减缩剂的作用及其机理

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摘　要： 通过对减缩剂作用和机理的研究表明，减缩剂能较大幅度的降低干燥收缩和相对较小的提高塑性收缩抗裂能力，但在一定程度上降低了砂浆的力学性能。从塑性抗拉强度、表面水份蒸发率和孔结构三个角度对减缩剂的作用机理进行了试验分析，结果表明：减缩剂的加入能较显著的降低水溶液的表面张力，同时也降低了砂浆表面的塑性抗拉强度，增大了表面水份蒸发率，它对塑性收缩抗裂的效果取决于对塑性抗拉强度和毛细管收缩应力影响的权重；表面张力试验表明，减缩剂减小干缩的机理主要在于降低了孔溶液的表面张力；从对孔结构的分析表明，减缩剂掺入后增大了孔隙率，并增加了孔径> 0. 1μm 的孔的含量，从而降低了掺减缩剂的砂浆力学性能。关键词： 减缩剂；塑性收缩；干燥收缩；砂浆；孔1引　言 混凝土是一种多孔、多相、非均质的复杂体，内部存在着各种形式的缺陷 和微、细观裂缝 。当混凝土受到各类荷载性或非荷载性破坏因素时，这些缺陷或微、细观裂缝就会成为宏观裂缝的导火线。我国混凝土结构设计规范GB50010-2002 把混凝土构件分为3 级：严格要求不出现裂缝的构件，一般要求不出现裂缝的构件，允许出现裂缝但需控制裂缝宽度的构件。根据国内外设计规范及有关试验资料，混凝土最大裂缝宽度控制标准如下[ 1 ] ： 无侵蚀介质， 无防渗要求，为0. 3 ～ 0. 4mm ； 有轻微侵蚀介质，无防渗要求，为0. 2～0. 3mm ； 有严重侵蚀介质，有防渗要求，为0. 1～0. 2mm。 近些年来，混凝土的开裂现象相当严重，所造成的直接或间接损失十分惊人。早期收缩开裂主要是由于混凝土在约束条件下的收缩变形而引起，如塑性收缩、干燥收缩、温度收缩、自收缩、化学减缩和不均匀沉缩等等。当这种约束变形引起的应力或应变大于混凝土的极限抗拉强度或极限拉应变时，裂缝就会产生。 对目前土木工程领域中大量使用的C30 或C40普通混凝土而言，最易引起开裂的是塑性收缩和干燥收缩裂缝。因此，对这两类收缩及其裂缝的研究已经成为土木工程领域中的一个焦点，目前主要有3 类措施控制混凝土早期裂缝： 在研究混凝土各组分对塑性收缩及其裂缝影响的基础上，对其配合比进行综合优化[2 ，3 ] ； 通过掺用外加剂 或纤维 来改善混凝土的塑性收缩抗裂性能[4 ] ； 通过加强早期湿养护或采用表面养护剂来降低混凝土表面水份蒸发速率以降低塑性收缩开裂现象[5 ] 。 本文从降低孔溶液表面张力和提高浆体内部保水性的双重角度，进行减缩剂产品的初步开发研制，并测试了3 种减缩剂 对塑性收缩抗裂性能及砂浆力学性能的影响，并从塑性抗拉强度、水份蒸发率及孔结构分析来讨论其作用机理。2 试　验
2. 1 试验原材料
水泥： 金宁羊PII42.5R 硅酸盐水泥， 比表面积375m2 / kg ，其化学成分和力学性能分别见表1 和表2 。

细集料 ：密度2. 65g/ cm3 ，细度模数为2. 6 。 减水剂：JM2 Ⅷ，江苏省建筑科学研究院生产的水剂。 J KA ：某减缩剂产品，淡黄色液体。 MSA ：某减缩剂产品，无色液体。 DDA ：自行研制的减缩剂。2. 2 　试验方法
2. 2. 1 　干缩试验方法 试验参照《常用建筑材料试验手册》[6 ] 进行，采用4cm ×4cm ×16cm 的三联模成型，并用塑料薄膜覆盖试样表面，以防止水份蒸发。成型24h 后拆模，清洁试样表面并去除易脱落的部分。在测量初始长度和初始质量前，先将试样置于恒温恒湿室2h 左右，以消除外部环境和恒温恒湿室之间因存在温度差而引起的温度变形。此后，分别测定龄期为3 、7 、14 、28 、45 、60 和90天的长度和质量。砂浆试样的水灰比 为0. 36 ，灰砂比 为1 ∶2 ，JM-Ⅷ的用量为水泥质量的0. 5 %。 某龄期的干缩值 和质量损失的计算公式分别如下： 式中，Li 为某龄期试样长度 ；L0 为试样初始长度 ；Lt 为两铜头长度 ； mi 为某龄期试样质量 ； m0 为试样初始质量 ； mt 为两铜头质量 。2. 2. 2 　塑性收缩试验方法
2. 2. 2. 1 　模具 圆环试模如图1 所示， 其中突台的直径为100mm ，外环的内径为400mm ，高度为35mm ，六根三角径向约束的高度分别为18 、20 、22 、24 、24 、26mm。成型后，将试样置入恒温恒湿室 ℃，湿度 %） 内，用暖风机对其进行5h 的快速试验，试样表面的温度为46 ℃左右，风速约为2. 0m/ s。 2. 2. 2. 2 　塑性抗拉强度试验 塑性抗拉强度试验过程的示意图如图2 所示[7 ] ，试验采用自行设计加工的八字形木模，其示意图和实物图见图3 所示 2. 2. 2. 3 　表面水分蒸发速率试验 利用测试浆体塑性抗拉强度的试样来测试其表面水分蒸发率，试样的暴露面积s 约为40cm2 。试验时，称量模具初重m0 及加料后的质量m3 ，以后每隔5 、10 、20 、35 、55 、80 、110 、150 、200 、250 及300min 称量试样的质量m4 。试样表面的水分蒸发率为： 3 　减缩剂的效用研究
3. 1 　减缩剂和其掺量对干缩和重量损失的影响 通过对自行研制的减缩剂组分的初选和正交试验，最终确定减缩剂DDA 的最佳配比为MF1 ∶MF2 ∶MX ∶H2O = 2 ∶2 ∶0. 5 ∶5 。为确定减缩剂的掺量，试验选用两种专业减缩剂产品做对比，J KA和MSA 是两种不同的减缩剂产品，DDA 代表自行研制的减缩剂， 相对于参比组， 同龄期下J KA 、MSA 、DDA 和DDA 4 组减缩剂对干缩值均有不同程度的降低 ，3 种减缩剂J KA 、MSA 和DDA 的加入均增大了砂浆的质量损失 ，其原因在于它们具有一定的引气性，增加了水份迁移通道 。 3. 2 　减缩剂对砂浆力学性能的影响 尽管减缩剂能降低浆体的干缩，但往往会对浆体的力学性能产生负面影响[8 ] 。为此， 本研究测试了J KA、MSA 和DDA 对砂浆3 、7 和28 天抗压及抗折强度的影响。基准砂浆的水灰比 为0. 36 ，灰砂比 为0. 5 ，减水剂JM-V Ⅲ的掺量为水泥质量的0. 5 %。所用减缩剂的掺量均为水泥质量的2. 5 %。减缩剂对砂浆抗压强度的影响见图6 ，对抗折强度的影响见图7 。 就3 和28 天抗压强度而言，J KA ，MSA 和DDA相对于参比组分别降低了35. 6 %、25. 7 %、35. 3 %及22. 1 %，17. 2 % ，23. 4 %。就3 和28 天抗折强度而言，J KA ，MSA 和DDA 相对于参比组分别降低了18. 8 %、11. 4 %、12. 0 %及19. 0 %、8. 2 %、23. 2 %。总体而言，MSA 对力学性能的负面影响最小，其次是J KA ，最后是DDA。4 　减缩机理的研究
4. 1 　减缩剂作用的理论基础 作用机理可以用毛细管张力学说来解释，混凝土 中毛细管作用力可表达为： 式中As 为毛细管张力的作用面积 ； γ为毛细孔隙溶液表面张力 ； rs 为毛细孔隙水弯液面的曲率半径 在此毛细管张力作用下，混凝土 产生的收缩应变εs 可表达为： 式中Es 为毛细管张力作用下相应的弹性模量 由此，通过加入表面活性剂降低孔溶液表面张力便可降低混凝土 收缩值，当其它配合比参数不改变时，收缩值的降低幅度与表面张力的减小成正比： 式中ε1s、ε0s分别为掺与不掺减缩剂混凝土的收缩应变 ； γ1 、γ0 分别为掺与不掺减缩剂时孔溶液表面张力 。4. 2 　减缩剂改善塑性收缩抗裂4. 2. 1 　减缩剂对塑性抗拉强度的影响 减缩剂对塑性抗拉强度的影响见图8 。从图8 中可以看出，J KA、MSA 和DDA 的加入均降低了基体的塑性抗拉强度，其原因很可能在于它们的引气性，因为在砂浆的搅拌成型中发现有微小的气泡。 4. 2. 2 　减缩剂对水分蒸发率的影响 减缩剂对水份蒸发率的影响如图9 所示。J KA ，MSA 及DDA 的加入均增大了试样表面的水份蒸发率。水份蒸发率变化的幅度不显著。减缩剂在降低水溶液表面张力的同时，带来了微小气泡 ，从而增大了失水面积和通道。 尽管减缩剂的加入降低了塑性抗拉强度并增大了水份蒸发率，但是减缩剂依然能够在一定程度上改善水泥基材料的塑性收缩抗裂性能。减缩剂的效果应取决于它对塑性抗拉强度和毛细管收缩应力影响的权重上，即当减缩剂对塑性抗拉强度的降低幅度大于对毛细管收缩应力的降低幅度时，减缩剂将劣化塑性收缩抗裂性能，反之则加以改善。4. 3 　减缩剂改善干燥收缩 无论减缩剂改善的是干燥收缩还是塑性收缩，其作用机理都可以用毛细管张力学说来解释。所以本试验通过对减缩剂表面张力及浆体孔结构的测定研究减缩机理。4. 3. 1 　表面张力试验 用自动表面张力仪测试了5 种试样的表面张力，如图10 所示。 5 种试样都能够降低其水溶液的表面张力，MF2降低的幅度为最小 ；MF1 降低的幅度为最大 。若仅考虑表面张力，MF1 和MF2 的混合物 对砂浆干缩的降低率应> J KA和MSA。不过2. 5 节中DDA 对干缩的降低率却<J KA 和MSA ，可做如下解释： 并不是水溶液的表面张力越低，越能够降低干燥收缩； 吸水性材料MX 并没有发挥预期的保水作用以降低干缩。当然其中还可能存在很多表面物理化学的问题，如“吸附2解析”过程等等，这有待进一步研究。4. 3. 2 　压汞试验 试验采用压汞测孔法研究了减缩剂对砂浆孔隙结构的影响，其中7 天的孔径分布微分曲线如图11 所示，28 天的孔径分布微分曲线如图11 所示。从图11 中可得到如下规律：加入减缩剂后， > 0. 1μm 的孔的含量增加 。若按Ror stasy[9 ] 的理论“> 100nm 的孔对强度影响很大”，那么减缩剂对力学性能的负面影响可能主要在于增加了0. 1μm 以上的孔的含量。掺入减缩剂后各龄期的孔隙率如表3 所示，相对于参比组，减缩剂加入后都增大了同龄期的孔隙率，以MSA 增加的幅度为最小，以DDA 增加的幅度为最大。 由Rossler 和Odler 公式[9 ] ，式中σ和σ0分别表示水泥浆体的强度及其本征强度； E 是常数； P是孔隙率） 可以看出，随着孔隙率的增加，水泥浆体的强度降低。 2. 2 节的力学性能试验的结果与式 的规律基本吻合，即掺DDA 的孔隙率最大，其强度最低；参比组的孔隙率最小，其强度最高。5 　结　论 减缩剂在一定程度上改善水泥基材料的塑性收缩抗裂性能，并减小了砂浆的干缩。
减缩剂一定程度上降低了砂浆的力学性能。 减缩剂的加入能较显著的降低水溶液的表面张力，同时也降低了砂浆表面的塑性抗拉强度，增大了表面水份蒸发率。减缩剂对塑性收缩抗裂的效果应取决于它对塑性抗拉强度和毛细管收缩应力影响的权重。表面张力试验表明，减缩剂减小干缩的机理主要在于降低了孔溶液的表面张力；从对孔结构的分析表明，减缩剂掺入后增大了孔隙率， 并增加了孔径> 0. 1μm的孔的含量，从而降低了掺减缩剂的砂浆力学性能。

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