不同蒸养温度下外加剂对水泥基材料体积稳定性的影响

不同蒸养温度下外加剂对水泥基材料体积稳定性的影响 不同蒸养温度下外加剂对水泥基材料体积稳定性的影响 (1．武汉理工大学硅酸盐材料教育部重点实验室，湖北武汉430070；2．华北石油第一机械厂，河北沧州062658) 摘要：早期收缩开裂是导致水泥基材料劣化及体积稳定性不良的重要原因。试验设计了干燥收缩、椭圆环约束、测量裂缝平均宽度及强度试验等手段，综合评价了减水剂、减缩剂、膨胀剂在45、55、65qCi种养护温度下对水泥砂浆体积稳定性及强度的影响。结果表明：减 水剂、减缩剂和膨胀剂}昆掺时，在保证原有强度的基础上，可以大幅度降低砂浆的开裂敏感性及早期干燥收缩，使体积稳定性得以显著改善。 关键词：体积稳定性；早期开裂；椭圆环约束；干燥收缩；养护温度 中图分类号：TU528．064 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550一(2007)03—0030—03 0前言 随着高强高性能混凝土的推广和应用，体积稳定性和早期开裂问越来越受到人们的关注。裂缝是混凝土材料普遍存在的问题，对结构的整体性和耐久性有重要影响。混凝土的收缩可分为塑性收缩、温度收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩五种 型，其中以干燥收缩的影响最为普遍。和混凝土的干燥收缩及由此产生的裂缝历来为该领域研究中的热点。目前解决早期开裂问题的主要技术途径有掺加纤维、高效减缩剂以及膨胀剂以补偿收缩等。由于减水剂已经成为商品混凝土不可或缺的组分之一，故研究减水剂对干燥收缩及由此引起的开裂也具有重要意义。本文综合考虑以上几种因素，从初始开裂时间、裂缝平均宽度、干燥收缩以及强度四个方面研究了减水剂、减缩剂、膨胀剂三元体系在不同的养护温度下对砂浆体积稳定性和早期开裂问题的影响。 1试验用原材料 水泥：湖北亚东水泥有限公司生产的P·II 52．5级硅酸盐水泥，化学成分见表1；硅粉：挪威埃肯公司的微硅粉，密度为2．29／cm3,平均粒径为0．41xm，比表面积为23 000m2／kg；粉煤灰：武汉热电厂生产的I级粉煤灰；纤维：采用武汉天汇纤维材料有限公司提供的聚丙烯纤维；外加剂：武汉浩源化学建材有限公司提供的UEA膨胀剂，江苏博特新材料有限公司生产的JM—SRA型减缩剂，减水剂为市售花王RB高效减水剂；砂：采用20～80目石英砂。 表1试验用水泥的化学成分 ％ 2试验 2．1 椭圆环约束收缩试验 水泥基材料的初始开裂时间反映的是其抵抗早期收缩变形及开裂的能力即]。本文采用多通道椭圆环约束开裂试验(如图1所示)，模拟了砂浆在椭圆环约束下的早期开裂情况，并得到砂浆的初始开裂时间。 1一特氟纶衬板； 2一样品 3一信号采集器； 4一导电胶 图1 椭圆环约束开裂测试装置 椭圆环试件成型后放入标准养护室(室温(20_+1)℃，相对湿度90％以上)养护12h，脱模后转移至干燥室继续养护，并在试件上表面涂上密封材料。试件侧表面涂有无弹性导电胶，在试验过程中，裂缝监测仪对回路的电阻进行连续检测，一旦试件出现开裂，导电回路就会被切断，电阻急剧增大，此时计算机将把电阻突变的时间记录下来，这个突变时间也就是试件的初始开裂时间。 本试验采用放大倍数为50倍的裂缝测宽仪对裂缝宽度进行测量。具体测量方法为：分别在裂缝的上部、中部和下部取三个均匀分布的测试点，测量三点在不同龄期的裂缝宽度值，以三点的平均值作为裂缝平均宽度。 2．2干燥收缩测试方法 采用尺寸为25mmx25mmx280mm的试件来测量收缩，试件两端预埋测头，成型后放人蒸养箱，分别在45、55、65。C三种不同的温度水平下养护12h，相对湿度控制在90％以上，养护为静停3h，升温3h，恒温4h，降温2h。脱模后测量其长度作为初始读数，并转移至干燥环境下继续养护，分别测量其1，3，7，14，2i，28d的长度值。 2．3强度测试方法 本文借鉴国家标准GB／T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行砂浆强度的测试。试件尺寸为40mmx40mmx1 60mm，成型后放人蒸养箱，养护方法与干燥收缩试件相同。脱模后水养并测量其3d和28d的抗压强度值。 3配合比设计 胶凝材料组分的配比采用前期试验优化出来的结果，其中水泥：粉煤灰：硅灰=6：3：1，胶砂比为1：1．1，水灰比为o．22，其中基准样的水灰比采用0．31，以保持与其他四组配比相同的工作性。在此基础上，变化减水剂、减缩剂以及膨胀剂的掺量，共配制5组砂浆进行试验。具体配合比见表3。 表3掺不同外加剂的砂浆配合比 4试验结果分析 4．1干燥收缩 图2与图3反映了不同养护温度下萘系花王减水剂和UEA膨胀剂对砂浆干燥收缩的影响。可以看出，分别掺加这两种组分，养护温度对收缩影响较大。在较高的温度下养护时，砂浆的水化速率较快，因此降低了后期的干燥收缩程度。在同一温度下，掺减水剂的砂浆比掺膨胀剂收缩更大，这是由于膨胀剂水化后生成大量结晶钙矾石，钙矾石的膨胀效应对水泥浆体的早期收缩有较好的补偿作用。由图3可见，膨胀剂的膨胀特性在1d后即发挥出来，先表现为微膨胀，在3～14d膨胀率达到最大。由于膨胀过大和收缩率过大同样会对体积稳定性不利，因此应控制膨胀剂的合理掺量。 图4显示了减缩剂对砂浆干燥收缩的影响。可以看出，掺减缩剂的砂浆对养护温度的变化不敏感。三种养护温度下，浆体的收缩率并无明显差异，只是随温度的提高最终的收缩率略有增大。 图5反映了减水剂、减缩剂、膨胀剂混掺对砂浆干燥收缩的影响。与图4和图3进行对比可以看出，混掺后的减缩效果明显优于单独使用减缩剂或UEA膨胀剂，说明减缩剂与膨胀 剂相容性较好，混合使用时存在叠加效应。混掺后14～2Id龄期内干缩率发展较快，而28d的干缩率介于单独使用减缩剂和UEA膨胀剂二者之间，这是因为14d后膨胀剂的膨胀效果减 弱，使得砂浆干缩率的发展速度加快。由此可见，7～14d的湿养护对砂浆或混凝土中的膨胀剂发挥膨胀作用是十分重要的施工‘措施。正常的膨胀混凝土在1～7d养护期间的膨胀率应发挥至70％80％，以补偿水泥水化热所产生的冷缩和自生收缩，7～28d的膨胀率占20％～30％，以补偿混凝土的干缩。 4．2初始开裂时间 试验结果如图6所示。可以看出，在配合比不变的条件下， 图2萘系减水剂对砂浆干燥收缩的影晌 减水剂的掺人延长了砂浆的初始开裂时间，降低了该体系的开裂敏感性。而掺减缩剂的砂浆SRA初始开裂时间在5d以上，达到较为理想的抗裂效果。BA的初始开裂时间在WRA的基础上有所延长，说明膨胀剂的掺入有效推迟了裂缝的产生时间。减水剂、减缩剂和膨胀剂混掺时，初始开裂时间和减缩剂单独作用时相当。 通过对比试验可见，单独使用减缩剂或减水剂、减缩剂和膨胀剂共掺时砂浆的开裂敏感性最低。而膨胀剂的抗裂效果很大程度上取决于其早期养护程度，如果采用适当措施加强掺膨胀剂砂浆的早期养护，同时使用减水剂、减缩剂和膨胀剂的砂浆在降低体系的开裂敏感性方面还有很大的潜力。 4．3裂缝平均宽度 经过28d连续观察，得到5组试件不同龄期的裂缝宽度如图7所示。与基准样相比，掺减水剂的砂浆裂缝宽度发展速度较快，最终的裂缝宽度有所增加。掺膨胀剂的砂浆裂缝发展速度最快，并且28d裂缝宽度最大。需要指出的是，掺人膨胀剂后尽管砂浆的干缩率有显著降低，但膨胀剂在水化过程中生成钙矾石，需要的水量较大，在低水胶比条件下水分的不足使钙矾石所引起的膨胀无法抵消砂浆自身所带来的收缩。14d后膨胀率开始降低，膨胀后收缩的落差进一步增大，使得最终的裂缝平均宽度最大。 图7减水剂、减缩剂、膨胀剂对裂缝宽度的影响 单独使用减缩剂和减水剂、减缩剂、膨胀剂共掺时砂浆的裂缝发展速度最慢且最终的裂缝宽度最小，这说明减缩剂的抗裂效果最优。相同龄期WSB的裂缝平均宽度比SRA略大，进 一步说明掺加膨胀剂组分后，如果早期养护不理想，会对整个体系的抗裂性能起负面作用。因此，应选择膨胀结束后收缩落差较小的膨胀剂并延长水养护时间同。 4．4强度 表4显示了不同养护温度下减水剂、减缩剂、膨胀剂对抗压强度的影响。4组试件3d时的抗压强度都随养护温度的升高而增大，28d时的抗压强度又随养护温度的升高而降低。对于这种现象，不同的研究者有不同的解释，文献[6]认为，水泥颗粒表面在水化过程中所形成的致密外壳阻止了水分的进入，从而使其后期的水化程度有所降低；文献[7]认为，养护温度越高，水泥水化产物的比表面积越大[7．8]。 3d时抗压强度由大到小依次是SRA>BA>WSB>WRA。掺减缩剂的砂浆3d抗压强度最高，这可能是由于高分子聚合物增加，水泥颗粒及水化物构成的网络结构中聚合物数量增多，填补了原有的网络缺陷，使得胶凝材料增强。28d时掺膨胀剂的砂浆抗压强度最高，这是因为膨胀剂随龄期的增长持续发挥作用，使砂浆内部密实程度进一步提高。其余各配比的28d抗压 强度差别不大。 表4减水剂、减缩剂、膨胀剂对抗压强度的影响 MPa 5结论 (1)掺减缩剂砂浆的干缩率对养护温度变化的敏感程度较低。随着养护温度的升高，掺减水剂与膨胀剂砂浆的干缩率呈下降趋势。减水剂、减缩剂、膨胀剂混掺时，减缩效果存在叠加效应，但后期干缩率增长较快，说明对掺膨胀剂的砂浆应加强早期养护并合理控制膨胀剂掺量。 (2)减水剂使砂浆的初始开裂时间略有延长，最终的裂缝平均宽度大于基准样。膨胀剂可近一步延长砂浆的初始开裂时间，但裂缝发展速率和裂缝平均宽度最大。单掺减缩剂或减水剂、膨胀剂、减缩剂混掺均可大幅度降低砂浆体系的开裂敏感性并且裂缝的平均宽度最小。 (3)各配比3d抗压强度随养护温度的升高而增大，抗压强度最大的是掺减缩剂的砂浆。28d抗压强度随养护温度的升高而减小，其中，抗压强度最大的是掺膨胀剂的砂浆。 (4)减水剂、减缩剂、膨胀剂混掺时，一方面在减缩效果上存在叠加效应，另一方面大大降低了体系的开裂敏感性，在保证原有强度的基础上，表现出优异的减缩和抗裂性能。 参考文献： [1]蒲心诚．超高强高性能混凝2JZ[M]．重庆：重庆大学出版社，2004． [2】马保国，王信刚，等，掺高效减水剂水泥砂浆的早期开裂研究[J]建筑材料学报，2005，(6)：593—598． [3]马保国，高小建，等．不同减水剂对砂浆早期收缩开裂的影DNc]．第九届全国水泥和混凝土化学及应用技术年会，2005，610～616． [4]何真，祝雯，等．粉煤灰对水泥砂浆早期电学行为与开裂敏感性影响研究[J]长江科学院院报，2005，(2)：43—46． [5]游宝坤，李乃珍，等．膨胀剂及其补偿收缩混凝土『M]．jE京：中国建材 工业出版社，2005． [6]张向军，陈华良，等．养护条件对掺膨胀剂高性能混凝土体积稳定性的影DNJ]．混凝土，2003，(4)：16—18． [7]VERBECK GJ，HELMUTH RH．Structure and physical properties of cement paste[A]．Proeeeding of the 5th International Congress on the Chemistry of Cement[C]．Tokyo：[sn]，1968．184—193． [8]OLDER I，SKALN YJ．Hydration of triealeium cilicate at elevated tem— peratures[J]．Journal of Applied Chemistry，Bio—technology，1973，(23)： 37-43 作者简介：马保国(1957一)，男，博士，博士研究生导师，教授。 单位地址： 武汉理工大学硅酸盐中心马保国课题组(430070)