胶比的高强高性能混凝土来说, 早期收缩的影响非常显著。从裂缝产生的时间来分析,1d 之内的早期收缩增大, 可能是混凝土开裂的关键因素。 关于混凝土早期收缩的测试, 目前尚无统一的标准, 减水剂增大早期收缩和总收缩的相关研究报导也较少, 因此, 如何测试、评价掺减水剂混凝土的早期收缩, 以及对早期裂缝的影响程度, 是亟待研究和解决的课题。本文通过设计的一套早期收缩试验装置, 对这一问题进行了探索性研究, 以阐明减水剂不仅增大后期收缩, 更重要的是极大地增加早期收缩。
2 原材料和试验方法
2.1 原材料
水 泥:浙江新都水泥有限公司生产的新都P ·O42.5级基准水泥。
细集料:河砂, 细度模数为2.6。
粗集料:碎石, 最大粒径31.5mm 。
减水剂:脂肪族减水剂、萘系减水剂和胺基磺酸盐系减水剂。
2.2 试验方法
混凝土早期自收缩测试装置见图1。由混凝土密封试模、位移传感器和记录系统、温度测定仪三大部分组成。为减少试模对混凝土收缩的约束作用, 在试模内底和四周衬一块3mm 厚的聚四氟乙烯板, 并用润滑剂粘贴一层塑料薄膜。混凝土分两层装入试模, 装至试模一半高度时, 用振捣器进行振捣, 并埋入测温原件, 再加入第二层并振捣抹平, 用塑料薄膜密封, 防止水分蒸发。混凝土试件放在恒温室内(20± 2) ℃养护, 初凝前抽去四周的聚四氟乙烯板, 使混凝土试件与模壁脱离, 并立即密封试模。将位移传感器和测温元件接入计算机, 至混凝土初凝时开始测试。试件内的温度测试主要用以修正混凝土内部温度与环境温度引起的温度变形, 通过软件对测得的收缩值进行修正。
这一试验虽然是在密封状态下进行, 但由于四周的聚四氟乙烯板抽出后留下的3mm 空隙, 使混凝土中的部分水析出, 并在钢模板上形成少量的冷凝水(为测试后期收缩拆模时发现), 测得的数值小于干燥收缩, 但又大于自收缩, 因此, 本文采用早期收缩这一概念, 这一点正在对试验装置进一步完善。
图1 混凝土早期收缩测试装置示意图
全收缩由1d 的早期收缩和后期干燥收缩叠加而成。每组3个试件在早期收缩测试1d 后立即拆模, 并重新测试基长, 移入相对湿度为(60± 5)%、温度(20± 1) ℃的恒温恒湿室内, 测定相应龄期的干燥收缩。
对同时成型的另外每组3个试件参照GBJ82标准方法(采用本研究的配合比) 测试混凝土干燥收缩。
凝结时间按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/ T 50080- 2002)方法进行。 3 试验结果与分析讨论
3.1 减水剂品种对混凝土收缩的影响
这一试验的设计是保持混凝土配合比不变, 外掺减水剂, 在增大坍落度条件下, 比较掺减水剂后收缩的变化情况。试验配合比见表1。早期收缩试验结果见表2和图2。
试验结果表明, 在配合比相同的条件下, 虽然不同减水剂品种之间的混凝土收缩略有差异, 但均显著增大混凝土的早期收缩。前24h 收缩增幅较快,24h 后收缩速率减缓。而不掺减水剂的基准混凝土, 大约在前5h 内收缩较快, 而后减慢。24h 时的收缩与基准混凝土相比, 掺脂肪族系、萘系、胺基磺酸盐系减水剂的收缩, 分别增加257%、310%和268%。
从绝对值来看, 基准混凝土的早期收缩值小于70× 10- 6m/m,而掺减水剂混凝土的早期收缩均大于200× 10- 6m/m。因此, 出现早期收缩裂缝的可能性大大增加。
图3是经1d 早期收缩测试后, 继续在相对湿度为(60±5)%、温度(20± 1) ℃的恒温恒湿室内测得的干燥收缩试验结果。虽然, 掺减水剂混凝土的收缩值也大于基准混凝土, 但增幅相对小得多。28d 龄期时, 掺脂肪族系、萘系、胺基磺酸盐系减水剂的混凝土收缩, 分别比基准混凝土增加30%、32%和38%。
为了比较测试方法对结果的影响, 参照GBJ82标准方法(采用本研究的配合比)
测试了混凝土
干燥收缩, 试验结果见图4。显然, 与本研究方法测得的收缩规律完全相似, 掺三种不同减水剂的混凝土收缩增幅分别为26%、30%和35%,也与本研究方法测得的结果相近。但在绝对值上, 参照GB82标准方法测得的值要小, 其中不掺减水剂的基准混凝土收缩减小12%,掺减水剂的混凝土均减小15%左右。这一点与测试的起始时间分别为3d 和1d 密切相关。因为混凝土的早期收缩较快, 后期收缩较慢。
图5是采用本研究方法测得的从初凝开始的全收缩曲线。28d 时, 与基准混凝土相比, 掺脂肪族系、萘系、胺基磺酸盐系减水剂的总收缩增量分别为265.5× 10- 6m/m、269.0× 10- 6m/m和315.0× 10- 6m/m,增幅分别达到82.2%,83.2%和97.5%,远远大于按GB82方法测得的结果。说明现行国家标准试验方法由于没有测量到混凝土的早期收缩而远远低估了减水剂对混凝土收缩的影响。当然, 这里忽略了早期养护对收缩的影响, 但并不影响到这一规律的结论。
为了进一步验证减水剂对混凝土早期收缩的影响, 选用基准水泥进行了对比试验。配合比与表1相同, 试验结果见表3。收缩规律与新都水泥相似, 减水剂的掺入同样显著增大混凝土早期收缩。
3.2 坍落度相同时, 减水剂对混凝土收缩的影响
减水剂的分散作用, 使得水泥浆体絮凝结构解体, 从而释放出被水泥颗粒包裹的游离水, 因此, 在混凝土配合比不变的条件下, 相当于增加了用水量, 或增大了水灰比, 成为增大收缩的原因之一, 但减水剂增大混凝土收缩是否与此相关, 值得探讨。为此, 本研究设计了二组混凝土坍落度基本相同, 水泥用量相同, 但用水量减少的配合比(为了简化和对比的需要, 水泥用量及用水量改变时, 砂石料用量未作相应调整, 因此, 严格意义上并不是1m3。减水剂品种为脂肪族系), 见表4。早期收缩试验结果见表5和图6。
试验结果表明, 总的收缩规律虽与配合比相同时的规律相似, 但收缩值却显著增大。24h 龄期时, 水泥用量为450kg/m3的混凝土, 掺减水剂的早期收缩增大356× 10- 6m/m,增幅达509%;水泥用量为550kg/m3的混凝土, 掺减水剂的早期收缩增大557× 10- 6m/m,增幅高达605%
。
说明减水剂的掺入, 虽然减小了混凝土的用水量和水灰比, 但混凝土的早期收缩不但不减小, 反而显著地增加, 这是非常值得引起重视的课题。
对不掺减水剂的混凝土而言, 水泥用量增加, 用水量增大(与配合比J1相比), 早期收缩的增幅很小。同样, 在坍落度相同时, 基准混凝土的水泥用量从450kg/m3增加到550kg/m3,早期收缩变化也很小。而掺减水剂混凝土, 水泥用量的增加, 早期收缩极大地增加, 这也是非常值得引起重视的。
图7是早期收缩测试结束后, 在相对湿度为(60± 5)%、温度(20± 1) ℃条件下的干燥收缩试验结果, 掺减水剂的混凝土收缩同样增大, 但不同水泥用量28d 龄期时的收缩差相对于早期收缩而言要小得多。水泥用量分别为450kg/m3和550kg/m3时,28d 龄期的收缩增幅只有24%。而以全收缩表征时(图8), 减水剂的掺入分别增大收缩120%和140%。因此, 如果忽视混凝土的早期收缩, 而仅以后期干燥收缩值表征, 一方面弱化了减水剂对混凝土收缩带来的增大作用。另一方面, 对正确认识混凝土的总收缩和早期抗裂极为不利。
5 结论
(1)减水剂极大地增加混凝土的早期收缩和总收缩, 特别是从初凝开始的24h 内, 收缩增幅很快, 是早期开裂的关键因素。一方面可以解释泵送法施工和掺减水剂混凝土, 早期塑性收缩裂缝增多和开裂时间提前的原因, 更为重要的是强调加强早期施工养护措施对提高抗裂性的迫切性。另一方面, 对掺减水剂的混凝土, 不能以普通混凝土的传统观念来组织施工, 单从收缩角度来说, 应将掺减水剂混凝土视作特种混凝土。
(2)从掺减水剂混凝土的早期收缩绝对值来看, 要解决早期抗裂问题, 单凭加强施工养护措施难度较大, 应采取纤维抗裂技术、减缩剂技术或早期补偿收缩技术等材料措施, 才有可能有效抵制早期开裂。
(3)对掺减水剂的混凝土应特别重视早期收缩的测试和评价问题, 单凭标准方法测得的干燥收缩值, 有可能弱化减水剂对混凝土收缩的不利影响。这一点, 对不掺减水剂的混凝土影响很小。这给我们提出了如何评价掺减水剂混凝土收缩特性的新课题。
(4)萘系、胺基磺酸盐系和脂肪族系减水剂均增大早期收缩和总收缩, 其它品种的化学外加剂也有类似情况。基准水泥与普通水泥对混凝土早期收缩的影响规律相同。
(5)掺减水剂后, 即使减少用水量, 保持坍落度相同, 并不会减少混凝土的早期收缩和总收缩, 反而有进一步增大收缩的趋势。另一方面, 水泥用量的增加会增大混凝土的早期收缩和总收缩, 而对不掺减水剂的混凝土, 影响相对很小。
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