坍落度與減水劑對(duì)混凝土早期開裂性能的影響

　　摘要：混凝土的早期收縮開裂問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外專家的研究熱點(diǎn)，為了研究混凝土必不可少的組成之一的減水劑對(duì)混凝土開裂性能的影響，采用福州大學(xué)的發(fā)明專利/水泥基材料抗裂性能測(cè)試誘導(dǎo)開裂法及其裝置0進(jìn)行減水劑品種和由減水劑摻量改變而導(dǎo)致混凝土坍落度變化對(duì)混凝土早期開裂性能的影響試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究結(jié)果表明:外加劑品種對(duì)混凝土的開裂性能有一定的影響。摻三聚氰胺系減水劑混凝土的抗裂性能優(yōu)于摻萘系和聚羧酸系減水劑混凝土，摻萘系減水劑混凝土的抗裂性能最差。而且，即使同屬萘系減水劑，不同的廠家、不同品牌的減水劑對(duì)混凝土開裂性能的影響也不盡相同?；炷恋奶涠葘?duì)混凝土的開裂性能有一定的影響，坍落度在11~18cm之間的混凝土抗裂性能相對(duì)較好。

　　自20世紀(jì)30年代末減水劑問(wèn)世以來(lái)，減水劑技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為混凝土中必不可少的第五組分，在混凝土生產(chǎn)中大量使用。由于實(shí)際應(yīng)用中混凝土的評(píng)定指標(biāo)僅僅為混凝土的強(qiáng)度與坍落度，除非在特殊部位還有其抗?jié)B性能等指標(biāo)的要求，從而造成混凝土的發(fā)展過(guò)程主要是混凝土強(qiáng)度等級(jí)與坍落度不斷提高的過(guò)程，而忽視了混凝土的體積穩(wěn)定性的問(wèn)題，也使得減水劑的生產(chǎn)與應(yīng)用只注重減水率的大小。體積穩(wěn)定性不良的直接后果就是引發(fā)裂縫^[1]，特別是混凝土的早期收縮開裂問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視?；炷恋牧芽p具有記憶性，若混凝土的早期的收縮裂縫不及時(shí)處理或處理不當(dāng)，就會(huì)加速混凝土的劣化，這不但會(huì)影響建筑物的外觀、使用功能，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性構(gòu)成威脅^[2]。而外加劑的品種及改變其摻量所導(dǎo)致混凝土坍落度的變化對(duì)混凝土早期開裂性能的作用尚不明確。本文通過(guò)試驗(yàn)研究分析外加品種及改變其摻量所導(dǎo)致混凝土坍落度的變化對(duì)混凝土早期開裂性能的影響。

　　1試驗(yàn)原材料及其方法

　　1.1原材料及試驗(yàn)方案

　　水泥為福建順昌水泥廠生產(chǎn)的煉石牌P#O42.5級(jí)水泥;粉煤灰為漳州后石電廠生產(chǎn)的級(jí)粉煤灰，二者的化學(xué)成分見表1;砂為閩江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7;石子為5~25mm連續(xù)級(jí)配的碎石;外加劑為浙江五龍化工股份有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑FDN、上海建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸系減水劑PCA、中國(guó)建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的三聚氰胺系減水劑MEL、福州創(chuàng)先工程材料有限公司生產(chǎn)的FDN-1和FDN-2高效減水劑、天津科學(xué)研究院生產(chǎn)的UNF-5高效減水劑和福建建筑科學(xué)研究院以FDN外加劑為母體復(fù)合的TW10高效減水劑。

　　為了研究減水劑品種、混凝土坍落度對(duì)混凝土的開裂性能的影響，共設(shè)計(jì)了14組混凝土配合比。其中以外加劑品種為參數(shù)的混凝土配合比是根據(jù)各種外加劑的性能調(diào)整摻量，使得混凝土的坍落度保持在200mm左右。以坍落度為參數(shù)的混凝土配合比見表2，其中所采用的外加劑為浙江五龍化工股份有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑FDN。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　傳統(tǒng)的平板法試驗(yàn)具有混凝土開裂時(shí)間遲，且裂縫觀測(cè)難、誤差大等缺點(diǎn)，本試驗(yàn)方法采用福州大學(xué)的發(fā)明專利/水泥基材料抗裂性能測(cè)試誘導(dǎo)開裂法及其裝置0^[3]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。中間的隔板引導(dǎo)裂縫發(fā)展，以便于觀測(cè)。

　　試件成型后置于相對(duì)濕度為(605)%，溫度為(253)e環(huán)境中。用放大倍數(shù)為40倍的裂縫觀測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)裂縫的發(fā)展，開始每隔5min觀察一次，直至裂縫貫穿。裂縫貫穿后，每2h觀測(cè)一次，直至12h。水分蒸發(fā)試驗(yàn)所用的模具是直徑150mm、高50mm的圓筒，每小時(shí)用感量為0.1g的電子天平稱量一次。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1外加劑品種對(duì)混凝土早期開裂性能的影響

　　2.1.1不同品牌萘系減水劑對(duì)混凝土早期開裂性能的影響

　　本組試驗(yàn)條件在平板的上方點(diǎn)兩個(gè)150W的碘鎢燈，并加風(fēng)速3m/s。從圖2以看出，外加劑品種對(duì)混凝土的開裂時(shí)間影響較小，但是對(duì)混凝土的開裂面積與最大裂縫寬度影響較大，混凝土的開裂面積大小排列順序?yàn)?UNF-5>FDN-2>FDN-1>TW-10>FDN，開裂時(shí)間的大小排列順序?yàn)?UNF-5>FDN-1>TW-10>FDN-2>FDN。其中使用UNF-5的混凝土板開裂面積及最大裂縫寬度遠(yuǎn)大于其他的混凝土，其開裂面積是摻其他外加劑的3倍以上，而且也是最早開裂;使用FDN的混凝土開裂面積較其他3種減水劑低50%左右，最大裂縫寬度相對(duì)較小，裂縫也是最遲出現(xiàn)的;其他3種外加劑雖有差別，但基本相當(dāng)。從摻TW-10型減水劑與摻FDN減水劑混凝土開裂性能的差別也說(shuō)明了在進(jìn)行減水劑復(fù)合時(shí)，應(yīng)考慮復(fù)合后其對(duì)混凝土開裂性能的影響。

　　2.1.2不同品種高效減水劑對(duì)混凝土早期開裂性能的影響

　　從圖3看出，外加劑品種對(duì)混凝土的開裂時(shí)間影響很小，但是使用三聚氰胺系減水劑的混凝土開裂面積及最大裂縫寬度相對(duì)較小，其開裂面積分別是使用聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的72%和55%，最大裂縫寬度是使用聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的52%左右。而且外加劑品種對(duì)混凝土的水分蒸發(fā)量基本無(wú)影響。混凝土開裂性能的差別可能是與外加劑的組分對(duì)混凝土收縮和凝結(jié)過(guò)程影響的不同而導(dǎo)致的。

　　2.2混凝土坍落度對(duì)其早期開裂性能的影響

　　從圖4可以看出，隨著混凝土坍落度的提高，混凝土的裂縫出現(xiàn)時(shí)間總體上是隨之推遲，當(dāng)混凝土坍落度為6cm的混凝土裂縫出現(xiàn)時(shí)間較不摻減水劑的混凝土推遲了2h左右，這可能是減水劑能夠提高水泥凝聚體的分散度，改變吸附水和游離水的比例，提高游離水的數(shù)量，使其可蒸發(fā)自由水量增加，雖然摻入減水劑會(huì)增大混凝土早期的水分蒸發(fā)，但是其毛隙孔的負(fù)壓增加幅值有可能還是降低的，即釋放出來(lái)的自由水的量遠(yuǎn)大于水分蒸發(fā)量的增加值。同時(shí)，因?yàn)闇p水劑吸附在水泥顆粒上時(shí)，阻礙了水泥與水的反應(yīng)，推遲了新晶體的生產(chǎn)，早期水化階段明顯推遲，延緩了水泥的凝結(jié)時(shí)間^[4] ，而混凝土的開裂時(shí)間與其初凝時(shí)間密切相關(guān)^[5]，從而使其開裂時(shí)間推后。混凝土坍落度為24cm的混凝土裂縫出現(xiàn)時(shí)間較坍落度為22cm的混凝土推遲0.5h左右，這是由于坍落度為24cm的混凝土出現(xiàn)較為嚴(yán)重的離析泌水，在混凝土表明形成一自養(yǎng)護(hù)層，從而使混凝土的開裂時(shí)間延遲?；炷恋拿谒㈦x析對(duì)混凝土形成自養(yǎng)護(hù)層，減少了混凝土的早期干燥收縮，但是也降低了混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度與自由水分。從而增大了混凝土的自生收縮，使得當(dāng)混凝土的坍落度超過(guò)18cm后，隨著坍落度的提高，其開裂面積和最大裂縫寬度增大。坍落度在11~18cm之間的混凝土開裂面積相對(duì)較小，坍落度為15cm和18cm的混凝土最大裂縫寬度相對(duì)較小?；炷撂涠葹?5cm時(shí)其開裂面積為不摻減水劑和坍落度為24cm混凝土的62%左右;混凝土坍落度為6cm混凝土的開裂面積是不摻減水劑混凝土的76%;混凝土工作坍落度為24cm是坍落度為22cm混凝土的1.14倍。摻入適量的減水劑使混凝土的坍落度在11~18cm之間，可能會(huì)使混凝土的自由水含量較為合適而且又有適當(dāng)?shù)木從饔茫沟没炷恋淖陨湛s和干燥收縮量較小，而使混凝土的整體收縮和強(qiáng)度發(fā)展結(jié)合點(diǎn)最佳，從而使其開裂性能最好。不摻外加劑的混凝土其坍落度非常差，混凝土干硬振搗不密實(shí)，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較松散，混凝土水化反應(yīng)生產(chǎn)的凝膠體在顆粒之間填充慢，混凝土強(qiáng)度低。同時(shí)，混凝土內(nèi)部空隙的相對(duì)濕度較低，水分蒸發(fā)引起的相對(duì)濕度降低較快。在這兩者的共同作用之下混凝土的裂縫發(fā)展迅速，開裂面積與最大裂縫寬度均較摻適量減水劑的混凝土大。隨著減水劑摻量的提高，水泥凝聚體的分散度提高，混凝土的毛細(xì)孔細(xì)化，同時(shí)，摻入減水劑降低溶液的表面張力，降低了毛細(xì)孔張力，根據(jù)Laplace方程，毛細(xì)孔的細(xì)化與表面張力降低程度的綜合作用將最終決定它們的影響方式。

　　3 結(jié)論

　　通過(guò)改進(jìn)的平板法試驗(yàn)研究外加劑品種及混凝土的坍落度對(duì)混凝土開裂性能的影響，可以得到如下結(jié)論:

　　(1)在保證混凝土坍落度相當(dāng)?shù)臈l件下，外加劑品種對(duì)混凝土的開裂性能有一定的影響。摻三聚氰胺系減水劑混凝土的抗裂性能優(yōu)于摻萘系和聚羧酸系減水劑混凝土，摻萘系減水劑混凝土的抗裂性能最差。而且，即使同屬萘系減水劑，不同廠家、不同品牌減水劑對(duì)混凝土的開裂性能的影響也不盡相同。減水劑的復(fù)合也會(huì)影響混凝土的開裂性能，所以為了滿足施工的需要，進(jìn)行減水劑復(fù)合時(shí)，應(yīng)考慮復(fù)合后的減水劑對(duì)混凝土開裂性能的影響。

　　(2)混凝土的坍落度對(duì)混凝土的開裂性能有一定的影響。隨著混凝土坍落度的提高，混凝土的裂縫出現(xiàn)時(shí)間總體上是隨之推遲。坍落度在11~18cm之間的混凝土抗裂性能相對(duì)較好。其中，混凝土坍落度為15cm時(shí)其開裂面積為不摻減水劑和坍落度為24cm混凝土的62%左右。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)防止混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重的泌水、離析等現(xiàn)象。

　　(3)環(huán)境溫度與溫差及其風(fēng)速對(duì)混凝土裂縫出現(xiàn)的時(shí)間及其開裂面積作用顯著，所以對(duì)于高強(qiáng)高性能混凝土的施工更應(yīng)該注意早期的溫控措施。使混凝土的整體收縮和強(qiáng)度發(fā)展結(jié)合點(diǎn)最佳，從而使其開裂性能最好。不摻外加劑的混凝土其坍落度非常差，混凝土干硬振搗不密實(shí)，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較松散，混凝土水化反應(yīng)生產(chǎn)的凝膠體在顆粒之間填充慢，混凝土強(qiáng)度低。同時(shí)，混凝土內(nèi)部空隙的相對(duì)濕度較低，水分蒸發(fā)引起的相對(duì)濕度降低較快。在這兩者的共同作用之下混凝土的裂縫發(fā)展迅速，開裂面積與最大裂縫寬度均較摻適量減水劑的混凝土大。隨著減水劑摻量的提高，水泥凝聚體的分散度提高，混凝土的毛細(xì)孔細(xì)化，同時(shí)，摻入減水劑降低溶液的表面張力，降低了毛細(xì)孔張力，根據(jù)Laplace方程，毛細(xì)孔的細(xì)化與表面張力降低程度的綜合作用將最終決定它們的影響方式。

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