混凝土减缩剂的制备与研究

林艳梅

（科之杰新材料集团有限公司，福建 厦门 361101）

0 前言

混凝土作为现代建筑工程中用途最广、用量最大的材料，通常利用化学外加剂和生活、工业废弃物，不仅可满足现代建筑工程建设要求，还能节能降耗、提高建筑工程的耐久性。随着建筑工程技术的发展，特种混凝土高强、高性能混凝土和自流平混凝土等的需求量不断增加，此外，为了提高混凝土的早期强度，水泥比表面积不断增大，还掺加高活性超细矿物掺合料，且水胶比也较低，导致混凝土浇筑后内部湿度降低，出现收缩，将使混凝土内部结构产生非荷载裂缝，进而出现混凝土开裂，影响混凝土耐久性。混凝土裂缝包括自收缩裂缝、塑性收缩裂缝、温度收缩裂缝、干缩裂缝、沉降裂缝、施工裂缝、冻胀裂缝等。相关研究表明[1]，80%的混凝土裂缝的原因为混凝土自收缩变形，只有20%的混凝土裂缝是由外部荷载引起。混凝土收缩裂缝不仅影响建筑工程的美观，还会降低混凝土工程结构强度，对建筑工程的整体性、水密性和耐久性产生不利影响，大大缩短建筑工程服役寿命。相关数据表明[2]，从工业建筑到民用建筑、商业建筑，混凝土收缩裂缝问题的影响极其广泛，影响交通设施桥梁、路面、海港工程结构，成为长期困扰建筑工程界而未能有效解决的难题。因此，如何减小混凝土收缩，控制混凝土缺陷裂缝是工程界急需解决的问题，这对改善混凝土的应用性能至关重要，将产生重要的社会、经济和生态环境效益。

如何减小混凝土的收缩开裂已经成为当代建筑工程界研究的热点。掺加混凝土膨胀剂是国内外常采用补偿混凝土收缩的方法，膨胀剂的掺量较大，一般为胶凝材料总量的5%~13%，必须对掺膨胀剂混凝土进行保湿养护。混凝土减缩剂是一种能有效减小混凝土自收缩和干燥收缩的化学外加剂，为控制混凝土收缩开裂提供了一条新途径[3-4]。混凝土减缩剂克服了常规水养、掺膨胀剂和掺纤维等抗裂方法的局限性，能有效预防混凝土收缩开裂，具有广阔的应用前景[5-6]。

1 试验

1.1 主要原材料

（1）减缩组分

二丙二醇单甲醚、2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇单甲醚、二甘醇单甲醚、聚乙二醇单甲醚（相对分子质量为500）：均为工业级。

（2）试验材料

水泥（C）：闽福P·O52.5水泥；砂（S）：河砂，细度模数2.6～2.9；石（G）：反击破石子，5～20 mm连续级配；普通聚羧酸减水剂：Point-MS，减水率为30%，固含量为49%，科之杰新材料集团有限公司生产。

1.2 减缩剂的制备

在四口瓶中加入二丙二醇单甲醚和聚乙二醇单甲醚，搅拌1 h，即得到混凝土复合减缩剂。

1.3 性能测试与表征

（1）水泥净浆流动度：按照GB/T 8076—2008《混凝土外加剂》进行测试。

（2）混凝土性能：混凝土拌合物性能按照GB/T 8076—2008进行测试，试验中混凝土的拌合量为20 L；混凝土收缩率按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试；混凝土减缩率按照JC/T 2361—2016《砂浆、混凝土减缩剂》进行测试。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土的配合比

（3）表面张力：将减缩剂配制成相应浓度的溶液，采用承德金和仪器制造有限公司生产的JYW-200全自动表、界面张力仪进行溶液表面张力测试。

（4）扫描电镜分析：分别取水化1 d和7 d的水泥净浆试块，将样品敲碎后取内部形貌保存较好的片状碎片用无水乙醇终止水化，真空干燥，采用韩国COXEM公司的CPXEM-20台式扫描电镜观察水化产物的形貌。

（7）水化热：采用沃特斯中国有限公司生产的微量热仪（TAM air），测试基准水泥浆和掺减缩剂水泥浆在水化过程中的放热性能。水泥净浆的水灰比为0.35，减缩剂掺量为水泥质量的0.12%。

2 试验结果与讨论

2.1 单一减缩剂组分的性能

2.1.1 分散性能

分别将单一减缩剂组分2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇单甲醚、二丙二醇单甲醚、二甘醇单甲醚、聚乙二醇单甲醚进行水泥净浆流动度测试，减缩剂组分掺量均为0.5%，试验结果如表2所示。

表2 单一减缩剂组分的分散性对比

从表2可看出，单一减缩剂组分对水泥净浆流动度基本无影响。与空白样对比，掺入2-甲基-2，4-戊二醇和二甘醇单甲醚使得净浆流动度略有增大。

2.1.2 表面张力

将单一减缩剂组分2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇单甲醚、二丙二醇单甲醚、二甘醇单甲醚、聚乙二醇单甲醚配制成10%质量浓度的溶液进行表面张力测试，结果如表3所示。

表3 单一减缩剂组分的表面张力对比

从表3可以看出，单一减缩剂组分的表面张力范围为32.30~48.27 mN/m，其中以二丙二醇单甲醚的表面张力最低，为32.30 mN/m。

2.1.3 混凝土减缩率与抗压强度

单一减缩剂组分的混凝土减缩率及其对混凝土抗压强度的影响如表4所示。

表4 单一减缩剂组分的混凝土减缩率及其对混凝土抗压强度的影响

从表4可以看出：（1）5种减缩剂组分中，以聚乙二醇单甲醚的减缩性能最佳，7 d、28 d减缩率分别为30.56%、28.96%，其次为二丙二醇单甲醚，7 d、28 d减缩率分别为25.75%、24.12%；（2）掺5种单一减缩剂组分混凝土的7 d、28 d抗压强度均不低于空白样。

根据上述试验结果，选择二丙二醇单甲醚和聚乙二醇单甲醚作为复合减缩剂的原材料。

2.2 复合减缩剂的性能

2.2.1 复合减缩剂对混凝土性能的影响

将二丙二醇单甲醚与聚乙二醇单甲醚按不同质量比（见表5）进行复合，将复合制备的减缩剂样品进行混凝土试验，结果见表6。

表5 复合减缩剂中2种单一减缩剂组分的质量配比

表6 复合减缩剂的混凝土试验结果

从表6可以看出，随着二丙二醇单甲醚用量的增加，复合减缩剂的减缩率呈先增大后减小。5组复合减缩剂中，以P-3的7 d、28 d混凝土减缩率最高，7 d、28 d混凝土减缩率分别为37%、35%，且其7 d、28 d混凝土抗压强度不低于空白样。因此，二丙二醇单甲醚的最佳质量百分比为70%。

2.2.2 表面张力

混凝土由于水泥浆体内部水分的蒸发或内部水泥水化消耗水，导致水泥浆体内部相对湿度迅速降低，减小水泥浆体内部毛细孔或凝胶孔曲率半径，进而增大毛细孔或凝胶孔的附加压力，最终导致混凝土水泥浆体出现干缩，甚至出现裂缝。浆体内部毛细孔的附加压力与曲率半径、孔中液相的表面张力成正比，降低孔溶液的表面张力可降低孔的附加压力，从而有效控制混凝土干缩裂缝。因此，研究减缩剂在不同浓度下的表面张力，有助于进一步认识减缩剂表面张力与混凝土干缩裂缝的关系。将所制备的减缩剂P-3与普通聚羧酸减水剂Point-MS进行不同浓度下的表面张力对比，结果见图1。

图1 不同浓度减缩剂P-3和Point-MS溶液的表面张力

从图1可以看出：（1）当减缩剂溶液浓度小于10%时，溶液的表面张力随减缩剂浓度的增大而减小；当减缩剂溶液浓度大于10%时，溶液的表面张力趋于平稳。（2）与普通聚羧酸减水剂Point-MS相比，减缩剂P-3水溶液的表面张力较低。

2.2.3 水泥净浆水化产物形貌

为研究减缩剂对水泥浆水化影响的微观机理，采用扫描电子显微镜对掺0.5%减缩剂P-3的水泥净浆水化产物进行微观形貌分析，结果见图2。

从图2可见：

（1）对于空白水泥净浆，1 d龄期时，中短簇纤维状水化产物在片状水化硅酸钙凝胶上生长，水泥浆体孔隙较多，不密实；7 d龄期时，大量纤维状凝胶在水化产物表面生长，孔隙减少。

（2）对于掺0.5%减缩剂P-3的水泥净浆，1 d龄期时，水泥浆中出现短簇纤维状水化产物在片状水化硅酸钙凝胶上生长，无定形凝胶体局部覆盖在凝胶上，有序度不高，整体孔隙较多不密实；7 d龄期时，大量纤维状水化产物在表面及孔隙内部生长，局部生成无定形凝胶体覆盖在浆体表面，且凝胶周围有少量凝胶颗粒散布，整体密实，空隙减少。

与空白水泥净浆相比，1 d龄期时，掺减缩剂的水泥石表面出现无定形凝胶体，并产生大小不一的凝胶颗粒和片状凝胶质；不同龄期掺减缩剂的水泥浆中，无定形凝胶体生长缓慢，整体结构孔隙多、不密实。

文献[7-8]在对减缩剂的相关研究中发现，减缩剂具有缓凝作用，本文对水泥净浆水化产物微观形貌的分析支持了上述研究结果。

2.2.4 复合减缩剂对水泥水化过程的影响

温度收缩为水泥基材料收缩类型之一。由于水泥水化产生的混凝土内外温度梯度是促使混凝土产生早期裂缝的主要原因之一，通过采取必要的措施降低水泥水化热，以控制混凝土的温度变形，是保证混凝土早期不产生温差收缩裂缝的关键所在。图3为减缩剂P-3掺量为0.5%时对水泥水化热的影响。

图3 减缩剂对水泥水化热的影响

从图3可见，与空白水泥净浆对比，掺入减缩剂使水泥净浆的最大水化放热峰出现时间后移，峰面积变宽，即掺入0.5%减缩剂P-3延长了水泥水化的诱导期，延缓水泥水化，降低其水化放热速率，从而抑制水泥的温度收缩。

3 结论

（1）单一减缩剂组分中，以聚乙二醇单甲醚的减缩性能最佳，7 d、28 d减缩率分别为30.56%、28.96%，其次为二丙二醇单甲醚，7 d、28 d减缩率分别为25.75%、24.12%。掺单一减缩剂组分的混凝土抗压强度不低于空白混凝土。

（2）将二丙二醇单甲醚与聚乙二醇单甲醚复配，制备复合减缩剂。随着二丙二醇单甲醚用量的增加，复合减缩剂的减缩率呈先增大后减小，其最佳质量比为70%，所制得的减缩剂P-3在掺量为0.5%时，混凝土的7 d、28 d减缩率分别达37%、35%，且该减缩剂对混凝土抗压强度无不利影响。

（3）当减缩剂溶液浓度小于10%时，溶液的表面张力随减缩剂浓度的增大而减小；当减缩剂溶液浓度大于10%时，溶液的表面张力趋于平稳；与普通聚羧酸减水剂Point-MS相比，减缩剂P-3水溶液的表面张力较低。

（4）通过对水泥净浆水化过程的SEM和水化热分析结果表明，掺入复合减缩剂P-3对水泥具有缓凝作用，使水泥浆的最大水化放热峰出现时间后移，峰面积变宽，降低其水化放热速率，从而抑制水泥的温度收缩。