李 飞, 詹炳根

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)



内养护剂、膨胀剂、减缩剂对高强混凝土早期收缩的影响

李 飞1,2, 詹炳根1,2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

文章采用非接触式混凝土收缩变形测定仪研究了内养护剂、膨胀剂、减缩剂及内养护剂与膨胀剂双掺、内养护剂与减缩剂双掺、膨胀剂与减缩剂双掺对高强混凝土早期收缩性能的影响。研究结果表明:内养护剂、膨胀剂、减缩剂的掺入均能明显降低高强混凝土的早期收缩值;单掺条件下,减缩剂的效果最好;双掺条件下均能产生叠加效应,其中0.20%内养护剂与2%减缩剂、10%膨胀剂与2%减缩剂双掺减缩效果最好,48 h早期收缩值分别降低了70%和76%,且内养护剂与膨胀剂、内养护剂与减缩剂双掺中内养护剂与膨胀剂、减缩剂之间存在一定的比例关系,不同的掺入比例对收缩有显著影响。

高强混凝土;早期收缩;内养护剂;膨胀剂;减缩剂

目前,随着高强混凝土的普及应用,其高收缩量引起的裂缝问题越来越影响工程的质量；高强混凝土48 h的早期收缩值占总收缩值的50%～60%,减小高强混凝土早期收缩值对解决其抗裂问题有重要意义。

掺加矿物掺合料和外加剂是降低高强混凝土早期收缩的2种主要手段。粉煤灰、硅灰、矿粉等矿物掺合料对早期收缩的影响机理已较为清晰。在外加剂方面,主要是采用内养护剂、膨胀剂、减缩剂降低早期收缩。文献[1]对水中养护2 a的高性能混凝土研究结果表明,外部水分只能渗透混凝土的表层,混凝土内部湿度与外部湿度相差很大;文献[2]测定了高性能混凝土不同深度处早期湿度随时间的变化,结果表明掺入内养护剂可以明显提高混凝土的内部湿度,减小因自干燥作用引起的自收缩;文献[3]的研究得到了同样的结论。膨胀剂的使用目前主要集中在大坝混凝土和地下抗渗工程中,这些工程中的混凝土水胶比较大,并且工程周围的水环境可以保证膨胀剂的水化所需,而对于高强混凝土,膨胀剂缺少水化所需的自由水,其对自收缩的抑制能力还有待于研究。减缩剂由于成本较高,还没有推广使用,但是其良好的减缩性能已被多次证实[4]。在双掺研究方面,文献[5]研究了内养护剂与膨胀剂复合应用对C40混凝土体积自由变形和限制变形的影响后发现,混凝土自由膨胀率显著增大,但在高强混凝土中的应用研究还较少。文献[6]将轻骨料预吸一定浓度的减缩剂溶液后掺入水泥砂浆中,结果发现这种措施能够提高减缩效果,但在高强混凝土中与内养护剂复合还有待于研究。文献[7]研究了膨胀硫铝酸盐水泥与减缩剂的复合应用,结果证明在水胶比为0.2～0.4范围内,复合应用比相同水胶比条件下使用硅酸盐水泥的混凝土收缩降低70%～80%,而膨胀剂与减缩剂在高强混凝土中的复合应用无论在试验上还是机理分析上都是较为欠缺的。综上所述,关于内养护剂、膨胀剂和减缩剂等外加剂的影响，尤其是双掺的影响,还需要进一步开展研究。

本文通过试验分别研究了内养护剂与膨胀剂、内养护剂与减缩剂、膨胀剂与减缩剂双掺对早期收缩的影响并试图从机理上加以解释。为便于比较,对单掺内养护剂、膨胀剂、减缩剂的影响也进行了试验。

1 试验与结果

先测定不掺加任何矿物掺合料和外加剂的HSC基准组的早期收缩,在此基础上对比研究单掺内养护剂、膨胀剂、减缩剂的减缩效果,最后通过观测内养护剂与膨胀剂、内养护剂与减缩剂、膨胀剂与减缩剂双掺对早期收缩值的降低幅度来探索最有效降低高强混凝土早期收缩的手段。

试验按照膨胀剂(expansion agent，EA)掺量8%、10%、12%,减缩剂(shrinkage reducing agent，SRA)掺量0.5%、1.0%、2.0%,内养护剂(super absorbent polymer，SAP)掺量0.04%、0.20%、0.40%进行配合比设计,混凝土设计强度为C80,配合比及试验结果见表1所列,其中膨胀剂和减缩剂以内掺方式取代水泥掺入,内养护剂按质量1∶30预吸水后以外掺方式掺入。文中“掺量”为质量分数。

表1 配合比及试验结果

注:水、砂、石子的体积质量分别为140、740、973 kg/m3。

所用原材料包括:巢湖水泥厂产52.5R级普通硅酸盐水泥;巢湖散兵碎石,粒径为5～20 mm;六安霍山河沙,细度模数2.9;合肥淋新聚羧酸高效减水剂;巢湖万金山公司产膨胀剂;减缩剂,为一种表面活性物质;内养护剂,为一种吸水性树脂。减缩剂、内养护剂均由合肥佳方新型建材有限责任公司提供。

(1) 混凝土工作性能与力学性能测试。混凝土抗压强度测试按照文献[8]中的抗压强度试验方法进行;混凝土拌合物的坍落度试验测试按照文献[9]中的坍落度与坍落度扩展法进行。

(2) 混凝土早期收缩测试。混凝土的早期收缩试验参考文献[10]中的收缩试验方法的“非接触法”进行,使用非接触式收缩变形测定仪,具体型号为中国建筑科学研究院研发的CABR-NES型,混凝土用100 mm×100 mm×515 mm模具成型,试件成型后立即带模放入温度(20±2) ℃、相对湿度(60±5)%的室内,通过在试件外包裹塑料薄膜阻止混凝土水分的蒸发,每15 min读数1次,每组配合比成型3个试件,以3个结果的平均值作为该组混凝土的早期收缩值。本文所测定的早期收缩实际上包含化学收缩引起的整体缩减效应、一部分水化热温升引起的收缩和自收缩,其中自收缩占绝大比例。

2 结果分析

2.1 内养护剂对高强混凝土早期收缩的影响

内养护剂掺量的影响如图1所示。

图1 内养护剂掺量的影响

试验研究发现,内养护剂直接掺入高强混凝土中对高强混凝土的自收缩没有明显的降低作用,原因是内养护剂先吸收高强混凝土中的自由水,然后随着水泥的水化缓慢地释放水分,等于在混凝土成型的早期进一步降低了水胶比,不利于水泥水化和混凝土内部密实孔结构的形成。经过反复试验研究发现,内养护剂的掺入按质量比为1∶30预吸水后可掺入高强混凝土中。

从图1可以看出,高强混凝土的早期收缩可以划分为2个阶段，15 h之内的早期收缩值可以占到总收缩值的80%以上，随后,混凝土的收缩趋于平缓,早期收缩发展明显减慢,这与高强高性能混凝土的早强和快速水化有关。混凝土早期收缩值随着内养护剂掺量的增加逐渐减小,48 h基准组HSC的早期收缩值为4 059 μm,掺0.04%、0.20%和0.40%的内养护剂的收缩值分别为3 615、3 269、2 948 μm,分别减少10.9%、19.5%和27.4%。内养护剂经预吸水掺入混凝土后,一方面相当于增大了高强混凝土的水胶比,减小了混凝土内部自干燥引起的自收缩;另一方面,预吸水的内养护剂在水泥水化的过程中缓慢地释放水分,有利于钙矾石的生成和水泥水化程度的提高,并能有效改善高强混凝土中的孔结构分布[5],从而减小了高强混凝土的早期收缩。

加入预吸水的内养护剂对混凝土的强度有不利影响,且随掺量增大,影响更为显著。SAP0.40%组3、7、28 d的强度值比基准组分别降低了31.4%、36.6%和26.9%。原因在于,加入预吸水的内养护剂后,混凝土的水胶比提高,孔隙率增大,同时内养护剂还有缓凝的效果,使得早期强度降低较多。随着水化的进行,内养护剂中的水分缓慢释放供水泥水化反应使用,提高水泥的水化程度,因此对后期的强度影响会减小。

2.2 膨胀剂对高强混凝土早期收缩的影响

膨胀剂掺量的影响如图2所示。

图2 膨胀剂掺量的影响

从图2可以看出,膨胀剂的掺入使得高强混凝土早期收缩存在先膨胀再收缩的过程。混凝土浇筑成型后,膨胀剂立即开始水化膨胀,生成钙矾石晶体,此时膨胀剂的膨胀作用大于混凝土内部自干燥引起的自收缩,在2.5 h膨胀量达到最大,掺量为12%的混凝土膨胀量最大值为502 μm。随着膨胀剂和水泥的水化,低水胶比的高强混凝土中自干燥作用所引起的自收缩越来越大,从而导致早期收缩快速增长,最终在5 h膨胀量与收缩量达到平衡。8%、10%、12%膨胀剂掺量的高强混凝土48 h的收缩值分别为3 016、2 353 、2 026 μm,与基准组相比,降低了25.7%、42.0%和50.0%,可以发现,随着膨胀剂掺量的增加,早期收缩呈现较大程度的降低趋势。

膨胀剂减小早期收缩的原理是膨胀剂水化产生的钙矾石晶体能够填充、堵塞混凝土的毛细孔,改变混凝土中孔结构和孔级配,使有害孔减少、无害孔增多,总孔隙率降低,从而减小早期收缩。

膨胀剂对高强混凝土强度的影响是先降低再升高。EA12%组的3 d和7 d强度比HSC基准组分别降低了20.3%和9.7%,而28 d强度值升高了8.5%。原因是高强混凝土成型1 d后即拆模送入标准养护室,混凝土失去了模具的约束,膨胀剂使混凝土的早期结构疏松,强度降低,但后期随着高强混凝土强度的发展,膨胀剂继续发挥作用,使混凝土内部结构密实,对混凝土28 d强度没有降低作用。

2.3 减缩剂对高强混凝土早期收缩的影响

减缩剂掺量的影响如图3所示。

图3 减缩剂掺量的影响

减缩剂的掺入和膨胀剂类似,同样存在先膨胀后收缩的过程,从图3可以看出,在5.5 h时,2.0%减缩剂掺量的膨胀最大值为444 μm,在10 h时膨胀量与收缩量达到平衡,与膨胀剂的5.5 h取得平衡相比,延长了近1倍,这可能与减缩剂有延缓混凝土凝结时间的影响有关,文献[11]的研究表明减缩剂会造成混凝土缓凝现象,内掺1.25%时,初凝时间会延长25%。减缩剂掺量为0.5% 时48 h收缩量为2 652 μm,降低了34.6%,掺量为1.0%时为2 213 μm,2.0%时为1 826 μm,分别降低了45.5%和55.0%,随着减缩剂掺量的增加,早期收缩呈现明显的降低趋势,与内养护剂和膨胀剂的早期收缩图对比后可以发现,内养护剂在15 h左右早期收缩曲线图趋于平缓,膨胀剂在20 h左右趋于平缓,而减缩剂一直到48 h早期收缩曲线都是呈现上升的趋势,但是收缩值却低于单掺内养护剂和膨胀剂的收缩性。造成这种现象的原因可能是减缩剂的减缩原理导致的。减缩剂的减缩原理与膨胀剂完全不同,膨胀剂主要靠膨胀剂水化生成膨胀性水化产物来抵消高强混凝土的早期收缩,而减缩剂主要依靠降低混凝土内孔隙溶液的表面张力,从而减小毛细孔收缩应力来抑制混凝土的收缩,在低水胶比的高强混凝土中比内养护剂和膨胀剂效果更好。

减缩剂的掺入会降低高强混凝土的强度,SRA2.0%组的28 d强度比基准组降低了10.8%,原因可能是减缩剂的掺入会使硬化体内部孔隙率增大,也可能是减缩剂的存在使水泥水化程度降低,水泥水化不充分导致[4]。

2.4 内养护剂与膨胀剂双掺的影响

内养护剂与膨胀剂双掺的影响如图4所示。

图4 内养护剂与膨胀剂双掺的影响

研究显示,膨胀剂的膨胀水化需要大量的水源,膨胀剂完全反应时体积增加量都在100%以上,反应所需的水量也在50%以上[12]。而低水胶比的高强混凝土中水泥和膨胀剂水化争夺有限的自由水,同时浆体内部溶液的离子浓度增加,使膨胀剂主要组成成分硫酸钙的溶解度降低,从而参与水化的膨胀组分数量会受到一定的影响[13]。内养护剂的掺入正好可以弥补这种缺陷,同时促进水泥水化和膨胀剂的水化,产生叠加效应,进一步降低高强混凝土的早期收缩。

从图4可以看出,SAP0.20%+EA10%组的最大膨胀值为551 μm,相比于单掺膨胀剂的高强混凝土,增大了约12%。SAP0.04%+EA08%组、SAP0.04%+EA10%组、SAP0.20%+EA08%组、SAP0.20%+EA10%组的48 h早期收缩值分别为 2 716、2 592、2 145、1 909 μm,相比于SAP0.00%+EA00%基准组,分别降低了33%、36%、47%和53%。而单掺10%膨胀剂早期收缩值只降低了42%,内养护剂与膨胀剂双掺对早期收缩的抑制作用提高了11%。膨胀剂掺量8%条件下,0.20%内养护剂掺量比0.04%掺量降低了571 μm;而膨胀剂10%掺量下,0.20%内养护剂掺量比0.04%掺量降低了683 μm,因此可以得出在一定范围内,膨胀剂掺量的增加可以使内养护剂与膨胀剂双掺的减缩效果增强,两者之间存在一定的比例关系使得双掺效果最好。

内养护剂与膨胀剂双掺对强度的影响规律类似于单掺膨胀剂,但早期强度更低,原因是膨胀剂的膨胀使混凝土结构疏松,而内养护剂引水作用使水胶比增大,两者复合进一步降低了早期强度。双掺促进了后期膨胀剂和水泥水化,因此28 d强度值可以达到C80混凝土的强度要求。

2.5 内养护剂与减缩剂双掺的影响

内养护剂与减缩剂双掺的影响如图5所示。

图5 内养护剂与减缩剂双掺的影响

从图5可以看出,SAP0.20%+SRA2%组早期膨胀最大值为502 μm,与SRA2%组的444 μm相比,提高了11.6%。SAP0.04%+SRA1%组、SAP0.04%+SRA2%组、SAP0.20%+SRA1%组、SAP0.20%+SRA2%组的48 h收缩值分别为2 154、1 744、1 536、1 218 μm,与SAP0.00%+SRA0%基准组相比,分别降低了47%、57%、62%和70%。与单独使用减缩剂或内养护剂相比,减缩剂与内养护剂双掺应用时,能获得更加优异的减缩性能,产生明显的“叠加”效应。在两者双掺试验中,SAP0.20%+SRA1%组比SAP0.04%+SRA1%组早期收缩值减小618 μm,SAP0.20%+SRA2%组比SAP0.04%+SRA2%组早期收缩值减小了526 μm,减缩剂掺量1.0%条件下内养护剂掺量提高0.16%,早期收缩值降低了618 μm,而减缩剂掺量2.0%条件下提高相同的内养护剂掺量,早期收缩值只降低526 μm。造成这种现象的原因可能是内养护剂中的自由水与减缩剂减缩作用之间有某种反应关系,且两者之间存在一定的最佳比例关系。

内养护剂的掺入可以大幅延缓混凝土内部湿度的降低,而减缩剂正是通过降低孔隙水溶液的表面张力来实现降低早期收缩值的,内养护剂缓慢释放的自由水可能被减缩剂利用,因而极大地增加了减缩剂的减缩效力,具体的减缩机理还有待进一步研究。

内养护剂与减缩剂的双掺对强度产生了极为不利的影响,SAP0.2%+SRA2%的28 d强度值比基准组降低了37.4%。也就是说在减缩方面两者产生了正面叠加效应,在强度影响方面产生了负面叠加效应。在实际应用中可以通过掺加矿物掺合料来调节高强混凝土的强度值。

2.6 膨胀剂与减缩剂双掺的影响

膨胀剂与减缩剂双掺的影响如图6所示。

图6 膨胀剂与减缩剂双掺的影响

从图6可以看出,EA10%+SRA2%组的早期膨胀最大值为530 μm,比EA10%组增加了8.0 %,比SRA2%组增加16.2%。EA08%+SRA1%组、EA10%+SRA1%组、EA08%+SRA2%组、EA10%+SRA2%组的48 h收缩值分别为2 050、1 704、1 414、984 μm,相比于EA00%+SRA0%基准组,分别降低了49%、58%、65%和76%,与单掺膨胀剂或减缩剂的高强混凝土相比,膨胀剂与减缩剂的双掺在补偿收缩方面产生了更为明显的协同效应,可能是因为经过减缩剂处理的自由水对膨胀剂的水化产生了某种促进作用。

在强度影响方面,膨胀剂与减缩剂的双掺进一步降低了早期强度,28 d强度值界于单掺膨胀剂和单掺减缩剂之间。这可能是因为在水化早期,膨胀剂的膨胀疏松作用与减缩剂的抑制水化作用叠加导致的,后期强度由于减缩剂掺入的不利影响从而比单掺膨胀剂的要低。

3 结 论

(1) 内养护剂、膨胀剂和减缩剂均可降低高强混凝土的早期收缩,单掺条件下,减缩剂的减缩效果最好。

(2) 内养护剂与膨胀剂、内养护剂与减缩剂、膨胀剂与减缩剂的双掺均产生了叠加效应,其中0.2%内养护剂与2%减缩剂、10%膨胀剂与2%减缩剂可产生极为明显的叠加效应,48 h早期收缩值分别降低了70%和76%。

(3) 内养护剂与膨胀剂、内养护剂与减缩剂双掺中内养护剂与膨胀剂、减缩剂之间存在一定的比例关系,不同的掺入比例对高强混凝土的收缩有显著影响。

(4) 内养护剂和减缩剂的掺入会对高强混凝土的强度产生不利影响,掺入膨胀剂降低了高强混凝土的早期强度,提高了混凝土的28 d强度。内养护剂、减缩剂和膨胀剂的双掺使得早期强度更为不利,但膨胀剂的后期水化和内养护剂对水泥、膨胀剂水化的促进作用可以提高高强混凝土的后期强度。

(5) 本文中内养护剂、膨胀剂和减缩剂单掺与双掺对强度和早期收缩性能的影响均是由本文所采用的特定原材料实验所得,对其他类型的内养护剂、膨胀剂和减缩剂能否得到相同的结论还有待进一步研究。

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(责任编辑 张淑艳)

Influence of super absorbent polymer, expansion agent and shrinkage reducing agent on early autogenous shrinkage of high-strength concrete

LI Fei1,2, ZHAN Binggen1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

The effect of super absorbent polymer(SAP), expansion agent(EA) and shrinkage reducing agent(SRA) admixtures on the early autogenous shrinkage of high-strength concrete(HSC) was studied by using the non-contact automatic testing device. The experimental results show that SAP, EA and SRA can all restrain the autogenous shrinkage of HSC. Under the condition of adding one admixture, the reducing autogenous result of adding SRA is the best. Under the condition of double adding, when the SRA content is 2% and the SAP content is 0.20%, the autogenous shrinkage of HSC at 48 h is reduced by 70%, and when the SRA content is 2% and the EA content is 10%, the autogenous shrinkage of HSC at 48 h is reduced by 76%. Furthermore, there is a certain proportion among them which has significant impact on the shrinkage of HSC.

high-strength concrete(HSC); early autogenous shrinkage; super absorbent polymer(SAP); expansion agent(EA); shrinkage reducing agent(SRA)

2015-04-03；

2015-07-06

李 飞(1989-),男,安徽肥东人,合肥工业大学硕士生;

詹炳根(1964-),男,安徽庐江人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.020

TU528.31

A

1003-5060(2016)09-1254-06