（材料学专业论文）外加剂对胶砂和混凝土收缩性能影响的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 外加剂对胶砂和混凝土收缩性能影晌的试验研究 专业：材料学 硕士生：杨利民 指导教师：尚建丽教授 摘要 混凝土夕l - ) j n 剂是现代高性能混凝土的一个重要组分，在工程中已经得到了广泛 的应用。但目前，对化学外加剂尤其是高效减水剂影响高性能混凝土收缩的研究相 对缺乏，而且现有文献资料在此方面的研究结果存在有较大的分歧。 本文通过正交试验，研究分析了胶砂配比( 水胶比和砂胶比) 、浆体体积含量、 单位体积用水量、养护制度以及试件规格等多因素对水泥胶凝体系( 胶砂) 收缩性 能的影响。在此基础上，首先采用固定胶砂单位体积用水量、浆体体积含量和骨料 用量的试验方法，研究和分析了萘系、聚羧酸系及氨基磺酸系等几种类型高效减水 剂对胶砂收缩性能的影响规律和作用机理。 其次，采用双因素试验方法，在固定水胶比和砂胶比的条件下，研究了高效减 水剂和矿物掺合料双掺时高效减水剂对胶砂收缩变形的影响规律。 最后，采用与胶砂试验相同的原材料、配合比和相同的试验条件，进行了混凝土 收缩试验，进一步研究了高效减水剂对混凝土收缩变形性能的影响规律；并探讨了相 同原材料和相同试验条件下，混凝土收缩变形与胶砂收缩变形之间的相关关系。 试验结果表明：采用相同的原材料和试验条件时，混凝土的收缩与胶砂的收缩 呈线性关系；在不改变配比，加入高效减水剂以改善拌合物工作性的情况下，高效 减水剂会较大地增加胶砂或混凝土的收缩变形，而采用双掺技术时，矿物掺合料的 加入能有效地降低高效减水剂对收缩影响的程度；此外，可以通过选择高效减水剂 和矿物掺合料的种类或掺量等因素来减小胶砂或混凝土的收缩变形。本文所选三种 类型高效减水剂对收缩变形的影响规律表现为：聚羧酸盐高效减水剂对收缩的影响 最小，氨基磺酸盐高效减水剂次之，萘系高效减水剂的影响最大。 关键词：收缩；化学外加剂；高效减水剂；胶砂；混凝土 西安建筑科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fc h e m i c a l a d m i x t u r e s o nt h es h r i n k a g eo fm o r t a ra n dc o n c r e t e s p e c i a l i t y ：s c i e n c eo fm a t e r i a l s n a m e ： y a n gl i r a i n i n s t r u c t o r ：p r o f s h a n gj i a n - l i a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n t ，u s i n go fc h e m i c a la d m i x t u r e si nh i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t ei sb e c o m i n gv e r yc o m m o n b u tt h er e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fc h e m i c a l a d m i x t u r e so ns h r i n k a g eo fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t es e e m st o oi n s u f f i c i e n t ，a n dt h e e x i s t i n gr e s u l t sa r ec h a o s t h r o u g ht h ep e r p e n d i c u l a re x p e r i m e n t , t h em a i ne f f e e f i n gf a c t o r so nt h es h r i n k a g eo f c e m e n t m o r t a r w i t h l o w 、n e r ea 1 1 a i 衄b a s e d o n t h ea b o v e r e s e a r c h , i n t h e m o r t a r w i t h c o n s t a n t w a t e rc o n t e n t , p a s t ev o l u m ec o n t e n ta n da g g r e g a t ec o n t e n t , t h ei n f l u e n c eo ft h r e et y p e s s u p e r p l a s t i c i z e r ( n a p h t h a l e n es e r i e s ，a m i n o s u l f o n i ca c i ds e r i e sa n dp o l y c a r b o x y l i ca c i ds e r i e s s u p e r p l a s t i c i z e r ) o ns h i 斌a g ew a ss t u d i e da n d t h er e a s o no f t h ei n f l u e n c ew a sa n a l y z e da l s o t h e n , a d d i n gm i n e r a la d m i x t u r e sa n ds u p e r p l a s t i c i z e r s ，t h ei n f l u e n c eo fs u p e r p l a s t i c i z e r o ns h r i n k a g eo f t h em o r t a rw i t hc o n s t a n tw a t e r - b i n d e rr a t i oa n ds a n d b i n d e rr a t i ow a ss t u d i e d a n d f i n a l l y , u s i n gt h es a m er a wm a t e r i a l s ，m i x t u r ep r o p o r t i o n sa n dt e s tc o n d i t i o n ，t h e i n f l u e n c eo fs u p e r p l a s f i c i z e r so ns h r i n k a g eo fc o n c r e t ew a ss t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i po f s h r i n k a g eb e t w e e nc o n c r e t ea n dm o r t a rw a sa n a l y z e da l s o t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es h r i n k a g eo fc o n c r e t ei sl i n e a rw i t ht h es h r i n k a g eo ft h e m o r t a rw i t l ls a m er a wm a t e r i a l s ，m i x t u r ep r o p o r t i o n sa n dt e s tc o n d i t i o n s a n da d d i n g s u p e r p l a s f i c i z e ri nt h em o r t a ro rc o n c r e t ew i t hc o n s t a n tm i x t u r ep r o p o r t i o nc a ni n c r e a s ei t s s h r i n k a g e ，b u ta d d i n gm i n e r a la d m i x t u r e sc a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h es u p e r p l a s t i c i z e r o nt h es h r i n k a g e b e s i d e s ，s e l e c t i n gt h ek i n da n dq u a n t i t yo fs u p e r p l a s t i c i z e ra n dm i n e r a l a d d i t i o n sc a nd e c r e a s et h es h r i n k a g eo fm o r t a ro rc o n c r e t e g e n e r a l l y , t h ei n f l u e n c eo f n a p h t h a l e n es e r i e ss u p e r p l a s t i c i z e r ( e g h j u n f 一2 ao rt h s 1 ) o n t h es h r i n k a g ei sm o r e t h a na m i n o s u l f o n i ca c i ds e r i e s s u p e r p l a s t i c i z e r ( e g a s p l ) ，b u t t h ei n f l u e n c eo f p o l y c a r b o x y l i ca c i ds e r i e ss u p e r p l a s t i c i z e r ( e g c a b r ) o i l t h es h r i n k a g ei sl e s st h a nt h e a b o v et w ot y p e ss u p e r p l a s t i c i z e r k e yw o r d s ：s h r i n k a g e ，c h e m i c a la d m i x t u r e s ，s u p e r p l a s t i c i z e r ，m o r t a r , c o n c r e t e 2 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：苷匆粕阢 日期：炒； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者躲绚羽阢新签名躲历吼妒f ； 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 绪论 混凝土是现代工程结构的主要材料之一，随着大规模基本建设的进行，混凝土技术有 了巨大的发展，已由过去的干硬性、低流动性、现场搅拌的普通混凝土阶段转向集中搅拌、 大流动性、泵送施工的高性能混凝土阶段。而预拌混凝土和泵送混凝土的推广使用，在混 凝土强度等级的提高、混凝土质量的相对稳定、施工速度的大大提高、环境污染的极大改 善等方面都起到了重要作用，但同时混凝土的裂缝问题也越来越显现出来。 近年来，随着建筑工程量和商品混凝土用量的不断增加，混凝土裂缝导致结构 性能问题的工程事故越来越多，尤其是在商品混凝土应用较多的大中城市和大中型 工程中，采用了低水灰比( 水胶比) 高早强混凝土的结构物早期开裂的现象，引起 了人们的极大关注。相比在还未使用商品混凝土的中小城市和中小型建筑工程，普 通混凝土的裂缝问题则发生的较少，这表明高强混凝土对早期开裂非常敏感，从另 一个方面也说明了由于混凝土技术和生产工艺的变革，带来了可能会增加混凝土裂 缝的新问题。有研究表明【l 2 】，虽然高性能混凝土以高耐久性、高体积稳定性为重要 技术特征，但从某种程度上或者从混凝土的早龄期段来说，其体积稳定性不是增加， 而是降低了，尤其是混凝土的早期体积稳定性。 混凝土是由固体( 水泥、石子、砂) 、液体( 水) 和气体( 施工过程中残存的空 气等) 三相组成的一种非均质复合材料，其内部存在有大量的微细裂缝，在一定的 条件下这些微观裂缝会发展并连通而形成肉眼可见的宏观裂缝。混凝土构件产生宏 观裂缝的原因很多，可分为两大类：即结构性裂缝及非结构性裂缝。前者是由外荷 载或外荷载导致的结构次应力引起，而后者则是由变形变化等因素如温度、收缩、 不均匀沉降等引起。据有关资料统计p l ，工程实践中构筑物的裂缝大多属非结构性裂 缝，约占8 0 ；属结构性裂缝的约占2 0 。而在混凝土的非结构性裂缝中，收缩裂 缝又占了相当大的比例，因此我们应高度重视这一问题。 正是由于混凝土的收缩可能会引起混凝土开裂1 4 5 j ，人们对其给予了很大的关注， 从混凝土结构特征、原材料种类、材料掺量、周围介质条件等多方面进行了研究和 探讨。虽然国内外对混凝土收缩性能的影响因素已有较多研究【5 “7 ”，涵盖了原材 料性能、养护条件、约束机制、增强材料、矿物掺和料等多方面，但对于外加剂引 起的影响研究较少，且研究结果差异较大。 随着社会的发展和建筑技术的进步， 对混凝土性能( 包括力学性能和耐久性能) 西安建筑科技大学硕士学位论文 的要求不断提高，高强高性能甚至超高性能混凝土都已相继出现。一般说来，混凝土强 度越高，密实性越好，耐久性也较好，但应该着重指出的是，在严酷的使用环境下，高 强度混凝土未必是耐久的，这己被许多世纪工程所证实，因此高性能混凝土的性能要求 重点逐渐向高耐久性转移【l 。】。目前，混凝土发展的主要趋势是耐久、节能与环保，为 此，外加剂也向着高效能、低掺量及复合化的方向发展1 9 ”“，而新品种外加剂的加入 对混凝土收缩的影响作用究竟如何，己成为人们关注的一个重要问题。 因此，研究外加剂对混凝土收缩性能的影响及其作用规律，从而为工程抗裂提供 必要的技术数据，具有重要的实际意义。 1 2 混凝土外加剂概述 1 2 1 混凝土外加剂简介 混凝土p l - 力n 剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物质。通常 情况下，混凝土外加剂掺量不大于水泥用量的5 。 混凝土p l - 力n 剂的发展已有约1 0 0 年的历史。最早出现的混凝土p t - 自h 剂是疏水剂 和塑化剂，并于1 9 1 0 年成为工业产品。2 0 世纪3 0 年代，混凝土外加剂开始有了较 大规模的发展，代表产品是美国以松香树脂为原料生产的一种引气剂。5 0 年代，国 外又以亚硫酸纸浆废液经发酵脱糖工艺等途径生产阴离子表面活性剂，用于提高混 凝土塑性，从而开辟了现代混凝土减水剂的历史纪元。6 0 年代，日本研制成功萘磺 酸甲醛缩合物高效减水剂，德国研制成功蜜胺磺酸甲醛缩合物高效减水剂，使混凝 土技术得到了划时代的发展。到了8 0 年代末9 0 年代初，由于商品混凝土的普及应 用，日本又率先研制成功了反应性高分子化合物，较好地解决了大流动性混凝土坍 落度经时损失大的问题。国际上有代表性的高性能外加剂主要是氨基磺酸盐高效减 水剂、聚羧酸系高效减水剂( 包括烯烃马来酸盐共聚物和聚丙烯酸多元聚合物) 。 我国的混凝土外加剂发展起始于2 0 世纪5 0 年代，当时的主要产品有松香皂类 引气剂、以亚硫酸纸浆废液为原料生产的减水剂、氯盐防冻剂和早强剂等。7 0 年代 和8 0 年代是我国混凝土外加剂科研、生产、应用比较活跃的时期：以煤焦油中各馏 分，尤其是萘及其同系物为主要原材料生产减水剂得到迅速发展；用亚硫酸纸浆废 液提取酒精后，生产木质素磺酸钙，并在土木工程中推广应用；蜜胺磺酸甲醛缩合 物高效减水剂有了一定的发展；其他各类外加剂( 包括复合外加剂) 在建筑工程中 得到应用。9 0 年代以来，我国的混凝土p i - n n 科研、生产、应用有了突飞猛进的发 展，实现了跨越发展，相继研制成功了徐放型反应性高分子p l a n 剂、聚羧酸盐减水 剂、氨基磺酸盐减水剂、脂肪族减水剂等，修订了国家标准和行业标准。同时，由 西安建筑科技大学硕士学位论文 于基建规模扩大和预拌混凝土普及应用，外加剂企业规模和产量也有了质的飞跃。 混凝土外加剂按其主要功能可分为四类：改善混凝土拌和物流变性能和外加剂； 调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂；改善混凝土耐久性的外加剂；改善混凝 土其他性能的外加剂。 混凝土外加剂按其使用效果可分为：减水剂、调凝剂( 又可分缓凝剂、早强剂、 速凝剂等) 、引气剂、加气剂、防水剂、阻锈剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、泵送剂 以及复合剂( 如早强减水剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂等) 。其中，减水剂是用 途最为广泛的外加剂品种，按其化学成分又可分为以下六类：木质素磺酸盐系、磺 化煤焦油系、蜜胺磺酸甲醛缩合物系、糖蜜系、腐殖酸系、复合减水剂及其他。 1 2 2 外加剂在混凝土中的作用 混凝土向轻质高性能发展已成为必然趋势，混凝土发展的历史也证明了这一点： ( 1 9 0 0 年) 低强混凝土l c ( 1 5 m p a ) l 高强混凝：t zh s c ( 5 0 m p a ) 超高强混凝土s h s c ( 1 0 0 m p a )高性能混凝土h p c i 超高性能混凝土u r p c ( 如活性细料混凝土 1 8 0 2 0 0 m p a ) 与此同时，混凝土的施工也由过去的干硬性、低流动性、现场搅拌的普通混凝 土阶段转向集中搅拌、大流动性、泵送施工的高性能混凝土阶段。 混凝土技术的发展在很大程度上取决于混凝土外加剂技术的发展，新型高性能混 凝土的出现，混凝土外加剂功不可没，而混凝土技术发展过程中提出的问题，正是混 凝土外加剂的发展方向“。目前，混凝土外加剂已成为混凝土必不可少的第五组分， 其在水泥混凝土中的作用可从混凝土拌合物和硬化混凝土两方面性能来考虑。 混凝土外加剂在改善混凝土拌合物性能方面的作用主要有： ( 1 ) 在和易性不变条件下减少用水量，或用水量不变条件下大幅度提高和易性； 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 提高拌合物的粘聚性和保水能力； ( 3 ) 减小拌合物坍落度的经时损失； ( 4 ) 延长或缩短拌合物的凝结时间； ( 5 ) 提高拌合物的可泵性，减少泵阻力： ( 6 ) 提高拌合物的含气量： ( 7 ) 减少体积收缩、沉陷或产生微量膨胀： ( 8 ) 提高拌合物的抗堵塞能力，实现自密实； ( 9 ) 降低拌合物液相冰点，使水泥在负温下水化。 混凝土外加剂在改善硬化混凝土性能方面的作用主要有： ( 1 ) 改变混凝土的强度增长规律： ( 2 ) 在水泥用量不变条件下提高混凝土强度，或在混凝土强度不变条件下节约水泥； ( 3 ) 减少水泥水化热，延缓温峰出现时间； ( 4 ) 提高混凝土密实度，提高耐久性； ( 5 ) 增加混凝土含气量，提高耐久性： ( 6 ) 减少混凝土的收缩或产生微量膨胀； ( 7 ) 使混凝土在负温下硬化并在规定时间内达到抗冻临界强度； ( 8 ) 阻止混凝土中钢筋( 或预埋件) 的锈蚀； ( 9 ) 提高混凝土与钢筋的握裹力。 由此可见，化学外加剂的应用可以大幅度减少混凝土的用水量，使低水胶比的 实现成为可能，推动了高强混凝土的发展；同时还改善了混凝土的微观结构，对混 凝土各种性能起到很大的改善作用，从而使混凝土具有了许多优良特性。但是，在 高性能混凝土中应用化学# l , 3 n 剂也带来了一定的负面效应，其中最突出的一点就是 混凝土收缩裂缝出现的几率增多了。1 。收缩是混凝土长期稳定性能的一项重要指标 “1 ，收缩对混凝土结构的变形、裂缝的形成和扩展以及预应力损失具有相当大的影 响，严重时，有可能危及整个结构的安全性。文献。、4 ”显示，在混凝土尤其是高性 能混凝土中，化学外加剂是影响其收缩变形的一个重要因素。 1 3 外加剂对混凝土收缩性能影响的研究现状 1 3 1 混凝土的收缩变形 混凝土的收缩变形是指由于混凝土中所含水分的变化、化学反应以及温度变化 等因素引起的体积缩小。混凝土的收缩可分为浇筑初期的塑性沉降收缩、自收缩、 硬化混凝土的干燥收缩、温度变化引起的收缩变形及碳化收缩变形等。 ( 1 ) 沉降收缩。沉降收缩是指混凝土在浇筑以后，凝结以前，由于混凝土各组分密 度的差异，密度大的颗粒有向下沉降的趋势，而密度小的水则有向表面集中的趋势，如 西安建筑科技大学硕士学位论文 此会造成混凝土的泌水，从而使得硬化混凝土体积减少。沉降收缩是不可避免的，在大 用水量及混凝土拌合物粘聚性不好的情况下，混凝土的沉降收缩相对较大。 ( 2 ) 自生收缩。混凝土的自生收缩是指混凝土在无温度变化、与外界无湿度交 换条件下，由于水泥水化及矿物掺合料的二次水化消耗了体内水分，因自干燥作用 造成毛细孑l 中的水分不饱和，产生压力差，从而使混凝土产生宏观上的体积缩小。 自生收缩也称为“自缩”，自缩在混凝土体内均匀地发生，其发展受到很多因素的 影响，水灰比和龄期是影响混凝土自缩的主要因素。同时，由于自缩和水泥的水化 密切相关，所以混凝土中浆体组成材料的变化( 包括水泥的品种和组成、矿物掺合 料的种类和掺量以及化学外加剂的种类等) 对自缩也有较大的影响。 ( 3 ) 干燥收缩。置于空气中的混凝土因内部水分蒸发散失而引起的体积缩小，称为 混凝土的干燥收缩，简称为“干缩”。严格的说，干缩应为混凝土在干燥条件下的实测 变形扣除相同温度下密封试件的自缩变形。由于测定干缩和自缩的起始时间不同，自缩 一般从混凝土初凝或终凝前即开始测定，而干缩则从成型脱模后才开始测定( 各国规定 的时间不同，我国混凝土试验方法规定为成型后三天) ，所以干缩结果中只包含了一部 分的自缩。考虑到干缩变形与自缩变形对工程的效应是相似的，同时对普通混凝土而言， 由于其自缩相对干缩很小，所以一般不予考虑自缩变形；而对高强高性能混凝土，由于 其水胶比较低，自缩在总收缩中所占的比例相对较大，因此应给于必要的考虑。 ( 4 ) 温度收缩。混凝土因其内部温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩变形， 简称为“冷缩”。水泥的水化热、外界的热源及环境的温度变化是引起温度收缩的 主要原因。当温度在o4 c 以上时，温度的降低将使得混凝土中各组分( 水、凝胶颗 粒以及骨料) 产生收缩，从而使混凝土产生收缩变形。 ( 5 ) 碳化收缩。碳化收缩是指大气中的二氧化碳，在相对湿度合适的条件下， 与混凝土表面上水泥的水化产物发生化学反应产生碳酸钙和游离水等，从而引起的 混凝土收缩。碳化速度取决于混凝土的含水量、周围介质相对湿度和二氧化碳的浓 度等，碳化作用只有在适中的湿度( 约5 0 ) 才会较快的发生。 在以上各种收缩变形中，沉降收缩和碳化收缩一般影响较小，有较大影响的是 自缩、干缩和冷缩。其中冷缩一般对大体积混凝土影响较大，而在一般结构混凝土 中并不明显，通过采取一定的技术措施就能够控制其发展。干缩则是非常重要的， 由于空气本身是不饱和的，所以混凝土自浇注完成后，就会有干缩的发生。而自缩 虽然在普通混凝土中影响较小，但在较小水胶比的高强或高性能混凝土中却有着显 著的影响【”14 j ，即对低水灰比( 水胶比) 的高性能混凝土而言，自收缩和干燥收缩 是影响其结构早期开裂的主要因素。 从收缩的测量方法来讲，自缩是很难测量的。这主要是由于自缩的测量条件很苛 刻“：第一，自缩的测量时间要从混凝土终凝( 甚至初凝) 开始，其开始尉艮难准确控制， 西安建筑科技大学硕士学位论文 而且还要防止模具对自缩的限制；第二，自缩的测量要扣除温度的影响，因此还要测量 温度的变化并加以扣除，如此一方面增加了工作量，另一方面也会带来更多的误差：第 三，自缩的测量要避免水分的散失，对试件进行密封而不带来约束是很困难的。 而干缩相对来讲测量较为方便，同时由于测量方法的原因，干缩结果中也包括 了部分的自缩，这就使得干缩的测量值更接近于混凝土的实际体积变形情况。因此， 通过干缩试验研究混凝土的收缩变形性能具有广泛的实际意义。 1 3 2 外加剂对混凝土收缩性能的影响 影响混凝土收缩变形的因素很多，包括水泥、骨料、化学外加剂、矿物掺合料 以及纤维等水泥基复合材料组成材料的种类和掺量变化、。配合比、周围介质条件、 结构特征等因素对混凝土的收缩变形性能都有影响k 8 1 5 - z 3 。 化学外加剂作为混凝土的第五组分，在混凝土中的应用已经非常广泛，在商品 混凝土中几乎没有不掺加化学外加剂的混凝土存在。文献 4 1 对2 0 世纪9 0 年代以前 国内外有关外加剂对收缩的影响研究进行了总结( 见表1 1 表1 4 ) ，内容包括了 早期使用的木钙、糖蜜、d h 3 等普通减水剂( 减水率在5 1 2 ) 以及减水率大于 1 2 的萘系、磺化三聚氰胺等高效减水剂对混凝土干燥收缩的影响。其研究结果认 为：掺加萘系高效减水剂时，混凝土的收缩略大于基准混凝土；掺加1 o 的磺化三 聚氰胺高效减水剂时，混凝土的干缩比基准的增大1 3 2 5 ：单独使用木钙、糖 蜜和萘系等高效减水剂对坍落度在1 8 2 3 c m 的流态混凝土干缩的影响并不显著， 但是当木钙与f d n 或d h 3 复掺时，会使流态混凝土的干缩有一定的增加，特别在 早期( 2 8 天龄期以前) 干缩增加的趋势更为明显( 见表1 4 ) 。 表1 1 木钙减水剂对混凝土收缩的影响 4 1 水泥使用减水剂水泥用量水灰木钙掺减水坍落度节约水 各龄期收缩( x i o 品种的目的 ( k g m 3 ) 比 量( 呦 率( 脚( c m ) 泥( ) 7 d1 4 d2 8 d6 0 d9 0 d1 8 0 d 基准2 8 00 6 40o3 41 2 01 3 02 7 0 3 7 0 4 4 0 4 8 0 普通 增大坍落度 2 8 00 6 402 501 3 51 1 01 7 02 8 04 3 04 7 0 5 3 0 水泥 减水、降水胶比 2 8 00 5 8o 2 51 04 51 0 01 6 02 8 03 9 04 7 04 9 0 减水、减水泥 2 5 20 6 402 51 05 41 01 0 01 2 0 2 7 03 9 04 2 04 7 0 基准 3 2 005 6005 77 51 5 02 0 03 4 0 3 9 04 3 0 矿渣 增大坍落度3 2 00 5 6o 2 5o1 87 59 02 3 03 8 04 3 0 4 5 0 水泥 减水、降水胶比3 2 00 5o 2 51 067 51 4 02 03 6 04 0 0 4 5 0 减水、减水泥 2 8 805 602 51 02 71 07 71 3 02 1 0 3 6 0 3 8 04 2 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 2 萘系高效减水剂对混凝土收缩的影响【4 】 减水剂水泥用量用水量减水剂掺量减水率 各龄期收缩( 1 0 品种 水灰比 ( k g m )( k g m )( )( ) 2 0 d 3 5 d7 0 d 1 2 5 d 3 7 2 d 0 5 53 5 81 9 706 21 9 53 3 63 5 54 1 5 n n o0 4 83 6 71 7 6o 8l o 75 41 9 63 2 33 5 04 0 5 m fo 4 2 3 7 51 5 7 o _ 82 0 3 8 32 5 93 6 73 9 l4 3 4 表1 3 磺化三聚氰胺高效减水剂对混凝土收缩的影响4 】 减水剂 - 干缩( x 1 0 4 ) 混凝土种类 r 2 s ( m e a ) 掺量( 呦 1 5 d3 0 d 9 0 d 1 5 0 d 3 6 5 d 基准混凝土6 4 91 7 92 0 82 6 03 1 34 1 3 掺高效减水剂混凝土 1 0 6 5 4 2 0 9 2 4 93 2 5 3 7 4 4 8 3 当掺加减水剂用于减少混凝土的用水量或在保持同样水胶比的情况下减少浆 体用量时，有些试验表明掺高效减水剂混凝土的干缩值接近或小于空白混凝土的干 缩值【48 1 ，而掺木钙减水剂则增大干缩值【8 】；而有的文献指出即使减少用水量，保持 坍落度不变，掺加高效减水剂也不会减少混凝土的收缩，反而有进一步增大混凝土 干缩的趋势t 。1 。 而当掺加减水剂用于改善混凝土和易性，增大坍落度时，有些试验表明掺加减 水剂使混凝土收缩值略有增加【7 】。同时试验研究表明，虽然减水剂种类变化对干缩 值的影响不大，但不同减水剂对干缩值的影响仍存在差异 7 1 。 表1 4 减水剂、复合减水剂对混凝土干缩的影响 4 1 各龄期收缩( 1 0 胶凝材用量 用水量 水灰比 坍落度 外加剂及掺量编号 水泥糟煤灰 ( k g m j 、 ( e m ) 3 d7 d1 4 d2 8 d6 0 d9 0 d1 8 0 d ( k g m 3 )( k g t m ) l3 4 05 72 3 0o 5 81 8 不掺 7 21 7 l2 2 6 3 7 3 5 7 45 9 76 9 5 2 3 4 05 72 l o0 5 31 7木钙0 2 5 6 01 5 0 2 1 9 3 5 75 4 46 3 37 l l 33 4 05 72 1 505 51 8 甘蔗糖蜜0 2 8 91 8 l 1 6 4 3 8 15 4 06 0 47 3 9 4 3 4 05 7 2 3 005 8 1 9不掺 8 11 4 22 0 23 2 4 5 4 05 8 76 7 0 5 、： 3 4 0 一+。5 7 、 2 1 00 5 3一1 9 甘蔗耱蜜0 2 9 61 7 22 5 03 6 45 5 3 6 3 37 0 3 6 3 4 05 72 0 0o 5 01 7d h ，0 5 6 61 l ，2 3 33 4 75 6 66 3 2 ，7 1 3 73 4 05 71 9 50 4 9- 1 3f d n0 5 8 71 1 52 3 23 4 95 6 66 3 l7 3 5 a 3 7 35 72 3 00 5 31 9木钙0 2 5 6 01 2 32 9 9 4 2 7 5 5 66 3 27 0 0 木钙0 2 5 b3 4 0 5 7 2 1 00 5 3 2 3 5 51 9 2 3 4 34 5 2 6 0 36 7 97 4 5 f d n 0 6 木钙0 2 5 c 3 4 05 72 1 0o5 32 27 22 2 13 8 25 1 86 4 97 2 87 6 4 d h t0 西安建筑科技大学硕士学位论文 文献【4 j 指出，在水泥用量不变的条件下，随着减水剂、引气剂以及减水、引气 两剂的复合剂的掺入，混凝土水分的蒸发率均为之增加，并在混凝土中产生一定数 量的气泡，从而增加了混凝土的可压缩性。因此，虽然用水量有所减少，但试验结 果表明，由于这些外加剂的掺入，混凝土的干缩都有不同程度的增大。与复合外加 剂相t b ，引气剂降低用水量的效果差而混凝土含气量又大，因此，掺引气剂混凝土 的收缩大于掺复合剂混凝土的收缩。 文献【4 j 还提到，掺加引气剂混凝土的干缩值随引气量的增加而增加，而长期收 缩值在适宜引气剂掺量下与空白混凝土相近或略有增加，不同种类的引气剂对干缩 的影响不同。 此外，掺加氯化钙早强剂会增加混凝土的收缩，并随氯化钙掺量增加而增加； 而掺加三乙醇胺与氯化钠复合早强剂也会增加混凝土干缩值，但增大幅度比单掺氯 化钙早强剂的混凝土要小；适量掺加硫酸钠对混凝土收缩基本无大的影响，而掺入 量过大时则会增加收缩。 文献【”j 认为掺加木钙减水剂即便是降低用水量时也会增加混凝土的干缩，将木 钙与早强剂复合时混凝土的干缩值更大一些，当木钙减水剂用于减少单位水泥用量 是则干缩值较基准混凝土的小。此外，水泥中s 0 3 含量和碱含量也会影响掺木钙减 水剂混凝土的干缩。掺加糖蜜减水剂的混凝土的干缩要高于掺加木钙的混凝土。 文献【1 6 j 对比研究了掺加聚羧酸类高效减水剂和萘系高效减水剂时混凝土的干 缩和净浆的自收缩，结果表明：与萘系高效减水剂增加混凝土干缩不同，聚羧酸高 效减水剂能够降低混凝土的干缩，在通常的掺量下( 减水率为2 0 左右) ，掺聚羧 酸高效减水剂的混凝土6 0 d 干缩值较掺萘系高效减水剂的混凝土约低4 0 ：同时， 对于低水灰比的水泥净浆，掺聚羧酸高效减水剂其自收缩要明显低于掺萘系高效减 水剂，在相同的配比下，9 0 d 约降低了3 0 。这表明新一代的高效减水剂在配制高 抗裂性高性能混凝土上较传统减水剂具有明显的优势。 减缩剂( s r a ) 是近些年来发展起来的一种外加剂，它可以明显降低混凝土的 干缩值，而且能延迟混凝土开裂的时间并减少裂纹的宽度，其减小干缩的原因是其 能明显降低水溶液的表面张力，这已经为多位学者的试验所证实口“2 2 1 。文献1 2 2 1 研 究了减缩剂的加入对不同强度等级的混凝土干缩的影响，结果见表1 5 所示。由表 可见，s r a 可显著的降低混凝土的干缩值，对c 3 0 混凝土，掺量为l 、2 、3 时，2 8 d 分别减缩2 8 2 、5 2 8 、3 6 3 ，6 0 d 分别减缩2 3 、5 1 5 、3 1 o ；对 c 5 0 混凝土和c 8 0 混凝土，当掺量为2 时，混凝土2 8 d 的干缩减少了3 0 4 、4 0 0 ， 6 0 d 分别减少了2 9 o 、4 6 o 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 5 不同强度等级的混凝土干缩与s r a 掺量的关系” 混凝土强度s r a 掺量2 8 d 干缩值6 0 d 干缩值2 8 d 干缩6 0 d 干缩 等级 ( ) ( x 1 0 - 6 )( 1 0 - 6 )减少率( )减少率( ) c 3 0 o 1 9 0 02 5 1 800 c 3 011 3 7 01 9 3 82 8 22 3 o c 3 021 0 2 71 2 2 o5 2 85 1 5 c 3 031 3 0 41 7 3 83 6 63 1 0 c 5 002 1 6 52 7 8 300 c 5 0 21 5 0 61 9 7 43 0 42 9 1 c 8 00 2 0 2 6 2 2 8 400 c 8 02 1 2 1 61 2 3 24 0 04 6 0 文献1 2 5 j 研究了负温环境中外加剂对混凝土收缩性能的影响，认为标准养护下的 混凝土早期收缩增加较快，而掺加有防冻剂的混凝土收缩更大；在后期，防冻剂混 凝土的收缩速率变慢，未掺防冻剂混凝土的收缩率逐渐赶上并超过防冻剂混凝土， 但二者的差别不大。 此外，在外加剂影响混凝土收缩的研究试验中，不同学者所采用的研究方法和 测试手段也存在一定的差异，因此对试验结果也有一定的影响。如s h a l s a y e d 的 研究指出【2 6 】：超塑化剂( 塑化剂) 和( 或) 细掺和料的加入对混凝土的收缩有一定 影响。他认为由于减水剂的加入，使混凝土内部结构更加均匀，干缩发展更加迅速， 从而使干缩引起的内部拉应力迅速增加，导致混凝土微裂纹增加，容易发展成为裂 纹。而m n h a q u e l 2 7 1 则对s h a l s a y e d 的研究方法有一定的异议，他指出在测量化 学外加剂和矿物掺合料对混凝土干缩的影响时，应该保持相同的单位体积用水量和 浆体体积含量。 1 4 外加剂影响混凝土收缩研究中存在的问题 从上述外加剂影响混凝土收缩的研究结果可见，当前的研究存在以下不足： ( 1 ) 在研究化学外加剂对混凝土收缩的影响时，由于化学外加剂本身材料品质 的差异以及研究方法的差异，造成了化学外加剂对干缩性能影响的研究结果比较混 乱；而且劣质化学外加剂对混凝土性能的影响已经到了必须重视的地步1 2 8 】。因此有 必要探讨一种能够真实反映化学外加剂影响混凝土收缩性能的试验方法，以评判其 对收缩性能的影响，从而为优选化学夕l - ；b n 剂提供依据。 ( 2 ) 目前对混凝土中应用的普通减水剂影响收缩性能的研究较多，而对于工程中 已经应用越来越多的新型高性能外加剂影响高性能混凝土收缩性能的研究比较欠缺。 ( 3 ) 化学外加剂和矿物掺合料的复合化已经成为不可避免的趋势，但对于化学 外加剂和矿物掺合料复合掺加时对收缩性能影响的研究非常缺乏，单掺和复掺之间 的关系也不明确。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 5 本课题主要研究的内容 在众多品种的混凝土化学外加剂中，减水剂是混凝上实际工程中应用最为广泛 的一类# l - j 3 n 剂，目前对减水剂的品质检验，相对收缩率比是形式检验必须要求的一 项指标，其检验的方法就是保持混凝土水泥用量和坍落度不变，比较掺加外加剂的 混凝土和不掺外加剂的基准混凝土收缩值的比率。 一般而言，减水剂在混凝土配制过程中的作用有三种：一是在不改变混凝土配 合比的情况下显著增加混凝土的坍落度，改善混凝土的和易性；二是在保持相同的 坍落度和单方水泥用量的情况下，减小用水量，降低水灰比，提高混凝土的强度和 耐久性：三是在水灰比和强度不变的情况下降低用水量，从而节约水泥。 正因为存在着减水剂使用情况的种种不同，因而不能简单的概括出减水剂对混 凝土收缩性能的影响规律；此外，目前对于新型高效减水剂影响低水灰比( 水胶比) 高性能混凝土收缩性能的研究较少。因此，本课题选用实际工程中应用较为广泛的 萘系以及高性能的聚羧酸系和氨基磺酸系等几类高效减水剂作为试验对象，研究分 析了高效减水剂对低水灰比( 水胶比) 胶砂和混凝土收缩性能的影响作用规律。 本文主要研究内容简述如下： ( 1 ) 多因素作用下胶砂收缩性能的试验研究； ( 2 ) 单掺时高效减水剂对胶砂收缩性能影响的试验研究； ( 3 ) 双掺时高效减水剂对胶砂收缩性能影响的试验研究； ( 4 ) 高效减水剂对高性能混凝土收缩性能影响的试验研究。 o 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 多因素作用下胶砂收缩性能的试验研究 2 1 栩述 无论是混凝土，还是砂浆，都是一种水泥基复合材料，影响其收缩性能的主要 因素在于水泥浆体( 水泥、化学外加剂、矿物掺合料和水的复合体) 的组成，当水 泥浆体的组成相同时，混凝土和砂浆的收缩性能指标应具有一定的关系。美国标准 a s t mc5 9 6 8 9 。1 中指出：当采用相同的水泥和暴露在相同的干燥条件下时，采用 本方法测定的砂浆的干缩值和混凝土的干缩呈线性关系；我国学者的试验b 0 3 也证明 水泥砂浆与混凝土的干缩率具有相关性，可以采用砂浆干缩试验结果定性分析混凝 土的干缩性能。因此，本文首先采用胶砂进行胶凝体系试验研究。 如前所述，影响混凝土收缩变形的因素很多，包括水泥、骨料、化学外加剂、矿 物掺合料等水泥基复合材料组成材料的种类和掺量变化、配合比以及周围介质条件 等。本章试验研究分析配合比( 水胶比和胶砂比) 、养护制度及试件规格等因素对 胶砂收缩变形性能的影响。 2 。2 试验原材料及方法 2 2 1 试验原材料 水泥采用陕西耀县水泥厂生产的秦蛉牌e 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥。水泥的密度 为3 1 0g c m 3 ，比表面积为3 8 0m 2 k g 。水泥的化学成分和物理性能分别见表2 1 和 表2 2 ； 水使用自来水； 砂使用符合g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 的i s o 标准砂，密度为2 6 2 9 e r a 3 ； 矿物掺合料选用陕西灞桥热电厂产i 级粉煤灰和攀钢水淬磨细矿渣，其中：粉 煤灰含水量为0 1 7 ，密度为2 2 0 9 e r a 3 ，需水量比为9 3 ，4 5 9 m 方孔筛筛余为9 6 ； 矿渣密度为2 9 0 9 c m 3 ，比表面积为4 5 0 m 2 瓜g ，需水量比为9 5 。矿物掺合料的化 学成分见表2 1 。 表2 1 水泥和矿物掺合料的化学成分 成分( ) s i 0 2a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a o m g o l v l n o t i 0 2s 0 3 烧失量 水泥2 l 4 46 2 2 3 4 7 5 9 22 7 0 o 8 2 2 6 21 6 8 粉煤灰5 0 6 83 0 7 86 5 03 4 01 7 3 1 7 8 0 3 04 3 7 矿渣3 4 6 41 70 21 3 33 2 8 41 1 0 70 9 1 1 5 6 02 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 2 水泥的物理性能 凝结时间( 小时：分钟)抗压强度( m p a )抗折强度( m p a ) 技术指标 初凝终凝3 天2 8 天3 天2 8 天 测量值1 ：4 52 ：3 02 8 14 4 56 07 8 高效减水剂选用氨基磺酸盐高效减水剂、聚羧酸盐高效减水剂以及目前应用最 广泛的萘磺酸盐高效减水剂，其各自型号和性能指标见表2 3 所示。 表2 3 高效减水剂种类和性能 编 型号生产厂家类型状态 n a 2 s 0 4推荐掺量虽佳掺量减水率 号( )( c )( c x )( ) h j i ，n f 2 山西黄河新萘磺酸 m 1 粉剂 o 5 0 5 1 o l _ o 2 3 6 a 型化工盐系 中国建研院聚羧酸 m 2 c a b r水剂0 21 o 1 2l _ l2 8 5 建材所系 氨基磺 m 3a s p l 陕西恒升水剂 1 o 1 21 23 0 酸系 陕棉化纤有萘磺酸 m 4t h s - l 粉剂 0 4o 5 1 o1 01 8 6 限公司 盐系 2 2 2 干缩试验方法 z 2 2 1 不同国家采用的干缩试验方法 各国测定干缩的试验方法基本相同，即定期测量放置在特定温湿度条件