高效減水劑對水泥砂漿干燥的強(qiáng)度和收縮開裂的影響

1、高效減水劑對水泥砂漿干燥時的強(qiáng)度和收縮開裂的影響摘要：通過多通道橢圓環(huán)收縮開裂試驗、自由收縮試驗和強(qiáng)度試驗綜合研究了高濃型萘系（H-UNF，硫酸鈉含量較低）、普通型萘系(C-UNF，硫酸鈉含量較高和聚羧酸類高效減水劑(PC對水泥砂漿干燥時的強(qiáng)度和收縮開裂的影響。萘系高效減水劑和聚羧酸類高效減水劑的摻入延長了水泥砂漿的初始開裂時間，降低了水泥砂漿的開裂敏感性。而降低水泥砂漿開裂敏感性的效果為：聚羧酸類>高濃型萘系>普通型萘系。摻入高效減水劑顯然增大了水泥砂漿的自由收縮值，而水膠比和水泥漿體的量保持不變?？刂扑嗌皾{體積穩(wěn)定性的效果為：聚羧酸類>普通型萘系>高濃型萘系。聚羧

2、酸類高效減水劑的摻入減小了水泥砂漿的最大裂紋寬度，而高濃型萘系高效減水劑的摻入則加快了水泥砂漿最大裂紋寬度的發(fā)展速度。在干燥養(yǎng)護(hù)條件下，水泥砂漿28天的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著高效減水劑摻量的增加而增強(qiáng)。摻聚羧酸類高效減水劑比摻萘系高效減水劑更能有效地提高水泥砂漿的強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：高效減水劑 收縮開裂 橢圓環(huán)試驗 干燥條件1引言開裂是水泥基材料結(jié)構(gòu)過早惡化從而縮短了其使用壽命的主要原因1。減水劑是一種高性能水泥基材料不可缺少的成分。聚萘系高效減水劑(PNS是第二代高效減水劑的代表。根據(jù)硫酸鈉的含量，萘系高效減水劑可分為兩類：硫酸鈉含量較低（僅含5%甚至更低）的高濃型萘系（H-UNF）和硫酸鈉含量較

3、高（15%-25%）的普通型萘系(C-UNF。聚羧酸類高效減水劑是第三代高性能減水劑，其分子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出梳形，能阻止混凝土坍落度損失（90min內(nèi)坍落度基本無損失），且不會引起明顯緩凝。因此，聚羧酸類高效減水劑是目前國內(nèi)外化學(xué)外加劑研究與開發(fā)的重點(diǎn)2,3。以前對高效減水劑的研究趨向于改善水泥基材料的流變性能和力學(xué)性能4-7。據(jù)作者的了解，至今還沒有研究高效減水劑對水泥基材料的早期開裂和體積穩(wěn)定性的影響。目前的研究目的在于確定高效減水劑的作用，即聚羧酸類高效減水劑和萘系高效減水劑對水泥基材料在干燥養(yǎng)護(hù)條件下的早期收縮開裂和體積穩(wěn)定性的影響。2試驗2.1試樣制備混合料用拉法基（波蘭特）硅酸鹽水泥制成

4、。水泥：比表面積為351 m2 / kg，礦物組成為C3 S 含量為62. 1 % ，C2 S 含量為10. 8 %，C3A 含量為8. 8 % ，C4AF 含量為10. 9 %。粉煤灰：比表面積為350m2/kg。硅粉：比表面積為2.0×104m2/kg，密度為2.2g/cm3。這三種材料的化學(xué)組成見表1。該水泥的物理性質(zhì)見表2。細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)為2.5的天然河砂。表1 膠凝材料的化學(xué)組成表2 水泥物理性能使用的減水劑包括萘系高效減水劑和聚羧酸類高效減水劑。萘系高效減水劑是粉體，由含16%硫酸鈉的普通型萘系減水劑(C-UNF和0.5%硫酸鈉的高濃型萘系減水劑（H-UNF）組成。普通

5、型萘系減水劑和高濃型萘系減水劑的減水率為15%-25%。聚羧酸類高效減水劑（PC）是一種固含量為18%的液體產(chǎn)品，其減水率為30%以上。從以前的對粘結(jié)劑成分優(yōu)化的研究來看，粘結(jié)劑包括水泥，粉煤灰，硅粉，其質(zhì)量百分比為55405?；旌媳壤斠姳?。對于每個砂漿混合料，其流動性控制在120mm以上。表3 混合比例2.2 試驗方法水泥基材料的初始開裂時間，直接反映了抵抗早期收縮開裂的能力。目前研究水泥砂漿的初始開裂時間是采用多通道橢圓環(huán)收縮開裂試驗來測試，其示意圖見圖1。橢圓環(huán)模型在理論和建模方面的實例可以在其他文獻(xiàn)中找到。鋼制橢圓環(huán)尺寸如圖2所示。圖1 多通道橢圓環(huán)收縮開裂裝置示意圖圖2 鋼制橢圓

6、環(huán)尺寸圖在目前的研究中，橢圓環(huán)試樣是在20 ± 2，相對濕度（RH）超過50的條件下澆注成型，再在振動臺上振搗30秒，然后在20 ± 1，相對濕度超過90條件下養(yǎng)護(hù)。18小時后，脫去橢圓環(huán)試樣外模，該環(huán)試樣的上表面用聚氨酯密封，以便干燥只能從側(cè)表面進(jìn)行。最后將試樣放入20 ± 3，相對濕度為50± 4的干燥室中養(yǎng)護(hù)。沿橢圓環(huán)試樣側(cè)表面涂上導(dǎo)電涂層以便與測試電路接通，測試其初始開裂時間。選擇養(yǎng)護(hù)18小時來模擬工地養(yǎng)護(hù)的最低條件，也加速開裂發(fā)生。由于多通道橢圓環(huán)收縮開裂試驗可以通過計算機(jī)同時準(zhǔn)確記錄及監(jiān)測5 個樣品的初始裂縫出現(xiàn)時間，大大提高了測試水泥基材料

7、早期開裂敏感性的準(zhǔn)確性和效率。水泥砂漿橢圓環(huán)試樣的裂紋寬度采用放大鏡觀測。每7 天 測定一次橢圓環(huán)的最大裂紋寬度，觀察并記錄最大裂紋寬度的發(fā)展情況。將水泥砂漿澆注成尺寸為40 mm×40 mm× l 60 mm的棱柱體來測試抗彎和抗壓強(qiáng)度。試樣在20±2 ，RH50條件下澆注成型，然后在20±l ，RH90條件下養(yǎng)護(hù)18小時，脫模后放入將試件放入20±3，RH = (50 ±4 的干燥室中養(yǎng)護(hù)，即強(qiáng)度試驗試樣和初始開裂時間試驗試樣在同一時間脫模，并在相同的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)。將水泥砂漿澆注成尺寸為25 mm×25 mm×

8、; 280 mm的棱柱體來測定其自由收縮值。試樣在20±2 ，RH50條件下澆注成型，然后在20±l ，RH90條件下養(yǎng)護(hù)24小時，脫模后并測定試樣長度作為基準(zhǔn)長度。然后將試件放入20 ±3，RH = 50 ±4%的干燥室中養(yǎng)護(hù)，分別測定其1 ,2 ,3 ,7 ,14 ,21 ,28 天 的自由收縮值。3實驗結(jié)果與分析3.1 初始開裂時間摻高效減水劑的水泥砂漿試樣初始開裂時間測試結(jié)果如表4所示。從表中很顯然看到不同高效減水劑的一般作用是增加了砂漿的初始開裂時間。因此，高效減水劑降低了砂漿的開裂敏感性。當(dāng)萘系高效減水劑摻量為0.5 %1.0 %時，隨著普通

9、型萘系高效減水劑摻量的增大，水泥砂漿的初始開裂時間明顯減短，而隨高濃型萘系高效減水劑摻量的增大，水泥砂漿的初始開裂時間顯著延長。這種現(xiàn)象可以用堿含量和離子濃度來解釋。普通型萘系高效減水劑中的Na2 SO4 含量達(dá)到16 % ,遠(yuǎn)高于高濃型萘系高效減水劑中的Na2 SO4 含量(0. 5 % ，Na2SO4 將Na+帶入水泥基材料。作為一種堿，R2O 能加速了砂漿裂縫的出現(xiàn)9,10。因此，隨著普通型萘系高效減水劑摻量的增大，水泥基材料堿含量大大增加，并且導(dǎo)致初始開裂時間減短。對于高濃型萘系高效減水劑，可能是由于砂漿中的自由水增多，從而降低了溶液中的離子濃度，導(dǎo)致結(jié)晶速度變慢，水泥砂漿以塑性狀態(tài)存

10、在的時間延長，水泥砂漿中拉應(yīng)力發(fā)展與抗拉強(qiáng)度發(fā)展有著更好的匹配。因此，水泥砂漿初始開裂時間隨著高濃型萘系高效減水劑摻量的增大而延長。表4 水泥砂漿試樣的初始開裂時間當(dāng)聚羧酸類高效減水劑( PC 摻量在0.5 %1.5 %時，隨著摻量的增大，水泥砂漿初始開裂時間顯著延長,特別是當(dāng)其摻量達(dá)到1.5%時，水泥砂漿在整個試驗期間(達(dá)240小時 沒有出現(xiàn)裂縫。當(dāng)高效減水劑摻量相同時,水泥砂漿初始開裂時間的大小順序為： G1>H1>C1>J1,G2>H2>C2>J1?？梢娊档退嗌皾{開裂敏感性的效果為：聚羧酸類>高濃型萘系>普通型萘系，即摻聚羧酸類高效減水劑

11、的水泥砂漿開裂敏感性低于摻萘系高效減水劑的水泥砂漿開裂敏感性。從抗裂性能角度出發(fā)，在實際工程中選用高效減水劑時應(yīng)優(yōu)先考慮采用聚羧酸類高效減水劑。3.2 自由收縮圖3 ，4 分別反映了萘系、聚羧酸類高效減水劑對水泥砂漿自由收縮的影響。從這些結(jié)果可以看出，摻高效減水劑的水泥砂漿的自由收縮值顯然高于對照砂漿的自由收縮值，且隨著高效減水劑的摻量的增加而增大。這與楊醫(yī)博, 文梓蕓11報道的高效減水劑會增大水泥砂漿自由收縮值,特別是早期自由收縮值的現(xiàn)象是一致的。這種現(xiàn)象被認(rèn)為是由于高效減水劑使水泥砂漿孔徑細(xì)化所致，也就是說,摻入高效減水劑后,水泥砂漿中孔徑為3. 225 nm 的孔體積含量明顯增大?？梢娍?/p>

12、制砂漿體積穩(wěn)定性的效果為：聚羧酸類> 普通型萘系> 高濃型萘系，即在控制水泥砂漿體積穩(wěn)定性方面聚羧酸類高效減水劑優(yōu)于萘系高效減水劑。這里必須指出，自由收縮的測量一般可分為兩種方法：一種是測量密封條件下水泥砂漿的自收縮，另一種是測量干燥環(huán)境中水泥砂漿的干燥收縮(或稱總收縮。本研究測量采用后者。圖3 萘系高效減水劑對水泥砂漿自由收縮的影響圖4 聚羧酸類高效減水劑對水泥砂漿自由收縮的影響3.3 最大裂紋寬度高效減水劑對水泥砂漿最大裂紋寬度的影響如圖5所示。與對照砂漿相比，摻入1.0%聚羧酸類高效減水劑的水泥砂漿最大裂縫寬度減小，摻入1.0%高濃型萘系高效減水劑的水泥砂漿最大裂紋寬度發(fā)展得

13、比較快,其28天最大裂紋寬度甚至超過了對照砂漿。因此,當(dāng)研究水泥砂漿的體積穩(wěn)定性及早期開裂問題時,不僅有必要研究初始開裂時間和收縮,而且研究裂縫的發(fā)展趨勢也是相當(dāng)重要的。只有這樣才能更有效、更快地解決水泥砂漿的體積穩(wěn)定性問題,進(jìn)而解決類似裂縫的耐久性問題。圖5 高效減水劑對砂漿最大裂紋寬度的影響3.4 強(qiáng)度摻高效減水劑水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如表5所示。隨著普通型萘系高效減水劑摻量的增大,水泥砂漿的初始開裂時抗折強(qiáng)度明顯減小,而隨高濃型萘系高效減水劑或聚羧酸類高效減水劑的增加，水泥砂漿的初始開裂時抗折強(qiáng)度顯著增大,這與摻高效減水劑水泥砂漿的初始開裂時間的規(guī)律是一致的。與基準(zhǔn)樣相比，摻1.0

14、%的聚羧酸類高效減水劑和摻1.0% 的高濃型萘系高效減水劑的水泥砂漿初始開裂時的抗折強(qiáng)度分別提高了48%和28%。當(dāng)然，水泥砂漿初始開裂時的抗折強(qiáng)度與水泥砂漿的初始開裂時間有關(guān)。與表4一起分析水泥砂漿初始開裂時間，可以得出：在干燥條件下，水泥砂漿28天的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨高效減水劑用量的增加而增大。在水泥砂漿強(qiáng)度增加方面，聚羧酸類高效減水劑優(yōu)于萘系高效減水劑。表5 摻高效減水劑砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度4 結(jié)論a. 萘系、聚羧酸類高效減水劑的一般作用均延長了水泥砂漿的初始開裂時間，降低了水泥砂漿的開裂敏感性?？梢姡咝p水劑降低砂漿開裂敏感性的效果為：聚羧酸類> 高濃型萘系> 普通型萘系。摻聚羧酸類高效減水劑的水泥砂漿開裂敏感性低于摻萘系高效減水劑的水泥砂漿開裂敏感性。b. 在固定水膠比w/b和水泥漿體質(zhì)量的情況下，高效減水劑可以增大水泥砂漿的自由收縮值，且水泥砂漿自由收縮值隨著高效減水劑摻量的增加而增大。在增加水泥砂漿自由收縮值方面，萘系高效減水劑優(yōu)于聚羧酸類高效減水劑?？梢?，高效減水劑控制水泥砂漿體積穩(wěn)定性的效果為：聚羧酸類