抗裂防水剂对硅酸盐水泥的收缩变形及水化特征影响的研究

陈彦文 ,祝金崧,2

(1.沈阳建筑大学材料科学与工程学院,沈阳 110168；2.辽宁大通公路工程有限公司,沈阳 110166)



抗裂防水剂对硅酸盐水泥的收缩变形及水化特征影响的研究

陈彦文1,祝金崧1,2

(1.沈阳建筑大学材料科学与工程学院,沈阳 110168；2.辽宁大通公路工程有限公司,沈阳 110166)

研究了掺入抗裂防水剂的硅酸盐水泥砂浆早期变形性能以及水化温升特征。试验选择用水灰比为0.35、0.40、0.45,抗裂防水剂掺量为6%、10%、14%。用膨胀收缩仪,测试在不同的养护条件下试件收缩变形；利用智能多点测温仪，测试硅酸盐水泥砂浆的水化升温特征。结果表明：除0.35水灰比，抗裂防水剂为14%的硅酸盐水泥砂浆以外，其余组硅酸盐水泥砂浆，14d的膨胀值均达到最大值，14d以后均产生收缩。0.4水灰比的胶砂，经过60 ℃、70 ℃、80 ℃等成熟度养护再转常温养护后，表现为先膨胀后收缩，且膨胀值随抗裂防水剂掺量的增加而增大。当抗裂防水剂掺量为6%时，硅酸盐水泥砂浆的早期水化温升变化相差不大，抗裂防水剂掺量为10%、14%时，硅酸盐水泥砂浆的早期水化温升差别较大。

抗裂防水剂； 收缩变形； 水化特征

1 引 言

随着我国建筑行业的高速发展，混凝土、砂浆工程不断地涌现，大体积工程自身体积大，胶凝材料用量多,而胶凝材料的水化反应会引起混凝土内部温度的提高，同时还会产生大量的收缩变形。根据前人的研究成果，在混凝土中掺入一定量的抗裂防水剂可以减小混凝土的收缩变形，但抗裂防水剂的水化反应会一定程度上提高混凝土内部的温度。混凝土内部的较高温度环境又会促进抗裂防水挤的性能发挥，增加体系内的膨胀能，更多的膨胀产物填充硬化浆体中的孔隙，细化孔结构，对此国内外学者对抗裂防水剂在不同温度下的性能进行了大量地研究。苗苗[1]养护温度和粉煤灰对补偿收缩混凝土膨胀效能的影响，游宝坤等[2]阐述了膨胀剂对混凝土变形性能的影响，O.Ple[3]研究了膨胀剂对混凝土绝热温升的影响。王栋民等[4]研究了水泥-膨胀剂-粉煤灰复合胶凝材料膨胀与强度发展的协调性。本文对掺入抗裂防水剂的硅酸盐水泥砂浆的变形特性、水化温升性能以及其经历不同高温过程后的变形性能进行了初步探索。

2 试 验

2.1 原 料

2.1.1 水泥：冀东水泥厂生产的盾石牌P·O42.5水泥，技术指标见表 1。

表1 P·O 42.5水泥技术指标

2.1.2 抗裂防水剂：河北同邦建材有限公司TB-CSA抗裂防水剂。

2.1.3 水:自来水。

2.2 方 法

试验配制0.35(①)、0.4(②)、0.45(③)的三种水灰比砂浆，实验方案见表 2。

表2 试验方案

试验采用25mm×25mm×280mm试件，每个水灰比制作一组试件进行标准养护；再制作0.4水灰比的试件三组，分别经过60 ℃，70 ℃，80 ℃三个等成熟度升温养护过程，利用水泥砂浆膨胀收缩仪测试，(1)标准养护3d、7d、14d、28d收缩变形；(2)经等成熟度养护开始时(a)、结束后(b)、结束再转24h标准养护后(c)、直至在经过养护28d(d)膨胀收缩变形值。(3)将制备的砂浆拌合物装入规格相同的保温桶中，埋入智能多点测温仪，保证测头埋入深度一致，用凡士林将桶口封住，近似于绝热状态。从砂浆装入保温桶中开始测试温度到达到与室温一致时结束。

3 结果与讨论

3.1 标准养护条件下，混凝土抗裂防水剂对硅酸盐水泥变形的影响

抗裂防水剂掺量对硅酸盐水泥收缩变形影响如图1所示。

不同层次的模块具有不同的模块粒度，越靠近底层的模块，粒度越细。模块配置完成后，通过映射将抽象模块与Linux操作系统功能一一对应，生成可执行文件，这些可执行文件就是最终的嵌入式操作系统。

图1 抗裂防水剂掺量对硅酸盐水泥收缩变形影响(a)6%;(b)10%;(c)14%Fig.1 Effect of cracking waterproofing agent content on deformation properties of Portland cement(a)6%;(b)10%;(c)14%

图1可见，除了在0.35水灰比，抗裂防水剂掺量为14%水泥砂浆产生收缩现象，其余组实验的水泥砂浆，3～14d均产生膨胀，14d膨胀值达到最大，且膨胀值均为0.45水灰比时最大。然后膨胀值产生倒缩，直到出现明显的收缩现象。水灰比为0.35时，砂浆28d收缩值最大。在水泥的水化的早期，水灰比越小，硅酸盐水泥中未水化的水泥颗粒填充了水泥石的孔隙，胶砂中黏性体朝着孔隙处流动，水泥石密实所需要消耗的膨胀能较少，胶砂体积向外产生的膨胀能比较大，因此，水灰比为0.35时膨胀值最大。7d以后，随着水化反应的进行，胶砂内部的水分逐渐减少，水灰比为0.45时的水分相对比较充足，这部分水分在抗裂防水剂中的膨胀组分能够更好的发挥作用,胶砂的膨胀值会增大，14d达到最大；而水灰比为0.35时水分不足，随着水分的减少自收缩增加，并且抗裂防水剂掺量越大的体系耗水越多，自收缩值越大，0.35水灰比的胶砂膨胀值增加较少。14d以后，随着各体系水分均不断地减少，各体系均不能提供抗裂防水剂中膨胀组分所需要的水分，其膨胀作用均不足于补偿水泥石的收缩变形，其膨胀作用不足于补偿水泥石的收缩变形，所以各体系均出现收缩变形，且收缩值随着水灰比的增加而减小。

3.2 混凝土抗裂防水剂对不同养护条件下硅酸盐水泥变形的影响

不同养护条件下硅酸盐水泥的收缩变形测试结果如图2所示。

图2 不同养护条件下硅酸盐水泥的收缩变形测试结果(a)60 ℃;(b)70 ℃;(c)80 ℃Fig.2 Test results of Portland cement shrinkage under different curing conditions(a)60 ℃;(b)70 ℃;(c)80 ℃

由图2可见，经过60 ℃、70 ℃、80 ℃等成熟度养护后，水泥胶砂均表现为膨胀，且随着膨胀剂掺量的增大膨胀值增大。转入常温后均表现为收缩，且随着等成熟度养护温度的升高收缩值增大，经过60 ℃、70 ℃的成熟度养护过程表现为抗裂防水剂掺量为14%的收缩值较低；而经过80 ℃等成熟度养护后，抗裂防水剂掺量14%时收缩值较大。自然养护至28d，收缩值均有所增加。

在硅酸盐水泥中加入抗裂防水剂(膨胀源为硫铝酸钙类)，高温下与硅酸盐水泥浆体中的Ca(OH)2反应生成大量结晶水化合物3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(即钙矾石)，钙矾石产生膨胀应力导致水泥胶砂表现为膨胀[4]，且抗裂防水剂的掺量越多生成钙矾石的量越大，体系的膨胀值越大。

转入常温标养24h后，由于温度梯度产生的温度应力导致各组胶砂均表现为收缩，且温度越高的体系转常温后产生地温度应力越大，收缩值也越大。经过60 ℃、70 ℃等成熟度养护再转常温24h后，由于硅酸盐水泥在高温时生成大量的钙矾石，且抗裂防水剂的量越大生成的钙矾石量越大，其具有一定的骨架作用，能抵抗一定的收缩，所以抗裂减水剂掺量越大，收缩越小。而当经过80 ℃等成熟度养护再转常温24h后钙矾石(AFt)会分解转化成AFm、CaSO4、H2O，被C-S-H凝胶所吸收，使水分大量沿着孔隙迁移、蒸发，同时产生较大的毛细孔压力，因此产生大量的收缩，且Aft量越大，分解地越多，收缩值越大，所以抗裂防水剂掺量越大收缩越大[5-6]。

经过等成熟度养护后再自然养护至28d后，随着水化反应程度深入，水泥胶砂的收缩值均有所增加，经60 ℃、70 ℃等成熟度养护的水泥胶砂收缩值均随抗裂防水剂量的增加而减小，经80 ℃等成熟度养护后水泥胶砂体系随着水化反应的进行，AFm,SO42-和Al3+从C-S-H凝胶中析出[7]，重新生成钙矾石，称为延迟钙矾石生成(DEF)，会使体系产生大量的收缩，并且抗裂防水剂掺量越大产生的收缩值越大。

混凝土抗裂防水剂对硅酸盐水泥的早期水化温升特征测试结果如图3所示。

图3 混凝土抗裂防水剂对硅酸盐水泥的早期水化温升特征的影响(a)6%;(b)10%;(c)14%Fig.3 Effect of concrete cracking waterproofing agent content on early hydration temperature characteristics of Portland cement(a)6%;(b)10%;(c)14%

图3可见，抗裂防水剂掺量为6%时，对不同水灰比的早期水化温升影响不大。当抗裂防水剂掺量为10%时，水灰比为0.4的水化放热量最大，水灰比为0.35的水化放热最小。当抗裂防水剂掺量为14%时，水灰比为0.45的水化放热量大，水灰比为0.35的水化放热最小。

早期水化温升主要由硅酸盐水泥水化产生。此时硅酸盐水泥的水化反应程度低，不同水灰比对其水化反应影响不大，从而导致了抗裂防水剂的掺量为6%时，水泥胶砂早期水化温升峰值差别不大。

抗裂防水剂的掺量为10%时，当水灰比为0.35时，水分不充足，以至于影响了抗裂防水剂的水化反应，所以体系的早期水化温升峰值低。水灰比为0.45时水分较多，除了满足水化反应之外还以自由水状态存在，水的比热容大能吸收一部分水化反应的热量，在一定程度上降低了水化的温升峰值[8]。而水灰比为0.4时，硅酸盐水泥胶砂拌合水适量，抗裂防水剂与硅酸盐水泥均能充分的反应，并且自由水的量相对于水灰比为0.45时少，致使水灰比为0.40时早期水化温升最高。

抗裂防水剂的掺量为14%时，由于抗裂防水剂的掺量较大，所以水泥胶砂的水化反应需要的水分比较多。因此随着水灰比的增大，水化放热量增大，所以水灰比越大的水泥胶砂早期水化温升峰值越高。

4 结 论

(1)除了在0.35水灰比，抗裂防水剂掺量为14%硅酸盐水泥胶砂产生收缩现象。其余组实验的硅酸盐水泥胶砂，早期(3～7d)均产生膨胀，并且水灰比为0.35时膨胀值最大，7～14d均是水灰比为0.45时膨胀值最大，14～28d均产生收缩变形，且收缩值随着水灰比的增加而减小;

(2)经过60 ℃、70 ℃、80 ℃等成熟度养护后，不同掺量抗裂防水剂掺量的硅酸盐水泥胶砂均表现为膨胀，且膨胀值随抗裂防水剂掺量的增加而增大。转入标养24h后均表现为收缩，收缩值随着等成熟度养护温度升高而增大。经60 ℃、70 ℃等成熟度养护转标养后，收缩值随抗裂防水剂掺量增加而减小；而经80 ℃等成熟度养护转标养后，收缩值随抗裂防水剂掺量增加而增加;

(3)硅酸盐水泥的早期水化温升特征表现为，当抗裂防水剂掺量为6%时，实验用各水灰比的硅酸盐水泥砂浆水化升温特征差别不大。抗裂防水剂掺量为10%、14%时，水化升温变化较明显，抗裂防水剂掺量10%时；0.4水灰比的水化升温峰值最高；抗裂防水剂掺量14%时；0.45灰比的水化升温峰值最高。

[1] 苗 苗,米贵东,阎培渝,等.养护温度和粉煤灰对补偿收缩混凝土膨胀效能的影响[J].硅酸盐学报，2012,(10)：1427-1430.

[2] 游宝坤,李乃珍著.膨胀剂及其补偿收缩混凝土[M].北京：中国建材工业出版社，2006:117-118.

[3]PleO.Preliminarystudyofmultiscaleanalysisinfiberreinforcedconcrete[J].Materials and Structures,2002,5:279-284．

[4] 王栋民,张守祺,王振华,等.水泥-膨胀剂-粉煤灰复合胶凝材料膨胀与强度发展的协调性研究[J].混凝土,2010,(01)：49-52.

[5]ErzarB,ForquinP.Anexperimentalmethodtodeterminethetensilestrengthofconcreteathighratesofstrain[C].ExperimentalMechanics,2010:941-955.

[6] 李乃珍,谢敬坦.广义的补偿收缩混凝土及补偿效率[J].混凝土,2010,(06):49-52.

[7]MaltaisY,MarchandJ.Influenceofcuringcementhydrationandmechanicalstrengthdevelopmortar[J].Cem.Concr.Res.,1997,27(7):1009-1020.

[8] 彭 江,徐志全,阎培渝.大体积补偿收缩混凝土中膨胀剂的使用效能[J].建筑材料学报,2003，(02)：147-152.

Effect of Cracking Waterproofing Agent on Shrinkage andHydration Characteristics of Portland Cement

CHEN Yan-wen1,ZHU Jin-song1,2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineeringShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168，China；2.LiaoningDatongRoadConstructionCo.,Ltd.,Shenyang110166，China)

ResearchcrackingwaterproofingagentonearlydeformationpropertiesandhydrationtemperaturecharacteristicsofPortlandcementmortar.Experimentalmethod:Thewater-cementratiowas0.35, 0.40and0.45.Testcontentofcrackingwaterproofingagentwas6%, 10%and14%.Theshrinkageofspecimenpreparedunderdifferentcuringconditionswastestedbyexpansioncontractioninstrument.ThehydrationcharacteristicsofPortlandcementmortarwasmeasuredbyintelligentmulti-pointthermometer.Conclusion:The14dexpansionofPortlandcementmortarreachedthemaximumvalueandPortlandcementmortarwasshrinkageafter14d,exceptthemortarwhichwater-cementratiowas0.35andcontentofcrackingwaterproofingagentwas14%.Whenwater-cementratioofmortarwas0.4andcuringconditionswaschangedfrommaturityconservation(60 ℃, 70 ℃, 80 ℃etc.)toroomtemperatureconservation,mortarwasshrankafterexpandedandexpansionvalueincreasedwithcontentofcrackingwaterproofingagentincreasing.Whencontentofcrackingwaterproofingagentwas6%,hydrationtemperatureofPortlandcementmortarwassimilar.Whencontentofcrackingwaterproofingagentwas10%, 14%,hydrationtemperatureofmortarwasquitedifferent.

crackingwaterproofingagent;shrinkage;hydrationcharacteristics

住房和城乡建设部(2015-K4-033)

陈彦文(1965-)，女，高级实验师.主要从事土木工程材料的教学及实验研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4217-05