淺談減水劑對混凝土收縮的影響

摘　要: 在總結已有文獻資料的基礎之上,結合部分試驗研究結果,討論了常用的幾類減水劑對水泥混凝土收縮及自收縮的影響。

關鍵詞: 減水劑;干縮;自收縮;機理

中圖分類號: TV42 + 4 　　　文獻標識碼: A 　　　文章編號:1006 - 3951 (2007) 02 - 0063 - 04

1 　前言

　　經歷了從鋼筋混凝土到預應力混凝土直至現(xiàn)今的高性能混凝土100 多年的發(fā)展歷程,當代混凝土正向著更高強、高流動性、高耐久性的方向發(fā)展。混凝土外加劑不但可使混凝土多種性能得到改善,而且促進了混凝土新技術的發(fā)展和工業(yè)廢渣的有效利用。日本、北歐、美國等發(fā)達國家已基本上在所有混凝土中摻用了外加劑,而我國目前在混凝土中使用外加劑還不是很普遍,每年水泥年產量已超過了6億噸,但摻外加劑的混凝土僅占30 %左右?；炷镣饧觿┰诨炷林械膹V泛應用,已使其成為混凝土尤其是高性能混凝土中必不可少的第五組份。多功能的外加劑已經成為當代高性能混凝土技術的核心之一,其品種及功能的發(fā)展也日新月異,這些新品種的外加劑對混凝土收縮的影響到底如何,已成為人們普遍關注的一個重要問題。隨著混凝土向高強高性能方向發(fā)展,要求混凝土具有很好的耐久性。提高混凝土耐久性的關鍵之一是降低水膠比,提高混凝土的密實性。這就要求減水劑的減水率高,并使混凝土具有很好的工作性。經過近半個世紀的發(fā)展,減水劑經歷了由木質磺酸鹽系、糖蜜減水劑→萘磺酸鹽甲醛縮合物減水劑、磺化三聚氰胺甲醛減水劑、氨基磺酸鹽高效減水劑→聚羧酸高效減水劑幾代產品的發(fā)展;其發(fā)展趨勢為從低減水率(10 %左右) 到高減水率(20 %左右) 直至超高減水率(30 %左右) 。

　　本文在結合已有的文獻資料基礎之上,結合部分新型的外加劑試驗研究結果,討論了常用的幾類減水劑對于水泥混凝土收縮變形的影響規(guī)律。

2 　減水劑對水泥混凝土收縮性能的影響

　　文獻〔2〕對20 世紀90 年代以前國內外有關外加劑對混凝土收縮的影響研究進行了總結(見表1～表4) ,它介紹了早期使用的木鈣、糖蜜類(減水率在5 %～12 %) 普通減水劑,以及減水率大于12 %的萘系高效減水劑對混凝土干燥收縮的影響,其研究結果認為木鈣類減水劑在增加坍落度的情況下會增加混凝土的干縮,而減水、減水泥的情況下則與基準混凝土相差不大(見表1) 。摻萘系高效減水劑的混凝土的收縮略大于基準混凝土(見表2) ,當高效減水劑摻量達到1. 0 %時,摻高效減水劑的混凝土干縮比不摻的增大13 %～25 %(見表3) 。單獨摻用木鈣、糖蜜和萘系高效減水劑對坍落度在18～23 cm的流態(tài)混凝土干縮的影響并不顯著(見表4) ,但是當木鈣與FDN 復摻時,會使流態(tài)混凝土的干縮有一定的增加(見表4) 。

　　文獻〔3〕認為摻木鈣減水劑即便是降低用水量也仍然會增加混凝土的干縮,將木鈣與早強劑復合時混凝土的干縮值更大一些,當木鈣減水劑用于減少單位水泥用量時則干縮值較基準混凝土小,此外,水泥中SO3 含量和堿含量也會影響摻木鈣減水劑混凝土的干縮。摻糖蜜減水劑的混凝土干縮要高于摻木鈣的混凝土。

　　江蘇建筑科學研究院有限公司〔4〕對比研究了摻聚羧酸類外加劑和萘系高效減水劑的混凝土的干燥收縮和凈漿的自收縮,試驗結果如圖1、圖2 所示。圖1 (a) 的試驗結果表明,與萘系高效減水劑增加混凝土干燥收縮和自收縮不同,摻聚羧酸類減水劑的混凝土干縮值低于基準混凝土,在通常的摻量下(減水率在20 %左右) ,摻聚羧酸外加劑的混凝土60d 干縮值較摻萘系高效減水劑的混凝土約低40 %。圖1(b) 的試驗結果表明,對于低水膠比的水泥漿體,摻聚羧酸減水劑其自收縮要明顯低于摻萘系減水劑的情況,在相同的配比下90 d 約降低了30 %。這表明這種新一代的高效減水劑在配制高抗裂性能混凝土上較傳統(tǒng)減水劑具有明顯優(yōu)勢。FDN 的摻量對凈漿自收縮的影響結果如圖2 所示,自收縮隨著FDN 摻量的提高而明顯增大,目前國內工程和研究中普遍采用萘系高效減水劑,為了配制低水膠比的高性能水泥基材料,增加萘系外加劑的摻量來降低水膠比往往是最常用的手段,這也是導致低水膠比水泥基材料自收縮大的原因之一,往往增加FDN 的摻量,對混凝土抵抗收縮開裂帶來不利的影響。

3 　減水劑對于收縮變形的影響機理討論

　　在混凝土配制過程中使用減水劑通常具有以下三種情況,一是在不改變混凝土配合比的情況下顯著增加混凝土坍落度,改善混凝土的和易性;二是在維持相同的坍落度和單方水泥用量的情況下,減小用水量,降低水膠比,提高混凝土的強度和耐久性;三是在水灰比和強度不變的情況下降低用水量,從而節(jié)約水泥。正因存在著以上使用情況的種種區(qū)別,不能簡單地概括出外加劑對混凝土收縮性能的影響規(guī)律。一般而言,摻用化學外加劑會使混凝土收縮有不同程度的增大。在減水劑品質檢驗中,相對收縮率比是型式檢驗必須要求的指標,其檢驗的方法與減水、降水灰比情況相同,即保持混凝土水泥用量和坍落度不變,比較摻外加劑混凝土和不摻外加劑的基準混凝土收縮值的比率,GB8076 - 1997 及ASTMC494 混凝土化學外加劑標準均要求相對收縮率比不大于135 %。

　　對于水膠比約大于0. 40 的普通混凝土,降低用水量可以明顯地減小干燥收縮,由于這樣的混凝土干縮占據(jù)了總的收縮值的絕大部分,因此使用高效減水劑有可能降低混凝土的收縮。文獻〔5〕研究表明減少18 %的水分,會使干燥收縮率下降12 %。然而對于目前廣泛使用的低水膠比高性能混凝土,由于自收縮已經不容忽視,降低用水量則可能使得混凝土內部自干燥加重,從而增加自收縮,因此對總的收縮影響更為復雜。

　　除了在減水率上面存在的區(qū)別影響混凝土的用水量,進而影響混凝土收縮之外,化學外加劑的品種及摻量本身還會影響混凝土內部孔溶液的堿金屬鹽濃度及表面張力。基于毛細管張力機理的研究認為,這對于收縮尤其是自收縮也有著較大的影響。相關研究結果的報道還很少。Jensen & Hensen1996 , Bentz et al 2001〔6〕的試驗研究表明,水泥漿拌合開始的初始相對濕度只有98 %而非100 % ,他們認為這種相對濕度的下降可以歸結于孔溶液中堿金屬離子的溶解。而溶解的堿金屬離子除了由水泥帶入外,外加劑的貢獻也不容忽視。根據(jù)Raoult 方程,由于鹽溶解而引起相對濕度的下降可以表示為:

式中: Xl 為水在溶液中的摩爾分數(shù); pg 為氣體壓力;psat為飽和分壓。

由于干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生壓力差:

式中:ΔP 為毛細孔水內外壓力差;σ為毛細孔水表面張力;α為水和毛細孔孔壁的接觸角; r 為毛細孔水力半徑。壓力差ΔP 為負值,是引起混凝土自干燥收縮的直接原因。由式(2) 可見表面張力的降低可以減小混凝土的自干燥收縮和干燥收縮,影響表面張力的外加劑也會影響收縮。

　　幾種主要的高效減水劑的堿含量和表面張力的試驗結果見表5。

　　注:表面張力是將外加劑根據(jù)摻量配成20 ℃相應的水溶液測定的。

　　由表5 可見:在常規(guī)摻量下(即都達到20 %左右的減水率時) ,作為表面活性劑范疇的幾種高效減水劑均不同程度地降低了溶液的表面張力,但具有明顯區(qū)別。聚羧酸系高效減水劑溶液表面張力最低,氨基磺酸鹽減水劑次之,而摻FDN 溶液的表面張力最高,只是略低于純水的表面張力。聚羧酸系高效減水劑的堿含量最低,而氨基磺酸鹽減水劑的堿含量與高濃型FDN 接近,由于其減水率較高,因此摻入混凝土中達到相同減水率時的堿含量可較FDN 低。FDN 的堿含量在這三種外加劑里面相對最高,尤其是目前低濃型的FDN 仍然占據(jù)著市場的相當份額,其堿含量更加難以控制。

4 　結語

　　常用的木鈣、糖蜜以及萘系高效減水劑雖然可以降低混凝土用水量,但是通常并不能降低混凝土的干燥收縮,其中FDN 增加收縮相對其他幾種減水劑最為明顯,其次是木鈣和糖蜜類減水劑。而作為新一代的聚羧酸高效減水劑,其堿含量和表面張力均較其他幾種高效減水劑具有明顯優(yōu)勢,在常規(guī)的摻量范圍內不僅可以起到減水增強的效果,而且也未增加收縮,甚至還有降低收縮的作用。三峽地下廠房巖錨梁、江蘇南充體育會展中心地下環(huán)梁、南京國際展覽中心主展廳樓面等混凝土工程的施工均采用新一代的聚羧酸高效減水劑。實踐證明:聚羧酸對降低混凝土收縮的作用是明顯的。

　　三峽地下廠房巖錨梁到目前為止,僅發(fā)現(xiàn)6 條細微的裂縫,并且裂縫的最大長度和寬度分別只有2．8 mm及0．8 mm。南充體育會展中心的地下環(huán)梁視為最困難的大體積混凝土,無論截面尺寸還是周長,與國內同類工程相比,均屬國內之最。南京國際展覽廳大樓面積為243 m ×111．5 m ,均未設溫度縫。其施工結果均較為滿意。計、鋼筋計、測縫針為- 25 ℃、0 ℃、30 ℃、60 ℃,行業(yè)標準對上述儀器的溫度分檔為0 ℃、20 ℃、40 ℃及60 ℃。而國標和行業(yè)標準對溫度計及滲壓計的溫度分檔相同。

3．3 　防水性能和溫度絕緣檢驗比較

　　儀器的絕緣電阻直接影響儀器測值的準確性和使用的耐久性。GB3408 - 1994～ GB3413 - 1994 對差動電阻式儀器規(guī)定使用100 V 直流兆歐表測試且其絕緣電阻應大于50 MΩ ,而DLPT5178 - 2003 規(guī)定使用500 V 直流兆歐表測試且其溫度絕緣電阻雖與國標相同,但其防水性能的絕緣電阻要求為大于200 MΩ ,遠遠高于國標的要求。

4 　對規(guī)范的認識

4. 1 　GBPT13606 - 1992 的使用范圍

　　許多鋼弦式儀器檢驗率定時都用GBPT13606 -1992 ,該標準的適用范圍為巖土工程用鋼弦式壓力傳感器,僅指壓力傳感器,并不包括測量位移、應力應變等儀器,在檢驗率定非壓力傳感器時只能是參照本標準,并不完全適用本標準。

4. 2 　GBPT13606 - 1992 對儀器防水密封性要求偏低

　　GBPT13606 - 1992 對鋼弦式儀器防水密封性的規(guī)定是:鋼弦式儀器在1. 2 倍的額定水壓力下持續(xù)6 h ,測試其頻率,頻率應無變化,規(guī)范并沒有規(guī)定對絕緣電阻的要求。事實上這樣的規(guī)定偏低,實踐表明,在儀器率定過程中即使儀器的絕緣電阻很小甚至為0 時,測試其頻率暫時也不受影響,但長遠來說耐久性受影響?；当本┕旧a的鋼弦式儀器主要用于國內水電工程,是國內近幾年應用較多的鋼弦式儀器,質量相對比較穩(wěn)定,但是該產品通常的報價沒有防水性能要求,如需要防水性能的儀器,要特別說明要求并增加儀器價格。按照水利水電行業(yè)規(guī)范,儀器在0. 5 MPa 水壓力下的絕緣電阻是必須檢驗的,因此它顯然不滿足規(guī)范DLPT5178 - 2003 對儀器的基本要求。另外許多工地由于條件的限制并不進行防水性能的檢驗?？梢岳斫鉃镚BPT13606 -1992 標準的適用范圍為巖土工程用鋼弦式壓力傳感器,其在埋設后使用條件穩(wěn)定,未考慮電氣絕緣條件變化下的使用。

4. 3 　水電行業(yè)對儀器防水性能的要求提高

　　DLPT5178 - 2003 中,絕緣電阻檢驗設備從100 V直流兆歐表改為500 V 直流兆歐表,對儀器的絕緣電阻要求更高了。

5 　結語

　　監(jiān)測儀器在安裝埋設前必須進行檢驗率定,以確保在工程中使用合格的儀器。由于不同規(guī)范的規(guī)定有差異,因此應針對各種儀器的適用條件和工程特點選用合適的規(guī)范,在檢驗率定中按照規(guī)范的要求進行檢驗率定。不同規(guī)范對技術指標的限差要求有所不同,但是技術指標的名稱應該統(tǒng)一,建議在以后規(guī)范修訂中統(tǒng)一技術指標的名稱。