摘 要: 在总结已有文献资料的基础之上,结合部分试验研究结果,讨论了常用的几类减水剂对水泥混凝土收缩及自收缩的影响。
关键词: 减水剂;干缩;自收缩;机理
中图分类号: TV42 + 4 文献标识码: A 文章编号:1006 - 3951 (2007) 02 - 0063 - 04
1 前言
经历了从钢筋混凝土到预应力混凝土直至现今的高性能混凝土100 多年的发展历程,当代混凝土正向着更高强、高流动性、高耐久性的方向发展。混凝土外加剂不但可使混凝土多种性能得到改善,而且促进了混凝土新技术的发展和工业废渣的有效利用。日本、北欧、美国等发达国家已基本上在所有混凝土中掺用了外加剂,而我国目前在混凝土中使用外加剂还不是很普遍,每年水泥年产量已超过了6亿吨,但掺外加剂的混凝土仅占30 %左右。混凝土外加剂在混凝土中的广泛应用,已使其成为混凝土尤其是高性能混凝土中必不可少的第五组份。多功能的外加剂已经成为当代高性能混凝土技术的核心之一,其品种及功能的发展也日新月异,这些新品种的外加剂对混凝土收缩的影响到底如何,已成为人们普遍关注的一个重要问题。随着混凝土向高强高性能方向发展,要求混凝土具有很好的耐久性。提高混凝土耐久性的关键之一是降低水胶比,提高混凝土的密实性。这就要求减水剂的减水率高,并使混凝土具有很好的工作性。经过近半个世纪的发展,减水剂经历了由木质磺酸盐系、糖蜜减水剂→萘磺酸盐甲醛缩合物减水剂、磺化三聚氰胺甲醛减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂→聚羧酸高效减水剂几代产品的发展;其发展趋势为从低减水率(10 %左右) 到高减水率(20 %左右) 直至超高减水率(30 %左右) 。
本文在结合已有的文献资料基础之上,结合部分新型的外加剂试验研究结果,讨论了常用的几类减水剂对于水泥混凝土收缩变形的影响规律。
2 减水剂对水泥混凝土收缩性能的影响
文献〔2〕对20 世纪90 年代以前国内外有关外加剂对混凝土收缩的影响研究进行了总结(见表1～表4) ,它介绍了早期使用的木钙、糖蜜类(减水率在5 %～12 %) 普通减水剂,以及减水率大于12 %的萘系高效减水剂对混凝土干燥收缩的影响,其研究结果认为木钙类减水剂在增加坍落度的情况下会增加混凝土的干缩,而减水、减水泥的情况下则与基准混凝土相差不大(见表1) 。掺萘系高效减水剂的混凝土的收缩略大于基准混凝土(见表2) ,当高效减水剂掺量达到1. 0 %时,掺高效减水剂的混凝土干缩比不掺的增大13 %～25 %(见表3) 。单独掺用木钙、糖蜜和萘系高效减水剂对坍落度在18～23 cm的流态混凝土干缩的影响并不显著(见表4) ,但是当木钙与FDN 复掺时,会使流态混凝土的干缩有一定的增加(见表4) 。
文献〔3〕认为掺木钙减水剂即便是降低用水量也仍然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时则干缩值较基准混凝土小,此外,水泥中SO3 含量和碱含量也会影响掺木钙减水剂混凝土的干缩。掺糖蜜减水剂的混凝土干缩要高于掺木钙的混凝土。
江苏建筑科学研究院有限公司〔4〕对比研究了掺聚羧酸类外加剂和萘系高效减水剂的混凝土的干燥收缩和净浆的自收缩,试验结果如图1、图2 所示。图1 (a) 的试验结果表明,与萘系高效减水剂增加混凝土干燥收缩和自收缩不同,掺聚羧酸类减水剂的混凝土干缩值低于基准混凝土,在通常的掺量下(减水率在20 %左右) ,掺聚羧酸外加剂的混凝土60d 干缩值较掺萘系高效减水剂的混凝土约低40 %。图1(b) 的试验结果表明,对于低水胶比的水泥浆体,掺聚羧酸减水剂其自收缩要明显低于掺萘系减水剂的情况,在相同的配比下90 d 约降低了30 %。这表明这种新一代的高效减水剂在配制高抗裂性能混凝土上较传统减水剂具有明显优势。FDN 的掺量对净浆自收缩的影响结果如图2 所示,自收缩随着FDN 掺量的提高而明显增大,目前国内工程和研究中普遍采用萘系高效减水剂,为了配制低水胶比的高性能水泥基材料,增加萘系外加剂的掺量来降低水胶比往往是最常用的手段,这也是导致低水胶比水泥基材料自收缩大的原因之一,往往增加FDN 的掺量,对混凝土抵抗收缩开裂带来不利的影响。
3 减水剂对于收缩变形的影响机理讨论
在混凝土配制过程中使用减水剂通常具有以下三种情况,一是在不改变混凝土配合比的情况下显著增加混凝土坍落度,改善混凝土的和易性;二是在维持相同的坍落度和单方水泥用量的情况下,减小用水量,降低水胶比,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。正因存在着以上使用情况的种种区别,不能简单地概括出外加剂对混凝土收缩性能的影响规律。一般而言,掺用化学外加剂会使混凝土收缩有不同程度的增大。在减水剂品质检验中,相对收缩率比是型式检验必须要求的指标,其检验的方法与减水、降水灰比情况相同,即保持混凝土水泥用量和坍落度不变,比较掺外加剂混凝土和不掺外加剂的基准混凝土收缩值的比率,GB8076 - 1997 及ASTMC494 混凝土化学外加剂标准均要求相对收缩率比不大于135 %。
对于水胶比约大于0. 40 的普通混凝土,降低用水量可以明显地减小干燥收缩,由于这样的混凝土干缩占据了总的收缩值的绝大部分,因此使用高效减水剂有可能降低混凝土的收缩。文献〔5〕研究表明减少18 %的水分,会使干燥收缩率下降12 %。然而对于目前广泛使用的低水胶比高性能混凝土,由于自收缩已经不容忽视,降低用水量则可能使得混凝土内部自干燥加重,从而增加自收缩,因此对总的收缩影响更为复杂。
除了在减水率上面存在的区别影响混凝土的用水量,进而影响混凝土收缩之外,化学外加剂的品种及掺量本身还会影响混凝土内部孔溶液的碱金属盐浓度及表面张力。基于毛细管张力机理的研究认为,这对于收缩尤其是自收缩也有着较大的影响。相关研究结果的报道还很少。Jensen & Hensen1996 , Bentz et al 2001〔6〕的试验研究表明,水泥浆拌合开始的初始相对湿度只有98 %而非100 % ,他们认为这种相对湿度的下降可以归结于孔溶液中碱金属离子的溶解。而溶解的碱金属离子除了由水泥带入外,外加剂的贡献也不容忽视。根据Raoult 方程,由于盐溶解而引起相对湿度的下降可以表示为:
式中: Xl 为水在溶液中的摩尔分数; pg 为气体压力;psat为饱和分压。
由于干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生压力差:
式中:ΔP 为毛细孔水内外压力差;σ为毛细孔水表面张力;α为水和毛细孔孔壁的接触角; r 为毛细孔水力半径。压力差ΔP 为负值,是引起混凝土自干燥收缩的直接原因。由式(2) 可见表面张力的降低可以减小混凝土的自干燥收缩和干燥收缩,影响表面张力的外加剂也会影响收缩。
几种主要的高效减水剂的碱含量和表面张力的试验结果见表5。
注:表面张力是将外加剂根据掺量配成20 ℃相应的水溶液测定的。
由表5 可见:在常规掺量下(即都达到20 %左右的减水率时) ,作为表面活性剂范畴的几种高效减水剂均不同程度地降低了溶液的表面张力,但具有明显区别。聚羧酸系高效减水剂溶液表面张力最低,氨基磺酸盐减水剂次之,而掺FDN 溶液的表面张力最高,只是略低于纯水的表面张力。聚羧酸系高效减水剂的碱含量最低,而氨基磺酸盐减水剂的碱含量与高浓型FDN 接近,由于其减水率较高,因此掺入混凝土中达到相同减水率时的碱含量可较FDN 低。FDN 的碱含量在这三种外加剂里面相对最高,尤其是目前低浓型的FDN 仍然占据着市场的相当份额,其碱含量更加难以控制。
4 结语
常用的木钙、糖蜜以及萘系高效减水剂虽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缩,其中FDN 增加收缩相对其他几种减水剂最为明显,其次是木钙和糖蜜类减水剂。而作为新一代的聚羧酸高效减水剂,其碱含量和表面张力均较其他几种高效减水剂具有明显优势,在常规的掺量范围内不仅可以起到减水增强的效果,而且也未增加收缩,甚至还有降低收缩的作用。三峡地下厂房岩锚梁、江苏南充体育会展中心地下环梁、南京国际展览中心主展厅楼面等混凝土工程的施工均采用新一代的聚羧酸高效减水剂。实践证明:聚羧酸对降低混凝土收缩的作用是明显的。
三峡地下厂房岩锚梁到目前为止,仅发现6 条细微的裂缝,并且裂缝的最大长度和宽度分别只有2．8 mm及0．8 mm。南充体育会展中心的地下环梁视为最困难的大体积混凝土,无论截面尺寸还是周长,与国内同类工程相比,均属国内之最。南京国际展览厅大楼面积为243 m ×111．5 m ,均未设温度缝。其施工结果均较为满意。计、钢筋计、测缝针为- 25 ℃、0 ℃、30 ℃、60 ℃,行业标准对上述仪器的温度分档为0 ℃、20 ℃、40 ℃及60 ℃。而国标和行业标准对温度计及渗压计的温度分档相同。
3．3 防水性能和温度绝缘检验比较
仪器的绝缘电阻直接影响仪器测值的准确性和使用的耐久性。GB3408 - 1994～ GB3413 - 1994 对差动电阻式仪器规定使用100 V 直流兆欧表测试且其绝缘电阻应大于50 MΩ ,而DLPT5178 - 2003 规定使用500 V 直流兆欧表测试且其温度绝缘电阻虽与国标相同,但其防水性能的绝缘电阻要求为大于200 MΩ ,远远高于国标的要求。
4 对规范的认识
4. 1 GBPT13606 - 1992 的使用范围
许多钢弦式仪器检验率定时都用GBPT13606 -1992 ,该标准的适用范围为岩土工程用钢弦式压力传感器,仅指压力传感器,并不包括测量位移、应力应变等仪器,在检验率定非压力传感器时只能是参照本标准,并不完全适用本标准。
4. 2 GBPT13606 - 1992 对仪器防水密封性要求偏低
GBPT13606 - 1992 对钢弦式仪器防水密封性的规定是:钢弦式仪器在1. 2 倍的额定水压力下持续6 h ,测试其频率,频率应无变化,规范并没有规定对绝缘电阻的要求。事实上这样的规定偏低,实践表明,在仪器率定过程中即使仪器的绝缘电阻很小甚至为0 时,测试其频率暂时也不受影响,但长远来说耐久性受影响。基康北京公司生产的钢弦式仪器主要用于国内水电工程,是国内近几年应用较多的钢弦式仪器,质量相对比较稳定,但是该产品通常的报价没有防水性能要求,如需要防水性能的仪器,要特别说明要求并增加仪器价格。按照水利水电行业规范,仪器在0. 5 MPa 水压力下的绝缘电阻是必须检验的,因此它显然不满足规范DLPT5178 - 2003 对仪器的基本要求。另外许多工地由于条件的限制并不进行防水性能的检验。可以理解为GBPT13606 -1992 标准的适用范围为岩土工程用钢弦式压力传感器,其在埋设后使用条件稳定,未考虑电气绝缘条件变化下的使用。
4. 3 水电行业对仪器防水性能的要求提高
DLPT5178 - 2003 中,绝缘电阻检验设备从100 V直流兆欧表改为500 V 直流兆欧表,对仪器的绝缘电阻要求更高了。
5 结语
监测仪器在安装埋设前必须进行检验率定,以确保在工程中使用合格的仪器。由于不同规范的规定有差异,因此应针对各种仪器的适用条件和工程特点选用合适的规范,在检验率定中按照规范的要求进行检验率定。不同规范对技术指标的限差要求有所不同,但是技术指标的名称应该统一,建议在以后规范修订中统一技术指标的名称。
