高曙光，馬鋒玲,2，李秀琳,2

(1.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 材料研究所，北京 100038)

1 概 述

在水利水電工程中，混凝土的收縮開裂一直沒有得到根本解決，很多混凝土工程都是在未拆?；騽偛鹉：缶统霈F(xiàn)了裂縫[1]。收縮裂縫不僅會(huì)降低混凝土的剛度，影響混凝土外觀，降低混凝土防水防腐性能，甚至?xí)痄摻钿P蝕，最終影響混凝土的性能發(fā)揮和混凝土的壽命。如何有效控制和防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，特別是對(duì)混凝土薄壁結(jié)構(gòu)物來說尤為關(guān)鍵。

混凝土的干縮裂縫需要從混凝土材料本身研究解決?；炷猎诎柚浦行枰尤胍欢康陌韬陀盟嗨盟徽妓嗟?5%左右，過多的拌和水一部分在混凝土澆筑過程中沿著模板滲出，一部分由混凝土表面蒸發(fā)掉。而混凝土內(nèi)部大量毛細(xì)孔中的遺留水在混凝土硬化過程中，沿著毛細(xì)孔向外遷移并揮發(fā)，在遷移和揮發(fā)過程中由于表面張力的存在而引起混凝土內(nèi)部收縮，當(dāng)這部分收縮應(yīng)力累計(jì)超過混凝土本體的拉應(yīng)力時(shí)，就產(chǎn)生了干縮裂縫。

化學(xué)減縮劑為低黏滯度水溶性液體，摻入減縮劑可以降低混凝土本體內(nèi)毛細(xì)孔中水的表面張力，從而減小毛細(xì)孔失水時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，大大減少混凝土的干縮，有效控制混凝土早期收縮裂縫的產(chǎn)生。如果能使混凝土28 d干縮減少30%以上，對(duì)于薄壁混凝土建筑物的工程具有非常重要的意義。減縮劑需滿足以下技術(shù)要求：①能降低混凝土毛細(xì)孔中水溶液的表面張力；②在強(qiáng)堿環(huán)境下具有足夠的穩(wěn)定性；③與其他外加劑具有相容性，不降低其它外加劑的性能；④硬化混凝土性能不下降；⑤較低的成本并易于存儲(chǔ)使用。

2 減縮劑合成試驗(yàn)

本試驗(yàn)的減縮劑是利用羥基化合物與環(huán)氧化烷烴合成醇醚類混合物。減縮劑與拌和水一起加入到混凝土中，在混凝土硬化后仍保留在直徑為2.5～50 nm孔結(jié)構(gòu)中，可以降低混凝土毛細(xì)孔中水的表面張力，減小毛細(xì)孔失水時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，從而減小混凝土的干縮，有效控制混凝土早期收縮裂縫的產(chǎn)生。原材料包括羥基化合物、環(huán)氧化烷烴、強(qiáng)堿和其它輔料。本研究選擇不同種類原材料，共合成出近30組單組分或多組分的醇類、醚類、聚氧乙烯類等不同配方的減縮劑，對(duì)合成的減縮劑通過水泥砂漿干縮試驗(yàn)進(jìn)行相對(duì)比較和篩選，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不斷優(yōu)化原材料、改進(jìn)制備工藝，最終成功開發(fā)出SK-J減縮劑。

3 水泥砂漿干縮試驗(yàn)

試驗(yàn)按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150-2001)中“水泥砂漿干縮(濕脹)試驗(yàn)”方法[2]進(jìn)行，對(duì)合成的近30組減縮劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)原材料采用基準(zhǔn)水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂，減縮劑摻量為膠凝材料用量的2.0%。通過試驗(yàn)確定采用編號(hào)為49的減縮劑進(jìn)行下一步的綜合性能試驗(yàn)，其在2.0%、1.5%和1.0%不同摻量下的水泥砂漿干縮試驗(yàn)結(jié)果見圖1。當(dāng)減縮劑摻量從1.0%提高至1.5%時(shí)，可使水泥砂漿28 d干縮減少約17%；當(dāng)減縮劑摻量從1.5%提高至2.0%時(shí)，可使水泥砂漿28 d干縮減少約32%。因此，49號(hào)減縮劑最佳摻量為1.5%～2.0%。

圖1 不同摻量49號(hào)減縮劑的水泥砂漿干縮試驗(yàn)

4 勻質(zhì)性試驗(yàn)

依據(jù)國(guó)標(biāo)《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077-2012)[3]，對(duì)減縮劑的勻質(zhì)性進(jìn)行檢測(cè)。該減縮劑為淡黃色液體，表面張力(20℃,1%)為35.0 mN/m，能明顯降低混凝土毛細(xì)孔中水溶液表面張力。其他性能為：密度0.95 g/cm3，pH值(20℃,5%)6.2，固含量100%，堿含量0.07%，未檢出氯離子。

5 混凝土性能試驗(yàn)

水泥采用甘肅祁連山牌P.O42.5水泥，經(jīng)檢驗(yàn)性能符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2017)的技術(shù)要求。粉煤灰采用蘭州西固宏大熱電公司的粉煤灰，經(jīng)檢驗(yàn)，性能符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2018)的技術(shù)要求，屬III級(jí)粉煤灰。外加劑采用蘭州LRFH高效減水劑和KDSF引氣劑。試驗(yàn)表明，LRFH高效減水劑在3.5%摻量下的減水率為19.4%，性能符合《混凝土外加劑規(guī)范》(GB 8076-2016)中一等品要求；KDSF引氣劑在0.008%摻量下的混凝土性能符合《混凝土外加劑規(guī)范》(GB 8076-2016)對(duì)引氣劑的要求。為進(jìn)行抗裂性能對(duì)比，在混凝土體積穩(wěn)定性及早期抗裂性試驗(yàn)中采用聚丙烯晴纖維和鋼纖維進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。聚丙烯晴網(wǎng)狀纖維長(zhǎng)度24 mm，直徑16 μm，推薦摻量為0.9 kg/m3；鋼纖維長(zhǎng)度60 mm，直徑0.75 mm，推薦摻量為35 kg/m3。骨料采用石灰?guī)r人工砂和人工碎石，性能符合《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144-2015)的規(guī)定，砂細(xì)度模數(shù)為3.0。

混凝土指標(biāo)按水工混凝土薄壁結(jié)構(gòu)常用性能考慮，除強(qiáng)度外，還考慮了較高的抗凍性能和抗?jié)B性能。具體指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度等級(jí)C30，抗?jié)B等級(jí)W10，抗凍等級(jí)F300；混凝土強(qiáng)度保證率為95%；28 d齡期極限拉伸值不小于100×10-6；坍落度控制在7～9 cm，含氣量控制在4%～6%。據(jù)此通過優(yōu)化試驗(yàn)確定了基準(zhǔn)混凝土配合比，其28 d抗壓強(qiáng)度為39.9 MPa。在基準(zhǔn)混凝土配合比的基礎(chǔ)上，摻減縮劑、纖維材料并對(duì)基準(zhǔn)配合比進(jìn)行調(diào)整，采用的配合比見表1。其中，摻減縮劑混凝土的和易良好，不離析、不泌水，摻減縮劑對(duì)新拌混凝土的凝結(jié)時(shí)間無明顯影響，對(duì)抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗壓彈性模量等影響很小。

表1 混凝土配合比及性能

5.1 混凝土的體積穩(wěn)定性

混凝土干縮試驗(yàn)試件為100 mm×100 mm×500 mm棱柱體?；炷脸尚秃? d拆模，測(cè)定基長(zhǎng)?；炷粮煽s值由安裝在立式干縮架上的千分表測(cè)定。試驗(yàn)室溫度控制為20±2℃，相對(duì)濕度為60%左右?；炷粮煽s變形試驗(yàn)結(jié)果見圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明，各種混凝土180 d干縮率除摻減縮劑的混凝土較低外(為347.7×10-6)，其它3組均在(384～396)×10-6之間，相差不大。混凝土中摻入1.5%減縮劑的28 d干縮率比基準(zhǔn)混凝土降低約23%。

圖2 混凝土干縮試驗(yàn)結(jié)果

混凝土自生體積變形是在恒溫絕濕條件下，由膠凝材料的水化作用引起的變形。自生體積變形試件為φ150 mm×500 mm圓柱體，試件中心內(nèi)埋電阻式應(yīng)變計(jì)，混凝土振實(shí)后用錫焊將筒密封，密封后立即放入恒溫室。自生體積變形量測(cè)采用比例電橋，根據(jù)測(cè)量電阻式應(yīng)變計(jì)的電阻與電阻比及混凝土的熱膨脹系數(shù)來計(jì)算其自生體積變形?；炷磷陨w積變形試驗(yàn)結(jié)果見圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中摻入聚丙烯晴纖維和鋼纖維對(duì)混凝土自生體積變形無明顯改變，混凝土中摻減縮劑對(duì)減少混凝土的自生體積收縮變形具有一定的效果。

圖3 混凝土自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果

5.2 混凝土的早期抗裂性能

本試驗(yàn)采用中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38:2004)中附錄D“纖維混凝土和砂漿收縮裂縫試驗(yàn)方法”(平板試件法)[4]進(jìn)行，可反映混凝土塑性收縮、自收縮和干燥收縮引起的混凝土早期開裂傾向，但與溫度收縮關(guān)系不大。混凝土試件為600 mm×600 mm×63 mm的平面薄板。試件模具邊框?yàn)椴垆摚吙騼?nèi)設(shè)Φ6間距60 mm的雙排栓釘，栓釘長(zhǎng)度分別為50和100 mm，間隔布置。底板采用厚度為5 mm的鋼板，上鋪聚乙烯薄膜隔離層。當(dāng)澆筑后的混凝土平板試件發(fā)生收縮時(shí)，四周將受到這些螺栓的約束，應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土平板發(fā)生開裂。試件成型后置于環(huán)境溫度20±2℃、相對(duì)濕度為60%的試驗(yàn)室中，2 h后各用1臺(tái)電扇吹試件表面，風(fēng)向平行試件表面。成型24 h后觀察裂縫數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度。

各種混凝土的早期抗裂性試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)平行進(jìn)行了兩次，由于該試驗(yàn)的重復(fù)性較差，表2中數(shù)據(jù)為兩次試驗(yàn)結(jié)果之和，僅用于各種混凝土早期抗裂性優(yōu)劣的相對(duì)比較，并不代表混凝土長(zhǎng)齡期抗裂性的優(yōu)劣。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻聚丙烯晴纖維和減縮劑對(duì)混凝土的早期裂縫有很好的抑制效果，可顯著減少混凝土早期塑性收縮裂縫和早期干燥收縮裂縫的數(shù)量，限裂等級(jí)均為一級(jí)。

表2 早期抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 語

混凝土中摻入減縮劑是從混凝土材料本體上來解決干縮問題，它能有效降低混凝土自身的干縮值，對(duì)減小混凝土的干縮裂縫十分有利。因此，它特別適用于有抗裂要求的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中。本研究開發(fā)SK-J減縮劑具有明顯降低混凝土毛細(xì)孔中水溶液表面張力的作用，在強(qiáng)堿條件下能穩(wěn)定存在，與常用減水劑、引氣劑具有良好的相容性，易于存儲(chǔ)和方便使用。水泥砂漿試驗(yàn)結(jié)果表明，減縮劑摻量為2.0%時(shí)，水泥砂漿28d干縮減少率為54%；減縮劑最佳摻量為1.5%～2.0%。摻SK-J減縮劑混凝土的主要性能包括：①摻減縮劑對(duì)新拌混凝土無明顯影響，混凝土和易性良好，不離析、不泌水，凝結(jié)時(shí)間正常。②混凝土中摻入1.5%的減縮劑，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能影響不大；對(duì)混凝土的極限拉伸和彈性模量影響不大，對(duì)抗裂有利。③混凝土中摻入1.5%的減縮劑，28 d齡期干縮率比基準(zhǔn)混凝土降低23%，自生體積收縮可減少約22×10-6；摻入2.0%的減縮劑，可使混凝土28d干縮率降低30%以上。而混凝土中摻入聚丙烯晴纖維和鋼纖維對(duì)混凝土長(zhǎng)期變形性能無明顯改變。④摻減縮劑可很好抑制混凝土的早期裂縫，顯著減少早期塑性收縮裂縫和早期干燥收縮裂縫的數(shù)量，限裂等級(jí)為一級(jí)。

致謝

本文得到新疆2019-2021年院士工作站合作研究項(xiàng)目新疆水專項(xiàng)(2020.C-004)的支持。