李 飛, 詹炳根

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

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內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑、減縮劑對高強混凝土早期收縮的影響

李 飛1,2, 詹炳根1,2

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

文章采用非接觸式混凝土收縮變形測定儀研究了內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑、減縮劑及內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻、內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑雙摻、膨脹劑與減縮劑雙摻對高強混凝土早期收縮性能的影響。研究結(jié)果表明:內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑、減縮劑的摻入均能明顯降低高強混凝土的早期收縮值;單摻條件下,減縮劑的效果最好;雙摻條件下均能產(chǎn)生疊加效應(yīng),其中0.20%內(nèi)養(yǎng)護劑與2%減縮劑、10%膨脹劑與2%減縮劑雙摻減縮效果最好,48 h早期收縮值分別降低了70%和76%,且內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑雙摻中內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、減縮劑之間存在一定的比例關(guān)系,不同的摻入比例對收縮有顯著影響。

高強混凝土;早期收縮;內(nèi)養(yǎng)護劑;膨脹劑;減縮劑

目前,隨著高強混凝土的普及應(yīng)用,其高收縮量引起的裂縫問題越來越影響工程的質(zhì)量；高強混凝土48 h的早期收縮值占總收縮值的50%～60%,減小高強混凝土早期收縮值對解決其抗裂問題有重要意義。

摻加礦物摻合料和外加劑是降低高強混凝土早期收縮的2種主要手段。粉煤灰、硅灰、礦粉等礦物摻合料對早期收縮的影響機理已較為清晰。在外加劑方面,主要是采用內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑、減縮劑降低早期收縮。文獻[1]對水中養(yǎng)護2 a的高性能混凝土研究結(jié)果表明,外部水分只能滲透混凝土的表層,混凝土內(nèi)部濕度與外部濕度相差很大;文獻[2]測定了高性能混凝土不同深度處早期濕度隨時間的變化,結(jié)果表明摻入內(nèi)養(yǎng)護劑可以明顯提高混凝土的內(nèi)部濕度,減小因自干燥作用引起的自收縮;文獻[3]的研究得到了同樣的結(jié)論。膨脹劑的使用目前主要集中在大壩混凝土和地下抗?jié)B工程中,這些工程中的混凝土水膠比較大,并且工程周圍的水環(huán)境可以保證膨脹劑的水化所需,而對于高強混凝土,膨脹劑缺少水化所需的自由水,其對自收縮的抑制能力還有待于研究。減縮劑由于成本較高,還沒有推廣使用,但是其良好的減縮性能已被多次證實[4]。在雙摻研究方面,文獻[5]研究了內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑復合應(yīng)用對C40混凝土體積自由變形和限制變形的影響后發(fā)現(xiàn),混凝土自由膨脹率顯著增大,但在高強混凝土中的應(yīng)用研究還較少。文獻[6]將輕骨料預(yù)吸一定濃度的減縮劑溶液后摻入水泥砂漿中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種措施能夠提高減縮效果,但在高強混凝土中與內(nèi)養(yǎng)護劑復合還有待于研究。文獻[7]研究了膨脹硫鋁酸鹽水泥與減縮劑的復合應(yīng)用,結(jié)果證明在水膠比為0.2～0.4范圍內(nèi),復合應(yīng)用比相同水膠比條件下使用硅酸鹽水泥的混凝土收縮降低70%～80%,而膨脹劑與減縮劑在高強混凝土中的復合應(yīng)用無論在試驗上還是機理分析上都是較為欠缺的。綜上所述,關(guān)于內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑和減縮劑等外加劑的影響，尤其是雙摻的影響,還需要進一步開展研究。

本文通過試驗分別研究了內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑、膨脹劑與減縮劑雙摻對早期收縮的影響并試圖從機理上加以解釋。為便于比較,對單摻內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑、減縮劑的影響也進行了試驗。

1 試驗與結(jié)果

先測定不摻加任何礦物摻合料和外加劑的HSC基準組的早期收縮,在此基礎(chǔ)上對比研究單摻內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑、減縮劑的減縮效果,最后通過觀測內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑、膨脹劑與減縮劑雙摻對早期收縮值的降低幅度來探索最有效降低高強混凝土早期收縮的手段。

試驗按照膨脹劑(expansion agent，EA)摻量8%、10%、12%,減縮劑(shrinkage reducing agent，SRA)摻量0.5%、1.0%、2.0%,內(nèi)養(yǎng)護劑(super absorbent polymer，SAP)摻量0.04%、0.20%、0.40%進行配合比設(shè)計,混凝土設(shè)計強度為C80,配合比及試驗結(jié)果見表1所列,其中膨脹劑和減縮劑以內(nèi)摻方式取代水泥摻入,內(nèi)養(yǎng)護劑按質(zhì)量1∶30預(yù)吸水后以外摻方式摻入。文中“摻量”為質(zhì)量分數(shù)。

表1 配合比及試驗結(jié)果

注:水、砂、石子的體積質(zhì)量分別為140、740、973 kg/m3。

所用原材料包括:巢湖水泥廠產(chǎn)52.5R級普通硅酸鹽水泥;巢湖散兵碎石,粒徑為5～20 mm;六安霍山河沙,細度模數(shù)2.9;合肥淋新聚羧酸高效減水劑;巢湖萬金山公司產(chǎn)膨脹劑;減縮劑,為一種表面活性物質(zhì);內(nèi)養(yǎng)護劑,為一種吸水性樹脂。減縮劑、內(nèi)養(yǎng)護劑均由合肥佳方新型建材有限責任公司提供。

(1) 混凝土工作性能與力學性能測試?；炷量箟簭姸葴y試按照文獻[8]中的抗壓強度試驗方法進行;混凝土拌合物的坍落度試驗測試按照文獻[9]中的坍落度與坍落度擴展法進行。

(2) 混凝土早期收縮測試?；炷恋脑缙谑湛s試驗參考文獻[10]中的收縮試驗方法的“非接觸法”進行,使用非接觸式收縮變形測定儀,具體型號為中國建筑科學研究院研發(fā)的CABR-NES型,混凝土用100 mm×100 mm×515 mm模具成型,試件成型后立即帶模放入溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%的室內(nèi),通過在試件外包裹塑料薄膜阻止混凝土水分的蒸發(fā),每15 min讀數(shù)1次,每組配合比成型3個試件,以3個結(jié)果的平均值作為該組混凝土的早期收縮值。本文所測定的早期收縮實際上包含化學收縮引起的整體縮減效應(yīng)、一部分水化熱溫升引起的收縮和自收縮,其中自收縮占絕大比例。

2 結(jié)果分析

2.1 內(nèi)養(yǎng)護劑對高強混凝土早期收縮的影響

內(nèi)養(yǎng)護劑摻量的影響如圖1所示。

圖1 內(nèi)養(yǎng)護劑摻量的影響

試驗研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)養(yǎng)護劑直接摻入高強混凝土中對高強混凝土的自收縮沒有明顯的降低作用,原因是內(nèi)養(yǎng)護劑先吸收高強混凝土中的自由水,然后隨著水泥的水化緩慢地釋放水分,等于在混凝土成型的早期進一步降低了水膠比,不利于水泥水化和混凝土內(nèi)部密實孔結(jié)構(gòu)的形成。經(jīng)過反復試驗研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)養(yǎng)護劑的摻入按質(zhì)量比為1∶30預(yù)吸水后可摻入高強混凝土中。

從圖1可以看出,高強混凝土的早期收縮可以劃分為2個階段，15 h之內(nèi)的早期收縮值可以占到總收縮值的80%以上，隨后,混凝土的收縮趨于平緩,早期收縮發(fā)展明顯減慢,這與高強高性能混凝土的早強和快速水化有關(guān)?；炷猎缙谑湛s值隨著內(nèi)養(yǎng)護劑摻量的增加逐漸減小,48 h基準組HSC的早期收縮值為4 059 μm,摻0.04%、0.20%和0.40%的內(nèi)養(yǎng)護劑的收縮值分別為3 615、3 269、2 948 μm,分別減少10.9%、19.5%和27.4%。內(nèi)養(yǎng)護劑經(jīng)預(yù)吸水摻入混凝土后,一方面相當于增大了高強混凝土的水膠比,減小了混凝土內(nèi)部自干燥引起的自收縮;另一方面,預(yù)吸水的內(nèi)養(yǎng)護劑在水泥水化的過程中緩慢地釋放水分,有利于鈣礬石的生成和水泥水化程度的提高,并能有效改善高強混凝土中的孔結(jié)構(gòu)分布[5],從而減小了高強混凝土的早期收縮。

加入預(yù)吸水的內(nèi)養(yǎng)護劑對混凝土的強度有不利影響,且隨摻量增大,影響更為顯著。SAP0.40%組3、7、28 d的強度值比基準組分別降低了31.4%、36.6%和26.9%。原因在于,加入預(yù)吸水的內(nèi)養(yǎng)護劑后,混凝土的水膠比提高,孔隙率增大,同時內(nèi)養(yǎng)護劑還有緩凝的效果,使得早期強度降低較多。隨著水化的進行,內(nèi)養(yǎng)護劑中的水分緩慢釋放供水泥水化反應(yīng)使用,提高水泥的水化程度,因此對后期的強度影響會減小。

2.2 膨脹劑對高強混凝土早期收縮的影響

膨脹劑摻量的影響如圖2所示。

圖2 膨脹劑摻量的影響

從圖2可以看出,膨脹劑的摻入使得高強混凝土早期收縮存在先膨脹再收縮的過程?；炷翝仓尚秃?膨脹劑立即開始水化膨脹,生成鈣礬石晶體,此時膨脹劑的膨脹作用大于混凝土內(nèi)部自干燥引起的自收縮,在2.5 h膨脹量達到最大,摻量為12%的混凝土膨脹量最大值為502 μm。隨著膨脹劑和水泥的水化,低水膠比的高強混凝土中自干燥作用所引起的自收縮越來越大,從而導致早期收縮快速增長,最終在5 h膨脹量與收縮量達到平衡。8%、10%、12%膨脹劑摻量的高強混凝土48 h的收縮值分別為3 016、2 353 、2 026 μm,與基準組相比,降低了25.7%、42.0%和50.0%,可以發(fā)現(xiàn),隨著膨脹劑摻量的增加,早期收縮呈現(xiàn)較大程度的降低趨勢。

膨脹劑減小早期收縮的原理是膨脹劑水化產(chǎn)生的鈣礬石晶體能夠填充、堵塞混凝土的毛細孔,改變混凝土中孔結(jié)構(gòu)和孔級配,使有害孔減少、無害孔增多,總孔隙率降低,從而減小早期收縮。

膨脹劑對高強混凝土強度的影響是先降低再升高。EA12%組的3 d和7 d強度比HSC基準組分別降低了20.3%和9.7%,而28 d強度值升高了8.5%。原因是高強混凝土成型1 d后即拆模送入標準養(yǎng)護室,混凝土失去了模具的約束,膨脹劑使混凝土的早期結(jié)構(gòu)疏松,強度降低,但后期隨著高強混凝土強度的發(fā)展,膨脹劑繼續(xù)發(fā)揮作用,使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實,對混凝土28 d強度沒有降低作用。

2.3 減縮劑對高強混凝土早期收縮的影響

減縮劑摻量的影響如圖3所示。

圖3 減縮劑摻量的影響

減縮劑的摻入和膨脹劑類似,同樣存在先膨脹后收縮的過程,從圖3可以看出,在5.5 h時,2.0%減縮劑摻量的膨脹最大值為444 μm,在10 h時膨脹量與收縮量達到平衡,與膨脹劑的5.5 h取得平衡相比,延長了近1倍,這可能與減縮劑有延緩混凝土凝結(jié)時間的影響有關(guān),文獻[11]的研究表明減縮劑會造成混凝土緩凝現(xiàn)象,內(nèi)摻1.25%時,初凝時間會延長25%。減縮劑摻量為0.5% 時48 h收縮量為2 652 μm,降低了34.6%,摻量為1.0%時為2 213 μm,2.0%時為1 826 μm,分別降低了45.5%和55.0%,隨著減縮劑摻量的增加,早期收縮呈現(xiàn)明顯的降低趨勢,與內(nèi)養(yǎng)護劑和膨脹劑的早期收縮圖對比后可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)養(yǎng)護劑在15 h左右早期收縮曲線圖趨于平緩,膨脹劑在20 h左右趨于平緩,而減縮劑一直到48 h早期收縮曲線都是呈現(xiàn)上升的趨勢,但是收縮值卻低于單摻內(nèi)養(yǎng)護劑和膨脹劑的收縮性。造成這種現(xiàn)象的原因可能是減縮劑的減縮原理導致的。減縮劑的減縮原理與膨脹劑完全不同,膨脹劑主要靠膨脹劑水化生成膨脹性水化產(chǎn)物來抵消高強混凝土的早期收縮,而減縮劑主要依靠降低混凝土內(nèi)孔隙溶液的表面張力,從而減小毛細孔收縮應(yīng)力來抑制混凝土的收縮,在低水膠比的高強混凝土中比內(nèi)養(yǎng)護劑和膨脹劑效果更好。

減縮劑的摻入會降低高強混凝土的強度,SRA2.0%組的28 d強度比基準組降低了10.8%,原因可能是減縮劑的摻入會使硬化體內(nèi)部孔隙率增大,也可能是減縮劑的存在使水泥水化程度降低,水泥水化不充分導致[4]。

2.4 內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻的影響

內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻的影響如圖4所示。

圖4 內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻的影響

研究顯示,膨脹劑的膨脹水化需要大量的水源,膨脹劑完全反應(yīng)時體積增加量都在100%以上,反應(yīng)所需的水量也在50%以上[12]。而低水膠比的高強混凝土中水泥和膨脹劑水化爭奪有限的自由水,同時漿體內(nèi)部溶液的離子濃度增加,使膨脹劑主要組成成分硫酸鈣的溶解度降低,從而參與水化的膨脹組分數(shù)量會受到一定的影響[13]。內(nèi)養(yǎng)護劑的摻入正好可以彌補這種缺陷,同時促進水泥水化和膨脹劑的水化,產(chǎn)生疊加效應(yīng),進一步降低高強混凝土的早期收縮。

從圖4可以看出,SAP0.20%+EA10%組的最大膨脹值為551 μm,相比于單摻膨脹劑的高強混凝土,增大了約12%。SAP0.04%+EA08%組、SAP0.04%+EA10%組、SAP0.20%+EA08%組、SAP0.20%+EA10%組的48 h早期收縮值分別為 2 716、2 592、2 145、1 909 μm,相比于SAP0.00%+EA00%基準組,分別降低了33%、36%、47%和53%。而單摻10%膨脹劑早期收縮值只降低了42%,內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻對早期收縮的抑制作用提高了11%。膨脹劑摻量8%條件下,0.20%內(nèi)養(yǎng)護劑摻量比0.04%摻量降低了571 μm;而膨脹劑10%摻量下,0.20%內(nèi)養(yǎng)護劑摻量比0.04%摻量降低了683 μm,因此可以得出在一定范圍內(nèi),膨脹劑摻量的增加可以使內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻的減縮效果增強,兩者之間存在一定的比例關(guān)系使得雙摻效果最好。

內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑雙摻對強度的影響規(guī)律類似于單摻膨脹劑,但早期強度更低,原因是膨脹劑的膨脹使混凝土結(jié)構(gòu)疏松,而內(nèi)養(yǎng)護劑引水作用使水膠比增大,兩者復合進一步降低了早期強度。雙摻促進了后期膨脹劑和水泥水化,因此28 d強度值可以達到C80混凝土的強度要求。

2.5 內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑雙摻的影響

內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑雙摻的影響如圖5所示。

圖5 內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑雙摻的影響

從圖5可以看出,SAP0.20%+SRA2%組早期膨脹最大值為502 μm,與SRA2%組的444 μm相比,提高了11.6%。SAP0.04%+SRA1%組、SAP0.04%+SRA2%組、SAP0.20%+SRA1%組、SAP0.20%+SRA2%組的48 h收縮值分別為2 154、1 744、1 536、1 218 μm,與SAP0.00%+SRA0%基準組相比,分別降低了47%、57%、62%和70%。與單獨使用減縮劑或內(nèi)養(yǎng)護劑相比,減縮劑與內(nèi)養(yǎng)護劑雙摻應(yīng)用時,能獲得更加優(yōu)異的減縮性能,產(chǎn)生明顯的“疊加”效應(yīng)。在兩者雙摻試驗中,SAP0.20%+SRA1%組比SAP0.04%+SRA1%組早期收縮值減小618 μm,SAP0.20%+SRA2%組比SAP0.04%+SRA2%組早期收縮值減小了526 μm,減縮劑摻量1.0%條件下內(nèi)養(yǎng)護劑摻量提高0.16%,早期收縮值降低了618 μm,而減縮劑摻量2.0%條件下提高相同的內(nèi)養(yǎng)護劑摻量,早期收縮值只降低526 μm。造成這種現(xiàn)象的原因可能是內(nèi)養(yǎng)護劑中的自由水與減縮劑減縮作用之間有某種反應(yīng)關(guān)系,且兩者之間存在一定的最佳比例關(guān)系。

內(nèi)養(yǎng)護劑的摻入可以大幅延緩混凝土內(nèi)部濕度的降低,而減縮劑正是通過降低孔隙水溶液的表面張力來實現(xiàn)降低早期收縮值的,內(nèi)養(yǎng)護劑緩慢釋放的自由水可能被減縮劑利用,因而極大地增加了減縮劑的減縮效力,具體的減縮機理還有待進一步研究。

內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑的雙摻對強度產(chǎn)生了極為不利的影響,SAP0.2%+SRA2%的28 d強度值比基準組降低了37.4%。也就是說在減縮方面兩者產(chǎn)生了正面疊加效應(yīng),在強度影響方面產(chǎn)生了負面疊加效應(yīng)。在實際應(yīng)用中可以通過摻加礦物摻合料來調(diào)節(jié)高強混凝土的強度值。

2.6 膨脹劑與減縮劑雙摻的影響

膨脹劑與減縮劑雙摻的影響如圖6所示。

圖6 膨脹劑與減縮劑雙摻的影響

從圖6可以看出,EA10%+SRA2%組的早期膨脹最大值為530 μm,比EA10%組增加了8.0 %,比SRA2%組增加16.2%。EA08%+SRA1%組、EA10%+SRA1%組、EA08%+SRA2%組、EA10%+SRA2%組的48 h收縮值分別為2 050、1 704、1 414、984 μm,相比于EA00%+SRA0%基準組,分別降低了49%、58%、65%和76%,與單摻膨脹劑或減縮劑的高強混凝土相比,膨脹劑與減縮劑的雙摻在補償收縮方面產(chǎn)生了更為明顯的協(xié)同效應(yīng),可能是因為經(jīng)過減縮劑處理的自由水對膨脹劑的水化產(chǎn)生了某種促進作用。

在強度影響方面,膨脹劑與減縮劑的雙摻進一步降低了早期強度,28 d強度值界于單摻膨脹劑和單摻減縮劑之間。這可能是因為在水化早期,膨脹劑的膨脹疏松作用與減縮劑的抑制水化作用疊加導致的,后期強度由于減縮劑摻入的不利影響從而比單摻膨脹劑的要低。

3 結(jié) 論

(1) 內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑和減縮劑均可降低高強混凝土的早期收縮,單摻條件下,減縮劑的減縮效果最好。

(2) 內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑、膨脹劑與減縮劑的雙摻均產(chǎn)生了疊加效應(yīng),其中0.2%內(nèi)養(yǎng)護劑與2%減縮劑、10%膨脹劑與2%減縮劑可產(chǎn)生極為明顯的疊加效應(yīng),48 h早期收縮值分別降低了70%和76%。

(3) 內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、內(nèi)養(yǎng)護劑與減縮劑雙摻中內(nèi)養(yǎng)護劑與膨脹劑、減縮劑之間存在一定的比例關(guān)系,不同的摻入比例對高強混凝土的收縮有顯著影響。

(4) 內(nèi)養(yǎng)護劑和減縮劑的摻入會對高強混凝土的強度產(chǎn)生不利影響,摻入膨脹劑降低了高強混凝土的早期強度,提高了混凝土的28 d強度。內(nèi)養(yǎng)護劑、減縮劑和膨脹劑的雙摻使得早期強度更為不利,但膨脹劑的后期水化和內(nèi)養(yǎng)護劑對水泥、膨脹劑水化的促進作用可以提高高強混凝土的后期強度。

(5) 本文中內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑和減縮劑單摻與雙摻對強度和早期收縮性能的影響均是由本文所采用的特定原材料實驗所得,對其他類型的內(nèi)養(yǎng)護劑、膨脹劑和減縮劑能否得到相同的結(jié)論還有待進一步研究。

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(責任編輯 張淑艷)

Influence of super absorbent polymer, expansion agent and shrinkage reducing agent on early autogenous shrinkage of high-strength concrete

LI Fei1,2, ZHAN Binggen1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

The effect of super absorbent polymer(SAP), expansion agent(EA) and shrinkage reducing agent(SRA) admixtures on the early autogenous shrinkage of high-strength concrete(HSC) was studied by using the non-contact automatic testing device. The experimental results show that SAP, EA and SRA can all restrain the autogenous shrinkage of HSC. Under the condition of adding one admixture, the reducing autogenous result of adding SRA is the best. Under the condition of double adding, when the SRA content is 2% and the SAP content is 0.20%, the autogenous shrinkage of HSC at 48 h is reduced by 70%, and when the SRA content is 2% and the EA content is 10%, the autogenous shrinkage of HSC at 48 h is reduced by 76%. Furthermore, there is a certain proportion among them which has significant impact on the shrinkage of HSC.

high-strength concrete(HSC); early autogenous shrinkage; super absorbent polymer(SAP); expansion agent(EA); shrinkage reducing agent(SRA)

2015-04-03；

2015-07-06

李 飛(1989-),男,安徽肥東人,合肥工業(yè)大學碩士生;

詹炳根(1964-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.020

TU528.31

A

1003-5060(2016)09-1254-06