外加剂对混凝土干缩的影响研究

摘　要:研究了聚羧酸系高效减水剂是否会对混凝土干缩产生负影响,同时验证了在隧道工程中弃用AFt类膨胀剂而代之以聚羧酸系高效减水剂的可行性和合理性。试验选用聚羧酸系高效减水剂、AFt膨胀剂和镁质膨胀剂,相继对自由收缩试件和两端受限混凝土试件的干缩进行了研究,并进行了不同胶凝材料用量下聚羧酸系高效减水剂和AFt膨胀剂对混凝土干缩的试验。结果表明,与膨胀剂相比,聚羧酸系高效减水剂不会对混凝土干缩性能带来负影响,还可能有一定程度的改善作用。在隧道工程实践中,用聚羧酸系高效减水剂代替AFt类膨胀剂是合理可行的,对混凝土结构的耐久性有利。

关键词:减水剂;膨胀剂;干缩;自由收缩;限制收缩

中图分类号: TU 528. 042　　　文献标识码:A

引言

混凝土裂缝一直是影响混凝土及其结构耐久性的关键因素,而混凝土的收缩性能则是导致混凝土开裂的重要原因。使用AFt类膨胀剂是我国城市隧道和地下工程减小混凝土材料收缩的常规做法,但使用AFt类膨胀剂对混凝土后期的不利影响也被众多的研究者所证实[ 1 - 4 ] ,因而考虑弃用AFt类膨胀剂而代之以聚羧酸高性能减水剂。混凝土外加剂(尤其是减水剂)的普及和应用,促进了我国混凝土技术的飞跃发展,但减水剂的使用是否会对混凝土的收缩性能产生负影响也存在争议[ 5 - 8 ] 。为此,我们在试验的基础上,对分别使用膨胀剂和减水剂的混凝土试件的干缩进行了比较,同时对不同胶凝材料用量下采用聚羧酸高性能减水剂的混凝土试件和采用AFt类膨胀剂的混凝土试件的收缩性能进行了研究,以考察外加剂对混凝土干缩的影响,为混凝土配合比的确定提供依据。

1　原材料及试验方法

1. 1　原材料

(1)水泥:河南南阳产P·O 42. 5水泥。

(2)细集料:河砂,细度模数2. 7。

(3)粗集料:碎石,粒径5～31. 5 mm连续级配。

(4)粉煤灰: Ⅰ级粉煤灰,比表面积为411 m2 /kg。

(5)外加剂: JMⅢ复合膨胀减水剂、镁质膨胀剂、JMPCA聚羧酸高性能减水剂。

1. 2　试验方法

测试仪器采用天津建筑仪器厂生产的YB - 25型手持式应变仪,标距250 mm ±5 mm,百分表读数,收缩测量精度为40με。测试时,在应变仪上读取事先在试件上布置的两个测点(间距约250 mm)间的距离数值,通过计算得出各时刻混凝土试件的收缩率值,经数据分析处理,研究混凝土试件的干缩性能。根据以往的试验情况,使用该应变仪测量混凝土试件的收缩易于操作,数据较准确。

外加剂对混凝土收缩性能影响的试验是在同样配比下,分别进行自由收缩试件和限制收缩试件的干燥收缩试验,试件尺寸分别为100 mm ×100 mm ×400 mm (Mode Ⅰ)和100 mm ×100 mm ×300 mm(Mode Ⅱ) ;不同胶凝材料用量情况下,采用聚羧酸高性能减水剂和采用AFt类膨胀剂的混凝土收缩性能试件尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm (Mode Ⅲ) ,铜质测头埋置于试件上表面。所示的3种测点类型及其布置方式见图1。

试件养护制度: 1. 5 d拆模,泡水7 d后置于恒温恒湿室[ ( 20 ±2 ) ℃, RH ( 60 ±0. 5) % ] ,待测。泡水期间也测定试件的长度变化。

2　试验结果及分析

2. 1　外加剂对混凝土自由收缩试件干缩的影响(FS组)

本试验新拌混凝土的坍落度均为180 mm,分别采用聚羧酸系高效减水剂、AFt类膨胀剂及镁质膨胀剂对自由收缩混凝土试件干缩的影响。试验所用混凝土配合比见表1。试验结果见图2,图中IN、OUT分别为混凝土试件泡水开始及结束时间(下同)。

试验结果表明,在泡水阶段,采用镁质膨胀剂的混凝土自由收缩试件FS3. 1组的膨胀率值最大,约为100με;采用AFt类膨胀剂的FS2. 1组的次之,约为80με;采用聚羧酸高效减水剂的FS1. 5组最小,约为50με。从18 d开始,采用不同外加剂的混凝土试件收缩率的变化规律为FS3. 1组与FS2. 1组基本相同, FS1. 5组较小。28 d干缩相差不大,分别为: FS1. 5 组, 86 με; FS2. 1 组, 110 με; FS3. 1 组,98με。从90 d左右开始,各组试件的干缩率基本恒定, FS1. 5组试件收缩率值最小,为250με左右,各组之间相差约6 %。

可以认为,与使用膨胀剂相比,聚羧酸系高效减水剂的使用不会增加自由收缩混凝土试件的干缩,并有少许减小,有利于混凝土的收缩性能。这样的结果与外加剂的化学成分有很大关系,从工程应用角度看,使用聚羧酸系高效减水剂对于混凝土的收缩性能不会有负影响。

2. 2　外加剂对混凝土限制收缩试件干缩的影响(CS组)

本试验研究与编号3. 1 相同混凝土配比情况下,外加剂对两端受限混凝土试件干缩的影响。试验所用混凝土配合比见表1。试验结果见图3。

试验结果表明,在泡水阶段,采用镁质膨胀剂的混凝土限制收缩试件CS3. 1组的膨胀率值最大,约为120με;采用AFt类膨胀剂的CS2. 1 组次之,约为100 με;采用聚羧酸高效减水剂的CS1. 5 组最小,约为60με。从大约18 d开始,采用不同外加剂的混凝土试件收缩率的变化规律为CS3. 1 组与CS2. 1组基本相同, CS1. 5组较小。28 d干缩相差

分别为: CS1. 5 组, 70 με; CS2. 1 组, 98 με; CS3. 1组, 110με。从90 d左右开始,各组试件干缩率基本恒定, CS1. 5组试件收缩率值最小,相对于采用膨胀剂的对比组,收缩率减小了15 %以上。

可见,混凝土限制收缩试件的干缩与自由收缩试件结果基本一致。聚羧酸系高效减水剂的使用不会增加自由收缩混凝土试件的干缩,相反有一定程度的改善,有利于混凝土的收缩性能。比较两种不同方式下混凝土试件的收缩结果也可以发现,受限制与否对于收缩率无明显影响,最大收缩率≯300με,混凝土干燥收缩性能较好。

2. 3　不同胶凝材料用量下的减水剂和AFt类膨胀剂对混凝土自由收缩试件干缩的影响( FE组)

本组试验是对隧道工程经常采用的AFt类膨胀剂和使用聚羧酸系高效减水剂时,考虑水泥和粉煤灰掺量的变化情况,研究不同情况下自由收缩混凝土试件的干缩。不同胶凝材料用量下减水剂与AFt类膨胀剂对混凝土收缩影响的试验配合比见表2。试验结果见图4。

试验结果表明,在泡水过程中,采用AFt类膨胀剂的混凝土自由收缩试件FE2. 1 组的膨胀率值最大,约为100με;膨胀率值由大至小依次为: FE2. 1 >FE1. 7 > FE1. 5 > FE1. 3。20 d左右时各配比混凝土试件的收缩值非常接近, 24 d以后各组之间的差别逐渐明显,相对大小出现规律性变化,干缩率值依次为: FE2. 1 > FE1. 7 > FE1. 5 > FE1. 3。28 d干缩相差不大,分别为: FE1. 3组, 120με; FE1. 5组, 130με;FE1. 7组, 150με; FE2. 1组, 150με。从90 d左右开始,各组试件的干缩率基本恒定, FE1. 3组试件的收缩率值最小, FE1. 5与FE1. 7差别很小, FE2. 1组的干缩值相对较大。

可见,与使用膨胀剂相比,在不同胶凝材料用量情况下,聚羧酸系高效减水剂的使用至少不会增加自由收缩混凝土试件的干缩。从图4也可以看出,胶凝材料用量的不同,同样会对混凝土干缩产生影响,整体上符合胶凝材料用量大的其收缩较大的规律。将FE2. 1组与上面的FS2. 1组的收缩率值进行比较,可以发现混凝土干缩率FE2. 1 > FS2. 1,这除了不同时间成型可能带来的影响外,应该是因为砂率对混凝土干缩产生影响的缘故。

3　结论

3. 1　膨胀剂与聚羧酸系高效减水剂相比,在混凝土试件泡水养护期间,混凝土试件的膨胀率较大,这对早期混凝土试件的收缩性能有利。

3. 2　与膨胀剂相比,聚羧酸系高效减水剂至少不会对混凝土28 d后的干缩性能有负影响,特别是限制收缩情况下对干缩的改善作用比较明显,收缩率减小15 %以上。

3. 3　不同胶凝材料用量下高效减水剂及AFt类膨胀剂的试验,证实了胶凝材料用量及砂率对混凝土干缩的影响规律,也进一步验证了聚羧酸系高效减水剂不会对混凝土干缩产生不良影响。

3. 4　从工程应用方面考虑,采用聚羧酸系高效减水剂、弃用钙系膨胀剂是合理的,混凝土干缩不会因此而增加,也不会有钙系膨胀剂对混凝土后期的不良影响出现。

参考文献:

[ 1 ] Mario Collepardi. A State - of - the - art review of delayedettringite attack on concrete [ J ]. Cemen t & ConcreteComposites, 2003, 25 (3) : 401 - 407.

[ 2 ] Peiyu YAN, Xiao Q IN. The Effect of Expansive Agent andPossibility of Delayed Ettringite Formation in Shrinkage -compensatingMassive Concrete [ J ]. Cement and ConcreteResearch, 2001, 31 (2) : 335 - 337.

[ 3 ] 钟业盛,姚晓,董淑慧. 复合混凝土膨胀剂研究初探[ J ].低温建筑技术, 2005, (1) : 13 - 15.

[ 4 ] 叶青,李丽琴,王建东. 掺膨胀剂混凝土膨胀的可靠性探讨[ J ]. 混凝土, 2003, (9) : 9 - 12.

[ 5 ] Alsayed SH. Influence of superp lasticizer , p lasticizer , andsilica fume on the drying shrinkage of high - strengthconcrete subjected to hot - dry field conditions [ J ]. Cementand Concrete Research, 1998, 28 (10) : 1 405 - 1 415.

[ 6 ] 钱晓倩,詹树林,方明晖,等. 减水剂对混凝土收缩和裂缝的负影响[ J ]. 铁道科学与工程学报, 2004, 1 (2) : 19 - 25.

[ 7 ] Persson B, Fagerlund G. Self - desiccation and its importancein concrete technology[A ]. In: Proceed ings of the Th irdInterna tiona l Research Sem inar in Lund[C ]. 2002: 14 -15.

[ 8 ] 文梓芸,杨医博. 化学外加剂和矿物掺合料对水及砂浆干缩与开裂影响的研究[A ]. 韩素芳. 钢筋混凝土结构裂缝控制指南[C ]. 北京:化学工业出版社, 2004: 19 - 38.