混凝土减缩剂抗裂性能研究

孙立萍，吴叶

（1.江苏省建筑材料研究设计院有限公司，江苏 南京 210009；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098）

混凝土减缩剂抗裂性能研究

孙立萍1，吴叶2

（1.江苏省建筑材料研究设计院有限公司，江苏 南京 210009；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098）

为推广应用混凝土减缩剂，通过测定掺减缩剂砂浆的干燥收缩、圆环开裂性能和掺减缩剂的混凝土平板抗裂性能，评价了JG-SRA混凝土减缩剂的抗裂性能，并通过测定掺减缩剂的模拟水泥石孔溶液的表面张力，分析了减缩剂的作用机理。结果表明，JG-SRA的砂浆减缩率大于35%，圆环开裂时间比基准砂浆推迟34 h，混凝土裂缝控制率大于50%。减缩剂通过降低水泥石孔溶液表面张力，提高内部相对湿度，减少水分蒸发，有效地提高了混凝土体积稳定性。

混凝土；减缩剂；收缩；抗裂

0 引言

混凝土作为重要的结构材料，其体积稳定性受到工程界的普遍关注。由于混凝土自浇筑后，受塑性收缩、温度收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩作用[1-3]，易导致早期开裂和混凝土耐久性问题。通常，降低混凝土收缩的主要控制技术途径有：加强早期湿养护、掺膨胀剂补偿收缩、掺聚丙烯纤维等抗裂纤维等[4]。但是，掺膨胀剂的混凝土在养护不良及水灰比较低的情况下，膨胀补偿效果会受到影响，并且存在混凝土后期收缩增加的问题。化学纤维可在一定程度上缓解混凝土塑性开裂，且由于其对塑性抗裂的贡献，对提高混凝土的长期体积稳定性具有一定的作用，但在纤维分散不均匀时，也会引起混凝土质量问题。减缩剂、减缩型减水剂的发明及其在混凝土中的应用，提供了混凝土减缩抗裂有效的技术途径[5]。本文对掺减缩剂的水泥砂浆和混凝土性能进行评价，并研究减缩剂作用机理，为推广应用混凝土减缩剂提供理论依据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

减缩剂：JG-SRA型混凝土减缩剂，掺量1%。

水泥：中国海螺P.II 42.5级水泥。

砂：细度模数2.62的中砂。

石子：5～20 mm连续级配石灰石碎石。

水：自来水、去离子水。

模拟孔溶液的配制：首先用去离子水配制20%KOH的溶液，再向盛有500 mL去离子水的烧杯中滴加20%KOH的溶液，控制pH=12.5。

1.2 试验方法

1.2.1 砂浆干燥收缩试验

水泥砂浆干燥收缩试验参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行，试件尺寸为40 mm× 40 mm×160 mm，养护温度20～22℃，相对湿度（60±5）%。分别测定3 d、7 d、28 d的收缩率，测定的龄期从放入干缩实验室时算起。砂浆流动度控制在130～140 mm。

1.2.2 砂浆圆环开裂试验

参照ASTM C1581M-09a规定的试验方法，进行砂浆抗裂试验（图1）。试验时，将成型好的砂浆试样入模，在标准条件下养护24 h后拆模，在温度为20℃、湿度为60%的干空室中养护，定期测量初裂和最大裂缝宽度。

图1 砂浆圆环

1.2.3 混凝土平板抗裂试验

基准混凝土与受检混凝土的配合比参照GB8706《混凝土外加剂》的规定，平板抗裂的试验装置（图2）、试件尺寸以及试验步骤按照GB/ T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》的规定进行。试验时，将成型好的试样立刻移至室温23～26℃、风速为3～4 m/s的风扇下，仔细观察试件的表面，记录裂缝出现的时间。每一试件测量过程为24 h，最初4 h内每5 min测量一次，其后每隔1 h测量一次。采用裂缝面积和最大裂缝开裂宽度作为评价指标。裂缝控制率K=100(1-m/ m0)%，其中m为受检混凝土的开裂面积,m0为基准混凝土的开裂面积。

图2 混凝土平板试模

1.2.4 表面张力测定

将JG-SRA加入模拟孔溶液中，制得具有不同减缩剂浓度的模拟孔溶液，用BZY型自动表面张力仪测试其表面张力。

2 试验结果与分析

2.1 减缩剂的减缩性能

图3是掺减水剂砂浆及基准砂浆收缩率随龄期的变化。结果表明，在水化初期和早期，由于砂浆中水泥的早期的水化程度较低，内部相对湿度较高，龄期7 d前，两种砂浆的干燥收缩几乎相同；但在7 d后，由于减缩剂的减蒸作用，受检砂浆的收缩明显下降，龄期14 d和28 d的减缩率分别达到36.3%和38.4%。

图3 砂浆收缩率随龄期的变化

与混凝土膨胀剂相比，掺用减缩剂的明显优势在于不受施工环境影响，即使在干燥环境下也能降低砂浆和混凝土的干燥收缩，适合于在干燥环境下的混凝土和砂浆工程如路面、堆场、码头、混凝土大坝下游面等暴露面大的混凝土工程。在实际应用中，除了可以在拌混凝土时掺入，减少混凝土收缩开裂，还可直接涂刷在混凝土表面，起保水养护的作用。随着对混凝土减缩剂研究的深入以及其性能的提高，在人们日益关注混凝土的体积稳定性和耐久性的今天，减缩剂作为一种能减少收缩开裂、提高混凝土体积稳定性和耐久性的功能外加剂，具有广阔的应用前景。

2.2 减缩剂的抗裂性能

表1是受检砂浆和基准砂浆圆环初裂时间及14 d裂缝宽度，掺减缩剂的砂浆初裂时间比基准砂浆推迟了34 h，14 d的裂缝宽度降低了29.4%，充分说明了减缩剂提高水泥基材料抗裂性能的有效性。

表1 砂浆圆环初裂时间及14 d裂缝宽度

表2列示了混凝土平板试验结果，掺用减缩剂可使混凝土裂缝总指数减少101.5，裂缝控制率为52.1%，表明减缩剂对控制混凝土塑性开裂具有重要的作用。通常情况下，混凝土表面裂缝细小，甚至在后期可自愈合，且裂缝宽度小于一定值时从结构设计角度也是可以接受的；但表面裂缝不仅影响建筑物的观感，而且可成为侵蚀介质的通道，使有害气体或离子更容易侵入到钢筋表面，导致钢筋锈蚀、水泥基材料性能劣化，尤其是处于潮湿环境或干湿交替环境中的混凝土结构，混凝土早期微裂缝将加速混凝土劣化、缩短建筑物的服役寿命。减缩剂或减缩型减水剂是现代长寿命混凝土必不可少的组成材料。

表2 混凝土平板试验结果

2.3 减缩剂提高混凝土抗裂性能的机理

减缩剂作为两性表面活性剂，分子结构中含有亲水基团和憎水基团。亲水基团可为离子的或非离子的基团，被带氢键的极性溶剂、带相反电荷的表面吸引。憎水基团是非极性的碳氢链，被非极性溶剂吸引，但被极性分子排斥。通常情况下，两性表面活性剂分子既可溶于极性溶剂，又可溶于非极性溶剂。两性分子在水溶液中被非极性的水-气界面或水-油界面吸引。由于表面活性剂在界面的吸附导致界面能降低，因而减缩剂能使水-空气界面的表面张力降低，减少水分蒸发，进而减少混凝土收缩。

图4 水泥石孔溶液的表面张力

图4是含JG-SRA型减缩剂对模拟水泥石孔溶液表面张力影响的试验结果，可见减缩剂在掺量较低时即可大幅度降低水泥石孔溶液的表面张力，而继续加大掺量，表面张力的降幅不再明显，这是减缩剂与水泥石相互作用的结果。Farshad Rajabipour等人研究了减缩剂与水泥孔溶液的相互作用。采用比表面积为360 m2/kg的I型普通硅酸盐水泥，根据Bogue公式计算的矿物组成为60%C3S，12%C2S，12%C3A，7%C4AF，水泥等当量Na2O含量为0.72%。试验在（23±1）℃条件下进行。将减缩剂分别与去离子水（DI）和合成孔溶液（0.35 MKOH+ 0.05 MNaOH的去离子水溶液）混合，配制了不同浓度的减缩剂溶液。同时，研究了水灰比为0.3，掺与不掺SRA的水泥浆体的凝结时间、孔溶液离子组成（Na，K，Ca）、离子色谱（SO42-）、酸滴定（OH-）随时间的变化和孔溶液中SRA的浓度。结果表明，SRA浓度为5%、10%和20%的去离子水溶液，静置60 d后，仍然为澄清、稳定、宏观各相同性的乳液，但SRA与合成孔溶液的混合物，浓度为5%和20%时，乳液也为澄清、稳定、宏观各相同性；浓度为10%的乳液呈乳浊状，静置12 h后，分离为两相：顶层富含SRA，其余为SRA的稀溶液。电导率测试结果表明，顶部溶液中的SRA浓度接近50%，而底部溶液中的SRA含量约为7.5%。研究表明，合成孔溶液中的SRA浓度较低时（＜7.5%），可得到稳定、透明、各项同性的微乳液，这种微乳液具有微粒结构，微细的油滴被分散在连续的液相介质中，并被吸附的表面活性剂分子保护。在中等浓度时（7.5%～15%），形成不稳定的粗乳液。有趣的是，这种粗乳液分离为浓度约为7.5%的稳定的微乳液和不易与孔溶液混合的富-SRA相。SRA浓度较高时（＞15%），又形成了稳定、透明、宏观各向同性的乳液，这可能是因为微粒体系向双层连续结构转移的结果。

4 结论

根据试验结果分析，得到如下结论：

（1）减缩剂可显著减少混凝土塑性收缩和干燥收缩，砂浆减缩率大于35%，满足低收缩水泥基材料性能指标要求。

（2）掺用减缩剂的砂浆开裂时间比基准砂浆推迟34 h，14 d裂缝宽度降低29.4%，对提高砂浆、混凝土的体积稳定性具有重要作用。

（3）减缩剂的作用机理为：通过降低水泥石孔溶液表面张力，提高水泥石内部相对湿度，减少混凝土水分蒸发，起减缩、抗裂作用。

[1]张永存，彭永旗.混凝土减缩剂的试配及其性能分析[J].平顶山工学院学报,2008，（11）：75-77.

[2]张夏虹,王迎飞,李超.混凝土减缩剂的研究与发展[J].华南港工,2008，（6）：26-33.

[3]顾越,蒋亚清,陈龙.长侧链聚羧酸减水剂的合成及其早期水化作用机理[J].混凝土与水泥制品，2012，(11):14-17.

[4]A Messan,P Ienny,D Nectoux.Free and restrained early-age shrinkage of mortar:Influence of glass fiber,cellulose ether and EVA(ethylene-vinyl acetate)[J].Cement and Concrete Composites, 2011，(33）：402-410.

[5]Farshad Rajabipour,Gaurav Sant,Jason Weiss. Interactions between shrinkage reducing admixtures (SRA)and cement paste's pore solution[J].Cement and Concrete Research,2008,38(5):606-615.

In order to apply shrinkage reducing admixture for concrete,crack resistance of JG-SRA type shrinkage reducing admixture was evaluated by testing dry shrinkage and ring experiment of mortar with JGSRA,and concrete plate experiment.Mechanism of shrinkage reducing admixture was analyzed by surface tension measurement of modeling pore solution of cement paste.Experimental results indicate that more than 35%dry shrinkage of mortar with JG-SRA is reduced,and crack time of mortar ring is delayed for 34 hours compared to basic mortar.No less than 50%crack can be controlled by use of JG-SRA in concrete.Lower surface tension of pore solution of cement paste containing shrinkage reducing admixture results in higher internal relative humidity，less water evaporation,and volume stability of concrete may be efficiently enhanced.

concrete;shrinkage reducing admixture;shrinkage;crack

孙立萍（1962-），女，本科，高级工程师，建筑材料专业。

蔚清）（

2014-7-18）