聚羧酸系高效减水剂对砂浆自收缩和干燥收缩的影响

聚羧酸系高效减水剂对砂浆自收缩和干燥收缩的影响

高效减水剂对混凝土开裂性能的影响自1935年以木质素磺酸盐为主要成分的塑化剂诞生以来，减少水剂在水泥基材料中得到了广泛应用。高效减水剂具有较高减水率，可以大幅度降低混凝土用水量，降低水灰比，提高混凝土强度；水灰比一定时，能较好保持混凝土的塌落度，大大改善新拌混凝土的流动性等，是制备高强、高性能混凝土必不可少的组分，称为混凝土的第五组分。但高效减水剂应用在高性能混凝土中也存在一定的负面效应，如对混凝土收缩开裂性能的影响。近年来，针对高效减水剂对水泥基材料收缩开裂及其开裂敏感性影响的研究已有一些报道，但部分结论尚有一定分歧。不同类型减水剂或同类型但不同厂家生产的高效减水剂对砂浆的干燥收缩性能有不同的影响，对混凝土开裂性能的影响也不尽相同。邓义群研究发现，减水剂使水泥净浆早期自收缩增大，水泥水化初期，水泥石的自收缩随着减水剂掺量的增加而降低，而随着水化的不断进行，自收缩随着减水剂掺量增加而增大。杨利民指出，聚羧酸系高效减水剂并不能显著增加收缩，甚至有降低收缩的作用，以最佳掺量掺入高效减水剂时，胶凝体系的收缩变形相对较小。本文主要探讨了高效减水剂种类以及在同水灰比和同流动度两种情况下聚羧酸高效减水剂掺量对砂浆自收缩和干燥收缩的影响。1原材料和试验方法1.1试验材料(1）水泥河南开封孟电水泥厂生产的P.O42.5水泥，其化学成分见表1，物理力学性能见表2。(2）脂肪族减水剂最佳掺量是2.聚羧酸系高效减水剂固含量为20%，推荐掺量为胶凝材料用量的0.5%～1.5%，最佳掺量为1.2%；脂肪族减水剂固含量为40%，推荐掺量为胶凝材料用量的1%～2%，最佳掺量为1.8%；粉状萘系减水剂推荐掺量为胶凝材料用量的0.5%～1.5%，最佳掺量为1.2%。(3）阿尔沙姆厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。(4）水郑州市自来水。1.2砂浆结构及布置为避免骨料种类变化引起收缩率的波动，试验采用ISO标准砂配制的砂浆来测定砂浆的自收缩和干燥收缩。试验固定砂浆的胶凝材料总用量和胶砂比，共设计了10组砂浆。其中，M1为未掺减水剂的基准砂浆；在保持砂浆配合比不变和砂浆流动度在230mm±30mm范围内的情况下，设计了分别掺萘系、脂肪族和聚羧酸三种高效减水剂的M2～M4三组砂浆；在保持砂浆水灰比不变和砂浆流动度（230mm±30mm）不变两种情况下，设计了不同聚羧酸系高效减水剂掺量的M4～M10七组砂浆。所有砂浆的配合比和胶砂流动度见表3。1.3外加剂用量的确定采用40mm×40mm×160mm三联试模成型试样，同一配比干缩试样和自收缩试样同时成型。胶砂入模前，在模具内壁均匀地涂上一薄层脱模剂，并在试模两端预留孔处装好铜测头。砂浆入模后用振捣器人工捣实，抹平表面后依次以塑料薄膜、湿布覆盖，以防水分散失。试样在标准恒温恒湿养护箱内养护24h后脱模。自收缩试样脱模后测定初始长度l0后，依次用塑料薄膜和胶带密封完好并置于温度为（20±2）℃，湿度大于90%RH的标准恒温恒湿养护箱内养护。在各龄期测量试件的长度lt，自收缩测试终龄期为7d。龄期0～12h内，每3h测读一次；龄期12h～72h内，每12h测读一次；72h～168h内，每24h测读一次。干燥收缩试样脱模后置于20℃的水中标准养护2d。取出试样，将试件表面擦拭干净并测量初长l0后移入温度为（20±3）℃、相对湿度为（50±4）%的养护室中养护，在各龄期测量试件的长度lt。测定1d、3d、7d、14d、21d和28d龄期的干缩率，并以28天龄期的干缩率来表征外加剂对干缩的影响。砂浆收缩率按下式（1）计算：式中：l0为初始测量长度，mm;lt为某龄期的测量长度，mm;l为试件有效长度，mm。2结果与讨论2.1同水灰比、聚羧酸系减水剂对砂浆干燥收缩的影响图1和图2分别是同水灰比、同流动度时，不同品种的高效减水剂对砂浆自收缩和干燥收缩的影响情况。由图1可知，在同水灰比、同流动度下，掺不同高效减水剂的砂浆自收缩值由大到小的顺序为：萘系减水剂>脂肪族减水剂>聚羧酸减水剂。使用聚羧酸减水剂的M4砂浆的24h、3d、7d自收缩率分别为使用萘系高效减水剂的M2砂浆的64.0%、68.2%、73.4%，为脂肪族减水剂M3砂浆的78.0%、76.1%、77.5%。邓义群认为，掺入减水剂会降低水泥浆体的水化程度，使砂浆的早期抵抗收缩变形能力降低，同时掺入减水剂会使浆体毛细孔细化，孔径小于50nm的孔体积增加，毛细孔负压增加，自收缩增加。由此可以推断，掺不同高效减水剂的砂浆自收缩差异可能与体系的水化程度和细孔（<50nm）孔体积含量有关。由图2可知，在同水灰比同流动度下，掺脂肪族减水剂砂浆各龄期的干燥收缩值略低于掺萘系减水剂砂浆，而掺聚羧酸减水剂砂浆的各龄期干燥收缩值显著低于掺萘系和脂肪族减水剂砂浆。使用聚羧酸减水剂的M4砂浆28d干燥收缩率为492μm/m，与萘系减水剂（749μm/m）和脂肪族减水剂（723μm/m）相比，28d干燥收缩率分别降低34.2%和32.0%。可见，在同水灰比（0.42）、同流动度（230±30mm）下，与萘系减水剂和脂肪族减水剂相比，聚羧酸减水剂能降低砂浆的自收缩和干燥收缩。因此，在实际工程应用中，与其他几类减水剂相比，选择聚羧酸系高效减水剂可以有效降低砂浆的自收缩和干燥收缩。相对于萘系和脂肪族减水剂而言，聚羧酸系高效减水剂的表面张力较低，根据毛细孔张力学说可知，孔溶液表面张力降低，毛细孔负压降低，混凝土收缩降低。文献认为，水泥基材料的干燥收缩与毛细孔负压造成的收缩应力和水泥颗粒水化形成的水化物结构内聚力有关。减水剂掺入细化孔径，增大干缩；与萘系和脂肪族减水剂相比，聚羧酸系减水剂因静电斥力作用和空间位阻效应使水泥颗粒分散性较好，水泥颗粒的水化速率相对有大幅提高，使硬化体结构能够抵消一部分收缩应力。同时，聚羧酸系减水剂具有相对较低的表面张力，产生的毛细孔负压也相对较低。因此，相对于其他高效减水剂，聚羧酸系减水剂对干燥收缩具有一定的抑制作用。2.2聚羧酸系减水剂对自收缩和干燥收缩的影响图3和图4分别是同水灰比（0.42）下聚羧酸系减水剂在0.6%～1.5%掺量范围，砂浆自收缩和干燥收缩随掺量的变化情况。由图3可知，与空白砂浆相比，聚羧酸系减水剂在0.6%～1.5%掺量范围内，砂浆自收缩有不同程度的增加。不同聚羧酸系减水剂掺量的砂浆24h、3d、7d自收缩分别约为空白砂浆的110%、115%和120%。由图4可知，在0.6%～1.5%掺量范围，砂浆自收缩随聚羧酸系减水剂掺量增加并没有显著变化，砂浆3d、7d自收缩分别在110μm/m和145μm/m左右波动。相较而言，聚羧酸系减水剂在最佳掺量1.2%时，砂浆自收缩最小。从图4可知，聚羧酸系减水剂在0.6%～1.5%掺量范围，砂浆干燥收缩值大于空白砂浆，且砂浆干燥收缩值随聚羧酸系减水剂掺量增加而增加。掺0.6%～1.5%聚羧酸系减水剂的砂浆28d干燥收缩分别比空白砂浆增加5.6%～11.4%。综上所述，与空白砂浆相比，聚羧酸系减水剂增大砂浆自收缩和干燥收缩；同水灰比（0.42）下，聚羧酸系减水剂在0.6%～1.5%掺量范围，砂浆自收缩随掺量增加没有显著变化，砂浆干燥收缩随掺量增加而增大。在同水灰比下，聚羧酸系减水剂的掺入提高了水泥颗粒间的分散度，增加了游离水含量，使水泥石内部形成大量连通孔道，自由水的蒸发速率增加，毛细孔负压增加，水泥石收缩增加。2.3同流动度对砂浆干燥收缩的影响在同流动度下，聚羧酸系减水剂掺量在0.6%～1.5%（w/c=0.50～0.40）范围，砂浆的自收缩和干燥收缩试验结果分别见图5和图6。从图5可知，在同流动度下，聚羧酸系减水剂掺量在0.6%～1.5%范围，砂浆自收缩随掺量增加而增加。聚羧酸系减水剂掺量为0.6%～1.5%砂浆7d自收缩值分别为113μm/m、131μm/m、141μm/m、146μm/m。从图6可知，在同流动度下，聚羧酸系减水剂掺量在0.6%～1.5%范围，砂浆干燥收缩值随掺量增加而减小。聚羧酸系减水剂掺量为0.6%～1.5%砂浆28d干缩率分别为462μm/m、474μm/m、492μm/m、500μm/m。综上所述，在同流动度下，聚羧酸系减水剂掺量在0.6%～1.5%（w/c=0.50～0.40）范围，砂浆自收缩随掺量增加而增加，而干燥收缩随掺量增加而减小。同流动度下，聚羧酸系减水剂掺量的改变会导致体系水灰比发生改变。聚羧酸系减水剂掺量增加，体系水灰比降低，导致体系自干燥现象随水泥粒子水化而增加，自收缩增加；同时，水灰比降低使体系向外界环境蒸发的自由水量降低，干燥收缩降低。聚羧酸系减水剂对砂浆收缩的影响(1）同水灰比、同流动度下，萘系和