聚羧酸减水剂对超高性能混凝土性能的影响研究*

2021-04-29陈露一张志豪黄有强

交通科技 2021年2期

陈露一张志豪黄有强李信

(1.中铁桥研科技有限公司武汉 430034； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉 430034)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种具有超高强度与优异耐久性的新型水泥基复合材料，适用于各种严苛环境下的大跨高层建筑结构，其研究与应用已成为近年来土木工程的热点与前沿技术。UHPC优异的韧性可以满足桥面铺装对混凝土材料抗拉强度的要求，与正交异性板钢桥面结合形成的组合桥面可以显著提高桥面刚度，降低正交异性板的应力幅[1]，提高钢桥面板疲劳寿命，一举解决钢桥面铺装层损坏和钢桥面板疲劳开裂两大技术难题，已成为业界的共识[2]。该项技术已相继应用于蒙华铁路洞庭湖特大桥、荆州长江公铁大桥、成贵铁路金沙江大桥、军山长江大桥，以及沪通长江大桥等大型公路铁路桥梁工程。UHPC具有致密的内部结构，耐久性能较普通混凝土有显著提高，抗渗等级>P40，抗冲磨强度达到C50混凝土的4～5倍。得益于UHPC优异的综合性能，可减小混凝土结构的重量，相同荷载条件下，UHPC构件的重量通常可以达到普通混凝土构件重量的1/3～1/2，满足严苛环境下结构的高性能要求，具有广阔的应用前景。

减水剂是混凝土实现高性能化的重要材料之一，其可提高混凝土的流动度，减少用水量，降低水胶比，从而保证混凝土材料的性能要求。董军军[3]研究了聚羧酸减水剂掺量对早强型灌浆料的性能影响，结果表明随着减水剂掺量增加，灌浆料的流动度先增大后减小，而硬化浆体的抗压强度变化不显著；王玲玲等[4]研究表明聚羧酸减水剂的引入可在一定程度上提高钢纤维混凝土的28 d抗压强度与抗折强度，改善混凝土的抗渗性能；霍雷[5]研究了减水剂对混凝土工作性能和强度的影响，结果表明在水灰比相同的情况下，加入减水剂后混凝土强度略有降低，继续增加减水剂掺量时，混凝土强度基本保持不变。

作为一种水胶比极低的工程材料，UHPC往往需要使用比普通混凝土材料更大掺量的高效减水剂，UHPC不含粗骨料，粉体材料组成复杂，为了得到大流动度混凝土而导致减水剂掺量使用过多时混凝土性能是否会受到影响，目前尚无系统研究，本技术团队相继参与实施了数十座大型桥梁的UHPC应用项目，在实施过程中发现减水剂掺量过大时会明显造成UHPC缓凝现象，那么减水剂掺量对UHPC其他性能影响如何，尚需进一步研究，而这也是UHPC工程应用时减水剂掺量合理把控应该考虑的重要问题。

聚羧酸减水剂是应用较广泛的新型高效减水剂，本文通过不同掺量的聚羧酸减水剂制备UHPC，研究不同掺量聚羧酸减水剂对低水胶比的UHPC流动度、不同龄期抗压强度、干燥收缩、自收缩与电通量的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥采用华新P·O 42.5水泥，实测28 d 抗压强度45.6 MPa；硅灰由成都东蓝星科技发展有限公司生产，表观密度为1 800 kg/m3；粉煤灰比表面积为2 000 m2/kg，表观密度为2 500 kg/m3；细集料为(830～380，>380～212μm)2种不同粒径的石英砂；高效减水剂为江苏产的聚羧酸高效减水剂，减水率大于30%；拌和用水为洁净自来水。

1.2 试验配比

UHPC材料固体组分组成见表1，试验配合比在固体组成的基础上加入不同比例的聚羧酸减水剂，水胶比为0.19。

表1 UHPC固体组分体积比

1.3 试验方法

UHPC流动度测试参照GB/T 2419-2005 《水泥胶砂流动度测定方法》中的截锥金属圆模和模套进行，倒入浆体后提起圆模，待浆体不再流动时，测量相互垂直方向的直径后取两者平均值。

UHPC早期自由收缩、硬化收缩变形、电通量试验参照GB/T 50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，收缩试验见图1。

图1 UHPC收缩试验

早期自由收缩测试龄期以3 d为准，长期干燥收缩试件成型脱模后在标准养护室养护3 d，从标准养护室取出并立即移入恒温恒湿室测定初始长度，此后按照1，3，7，14，28，45，60 d的时间间隔测量其收缩值。电通量试验为不含钢纤维的UHPC试件，在试件养护到28 d龄期时进行，试验前对试件进行真空饱水。

2 试验结果分析及讨论

2.1 减水剂对UHPC流动度的影响

不同聚羧酸减水剂掺量的UHPC流动度测试结果见表2。

表2 不同减水剂掺量的UHPC流动度

由表2可知，在一定掺量范围内增加减水剂用量可以明显提高UHPC流动度，但是混凝土减水剂用量存在一个饱和点，该配比下的减水剂饱和掺量点约为1.3%。超过饱和掺量点后，增加减水剂掺量，浆体流动度保持稳定，基本无变化。聚羧酸减水剂对水泥的分散作用机理为吸附/静电排斥作用与空间位阻作用的双重机制，并以空间位阻作用为主，从而保证了聚羧酸系减水剂对水泥颗粒良好的分散性。当减水剂掺量超过饱和掺量点后，水泥颗粒表面吸附空位被逐渐占据并达到饱和，此时继续增加减水剂掺量，减水剂的吸附量几乎不再增加，浆体流动度也就不再增加[6]。

2.2 减水剂对UHPC抗压强度的影响

不同聚羧酸减水剂掺量的UHPC各龄期抗压强度见图2。

图2 减水剂掺量对UHPC抗压强度的影响

由图2可见，减水剂掺量对UHPC的早期强度影响显著，在一定范围内，随着减水剂掺量的增加，混凝土早期强度增加，后期强度发展稳定，超过临界点后，UHPC早期强度和后期强度均有不同程度地降低。减水剂掺量为0.5%时，UHPC 3，28 d抗压强度分别为79，118.1 MPa，减水剂掺量增加到1.5%时，UHPC 3，28 d抗压强度分别增长到91.9，121.2 MPa，而当减水掺量为2.5%时，UHPC 3，28 d抗压强度分别为50，105.3 MPa。在饱和掺量点前，加入聚羧酸减水剂可以释放低水胶比体系水泥颗粒絮凝团中的絮凝水，有利于水泥颗粒水化，因此对早期强度有一定的提升作用。但是当减水剂掺量超过饱和掺量点以后，聚羧酸减水剂所含的大量有机官能团在水泥水化产物的碱性介质中与游离Ca2+反应生成不稳定络合物，在水化初期控制了液相中Ca2+的浓度，产生缓凝作用，从而导致早期强度降低[7]。随着水化过程的进行，这种不稳定络合物将自行分解，水化则继续正常进行。

2.3 减水剂对UHPC自收缩的影响

以减水剂饱和掺量点1.3%为参考，选取减水剂掺量分别为0.8，1.3，1.8% 3组UHPC进行早期自收缩性能研究，结果见图3。

图3 不同减水剂掺量UHPC早期收缩曲线

由图3可见，随着减水剂掺量的增加，UHPC材料的早期收缩呈减小趋势。减水剂掺量由0.8%增加到1.3%时，自收缩值降低9.2%；减水剂掺量增加到1.8%时，UHPC自收缩率降低到472×10-6。自收缩产生的主要原因为水泥水化过程中水化产物增加，毛细水量不断减少，浆体内部出现气孔，水分不断被消耗，体系内部相对湿度降低，产生毛细管压力，因而产生自收缩。UHPC早期收缩受凝结时间影响，但目前其早期收缩测试起始点尚无公认界定，UHPC收缩对结构早期开裂有较大影响，而与开裂相关的收缩主要是初凝后产生的，本文选取自收缩测试初始为初凝时间点。减水剂对浆体早期水化产物结构的形成影响较大，当浆体减水剂增大时，表现出明显的缓凝现象，初凝时间也相应延长，相对缓慢的化学与物理作用使得材料内部结构的微细孔内自由水量增多，毛细水管压力发展速度减缓，从而早期自收缩有所降低[8]。

2.4 减水剂对UHPC干燥收缩的影响

减水剂掺量分别为0.8，1.3，1.8%时的UHPC长期干燥收缩结果见图4。由图4可见，随着减水剂掺量的增加，UHPC长期干燥收缩明显增大。减水剂掺量从0.8%增加到1.3%时，UHPC干燥收缩增加15%，减水剂掺量增加到1.8%时，UHPC干燥收缩率达到469×10-6。UHPC干燥收缩的原因是毛细孔水蒸发产生的收缩和凝胶体吸附水蒸发引起的胶凝体紧缩。减水剂的加入会影响硬化浆体的孔隙率与孔径尺寸，并且会改变毛细孔水的表面物理化学性质，导致液相与毛细孔壁界面接触角变化，从而对UHPC收缩性能产生影响[9]。加入减水剂后体系中的水相对增多，且体系内部的毛细孔尺寸减小，毛细孔越细越均匀，失水后其产生的负压越大，越大的负压作用在毛细孔壁上就加大了UHPC的干燥收缩。

图4 不同减水剂掺量UHPC长期干燥收缩曲线

2.5 减水剂对UHPC电通量的影响

减水剂掺量分别为0.8%，1.3%，1.8%时的UHPC电通量测试结果见图5。

图5 不同减水剂掺量UHPC电通量测试结果

由图5可见，随着减水剂掺量的增加，UHPC的电通量值增大。减水剂掺量为0.8%，1.3%，1.8%时，UHPC电通量值分别为120.2，138.4，162.1 C，减水剂掺量增加0.5%时，电通量值增幅分别为15.1%，17.1%，即减水剂掺量越大，继续增加减水剂掺量时UHPC电通量值增长越快。抗渗性是提高和保证UHPC材料耐久性需要控制的重要性能，UHPC不含粗骨料，内部界面缺陷少，水胶比低，硬化后体系孔隙率小，且活性矿物掺和料多，火山灰效应、二次水化反应可有效改善混凝土孔隙结构。相比于普通混凝凝土，UHPC电通量小得多，抗氯离子渗透性强，随着减水剂掺量的增大，UHPC抗氯离子渗透能力有下降趋势。