高曙光，马锋玲,2，李秀琳,2

(1.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038; 2.中国水利水电科学研究院 材料研究所，北京 100038)

1 概 述

在水利水电工程中，混凝土的收缩开裂一直没有得到根本解决，很多混凝土工程都是在未拆模或刚拆模后就出现了裂缝[1]。收缩裂缝不仅会降低混凝土的刚度，影响混凝土外观，降低混凝土防水防腐性能，甚至会引起钢筋锈蚀，最终影响混凝土的性能发挥和混凝土的寿命。如何有效控制和防止混凝土裂缝的产生，特别是对混凝土薄壁结构物来说尤为关键。

混凝土的干缩裂缝需要从混凝土材料本身研究解决。混凝土在拌制中需要加入一定量的拌和用水，水泥水化用水只占水泥的25%左右，过多的拌和水一部分在混凝土浇筑过程中沿着模板渗出，一部分由混凝土表面蒸发掉。而混凝土内部大量毛细孔中的遗留水在混凝土硬化过程中，沿着毛细孔向外迁移并挥发，在迁移和挥发过程中由于表面张力的存在而引起混凝土内部收缩，当这部分收缩应力累计超过混凝土本体的拉应力时，就产生了干缩裂缝。

化学减缩剂为低黏滞度水溶性液体，掺入减缩剂可以降低混凝土本体内毛细孔中水的表面张力，从而减小毛细孔失水时产生的收缩应力，大大减少混凝土的干缩，有效控制混凝土早期收缩裂缝的产生。如果能使混凝土28 d干缩减少30%以上，对于薄壁混凝土建筑物的工程具有非常重要的意义。减缩剂需满足以下技术要求：①能降低混凝土毛细孔中水溶液的表面张力；②在强碱环境下具有足够的稳定性；③与其他外加剂具有相容性，不降低其它外加剂的性能；④硬化混凝土性能不下降；⑤较低的成本并易于存储使用。

2 减缩剂合成试验

本试验的减缩剂是利用羟基化合物与环氧化烷烃合成醇醚类混合物。减缩剂与拌和水一起加入到混凝土中，在混凝土硬化后仍保留在直径为2.5～50 nm孔结构中，可以降低混凝土毛细孔中水的表面张力，减小毛细孔失水时产生的收缩应力，从而减小混凝土的干缩，有效控制混凝土早期收缩裂缝的产生。原材料包括羟基化合物、环氧化烷烃、强碱和其它辅料。本研究选择不同种类原材料，共合成出近30组单组分或多组分的醇类、醚类、聚氧乙烯类等不同配方的减缩剂，对合成的减缩剂通过水泥砂浆干缩试验进行相对比较和筛选，并根据试验结果不断优化原材料、改进制备工艺，最终成功开发出SK-J减缩剂。

3 水泥砂浆干缩试验

试验按《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)中“水泥砂浆干缩(湿胀)试验”方法[2]进行，对合成的近30组减缩剂进行对比试验。试验原材料采用基准水泥和标准砂，减缩剂掺量为胶凝材料用量的2.0%。通过试验确定采用编号为49的减缩剂进行下一步的综合性能试验，其在2.0%、1.5%和1.0%不同掺量下的水泥砂浆干缩试验结果见图1。当减缩剂掺量从1.0%提高至1.5%时，可使水泥砂浆28 d干缩减少约17%；当减缩剂掺量从1.5%提高至2.0%时，可使水泥砂浆28 d干缩减少约32%。因此，49号减缩剂最佳掺量为1.5%～2.0%。

图1 不同掺量49号减缩剂的水泥砂浆干缩试验

4 匀质性试验

依据国标《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077-2012)[3]，对减缩剂的匀质性进行检测。该减缩剂为淡黄色液体，表面张力(20℃,1%)为35.0 mN/m，能明显降低混凝土毛细孔中水溶液表面张力。其他性能为：密度0.95 g/cm3，pH值(20℃,5%)6.2，固含量100%，碱含量0.07%，未检出氯离子。

5 混凝土性能试验

水泥采用甘肃祁连山牌P.O42.5水泥，经检验性能符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2017)的技术要求。粉煤灰采用兰州西固宏大热电公司的粉煤灰，经检验，性能符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2018)的技术要求，属III级粉煤灰。外加剂采用兰州LRFH高效减水剂和KDSF引气剂。试验表明，LRFH高效减水剂在3.5%掺量下的减水率为19.4%，性能符合《混凝土外加剂规范》(GB 8076-2016)中一等品要求；KDSF引气剂在0.008%掺量下的混凝土性能符合《混凝土外加剂规范》(GB 8076-2016)对引气剂的要求。为进行抗裂性能对比，在混凝土体积稳定性及早期抗裂性试验中采用聚丙烯晴纤维和钢纤维进行对比试验。聚丙烯晴网状纤维长度24 mm，直径16 μm，推荐掺量为0.9 kg/m3；钢纤维长度60 mm，直径0.75 mm，推荐掺量为35 kg/m3。骨料采用石灰岩人工砂和人工碎石，性能符合《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144-2015)的规定，砂细度模数为3.0。

混凝土指标按水工混凝土薄壁结构常用性能考虑，除强度外，还考虑了较高的抗冻性能和抗渗性能。具体指标为：抗压强度等级C30，抗渗等级W10，抗冻等级F300；混凝土强度保证率为95%；28 d龄期极限拉伸值不小于100×10-6；坍落度控制在7～9 cm，含气量控制在4%～6%。据此通过优化试验确定了基准混凝土配合比，其28 d抗压强度为39.9 MPa。在基准混凝土配合比的基础上，掺减缩剂、纤维材料并对基准配合比进行调整，采用的配合比见表1。其中，掺减缩剂混凝土的和易良好，不离析、不泌水，掺减缩剂对新拌混凝土的凝结时间无明显影响，对抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、抗压弹性模量等影响很小。

表1 混凝土配合比及性能

5.1 混凝土的体积稳定性

混凝土干缩试验试件为100 mm×100 mm×500 mm棱柱体。混凝土成型后2 d拆模，测定基长。混凝土干缩值由安装在立式干缩架上的千分表测定。试验室温度控制为20±2℃，相对湿度为60%左右。混凝土干缩变形试验结果见图2。试验结果表明，各种混凝土180 d干缩率除掺减缩剂的混凝土较低外(为347.7×10-6)，其它3组均在(384～396)×10-6之间，相差不大。混凝土中掺入1.5%减缩剂的28 d干缩率比基准混凝土降低约23%。

图2 混凝土干缩试验结果

混凝土自生体积变形是在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的变形。自生体积变形试件为φ150 mm×500 mm圆柱体，试件中心内埋电阻式应变计，混凝土振实后用锡焊将筒密封，密封后立即放入恒温室。自生体积变形量测采用比例电桥，根据测量电阻式应变计的电阻与电阻比及混凝土的热膨胀系数来计算其自生体积变形。混凝土自生体积变形试验结果见图3。试验结果表明，混凝土中掺入聚丙烯晴纤维和钢纤维对混凝土自生体积变形无明显改变，混凝土中掺减缩剂对减少混凝土的自生体积收缩变形具有一定的效果。

图3 混凝土自生体积变形试验结果

5.2 混凝土的早期抗裂性能

本试验采用中国工程建设标准化协会标准《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38:2004)中附录D“纤维混凝土和砂浆收缩裂缝试验方法”(平板试件法)[4]进行，可反映混凝土塑性收缩、自收缩和干燥收缩引起的混凝土早期开裂倾向，但与温度收缩关系不大。混凝土试件为600 mm×600 mm×63 mm的平面薄板。试件模具边框为槽钢，边框内设Φ6间距60 mm的双排栓钉，栓钉长度分别为50和100 mm，间隔布置。底板采用厚度为5 mm的钢板，上铺聚乙烯薄膜隔离层。当浇筑后的混凝土平板试件发生收缩时，四周将受到这些螺栓的约束，应力达到一定程度时，混凝土平板发生开裂。试件成型后置于环境温度20±2℃、相对湿度为60%的试验室中，2 h后各用1台电扇吹试件表面，风向平行试件表面。成型24 h后观察裂缝数量、宽度和长度。

各种混凝土的早期抗裂性试验结果见表2。试验平行进行了两次，由于该试验的重复性较差，表2中数据为两次试验结果之和，仅用于各种混凝土早期抗裂性优劣的相对比较，并不代表混凝土长龄期抗裂性的优劣。试验结果表明，掺聚丙烯晴纤维和减缩剂对混凝土的早期裂缝有很好的抑制效果，可显著减少混凝土早期塑性收缩裂缝和早期干燥收缩裂缝的数量，限裂等级均为一级。

表2 早期抗裂性试验结果

6 结 语

混凝土中掺入减缩剂是从混凝土材料本体上来解决干缩问题，它能有效降低混凝土自身的干缩值，对减小混凝土的干缩裂缝十分有利。因此，它特别适用于有抗裂要求的薄壁混凝土结构中。本研究开发SK-J减缩剂具有明显降低混凝土毛细孔中水溶液表面张力的作用，在强碱条件下能稳定存在，与常用减水剂、引气剂具有良好的相容性，易于存储和方便使用。水泥砂浆试验结果表明，减缩剂掺量为2.0%时，水泥砂浆28d干缩减少率为54%；减缩剂最佳掺量为1.5%～2.0%。掺SK-J减缩剂混凝土的主要性能包括：①掺减缩剂对新拌混凝土无明显影响，混凝土和易性良好，不离析、不泌水，凝结时间正常。②混凝土中掺入1.5%的减缩剂，对混凝土的抗压强度、劈拉强度、轴拉强度、抗弯强度等力学性能影响不大；对混凝土的极限拉伸和弹性模量影响不大，对抗裂有利。③混凝土中掺入1.5%的减缩剂，28 d龄期干缩率比基准混凝土降低23%，自生体积收缩可减少约22×10-6；掺入2.0%的减缩剂，可使混凝土28d干缩率降低30%以上。而混凝土中掺入聚丙烯晴纤维和钢纤维对混凝土长期变形性能无明显改变。④掺减缩剂可很好抑制混凝土的早期裂缝，显著减少早期塑性收缩裂缝和早期干燥收缩裂缝的数量，限裂等级为一级。

致谢

本文得到新疆2019-2021年院士工作站合作研究项目新疆水专项(2020.C-004)的支持。