混凝土新型尿素-减缩剂耦合作用机理与研发

2022-03-11牛艳飞刘玲玲

广东土木与建筑 2022年2期

牛艳飞，刘玲玲

（广州大学土木工程学院广州 510006）

0 引言

混凝土结构裂缝的发生难以完全防止。混凝土结构中出现的裂缝会对耐久性能产生不利影响。根据国内外研究资料，混凝土收缩变形引起的变形裂缝是混凝土结构开裂的主要原因，约占全部裂缝的80%，荷载引起的裂缝约占20%［1］。其中，干燥收缩引起的裂缝引起了广泛关注，迄今为止已经有很多学者对其进行了大量的研究［2］。部分研究技术成果已经投入实际工程应用，其中一种有效的方法是使用各种掺合料，以减少干燥收缩。在以往的研究成果［3-7］中，以下几种有效方法可降低混凝土干缩：①掺入膨胀材料；②使用干燥减缩混合料；③使用矿粉；④掺入纤维。

然而，在混凝土搅拌站中使用掺合料会导致设备成本和劳动力成本的增加，还会因材料数量的增加带来管理问题。因此，限制了使用掺合料来减少干燥收缩这种方法的普及。

在过去的研究结果中，据报道，当尿素作为混凝土掺合料使用量为50 kg∕m³时，干燥收缩降低约60%［8］。然而，混凝土的干燥主要发生在混凝土的表层部分，混凝土内部保持相对湿润状态。为了抑制干燥收缩，在整个混凝土中使用掺合料的方法有着材料利用率低的缺点。因此，仅对发生干燥收缩的表层部分使用具有减缩效果的材料才更为合理有效。

考虑到上述情况，本研究开发了一种廉价且易于降低干燥收缩的方法，使用尿素溶液涂抹在混凝土表面来减少干燥收缩。在过去的研究中，根据砂浆试块硬化脱模后干燥收缩测量结果，证实尿素溶液对砂浆具有减缩效果和抗压强度提高效果［9］。因此，本研究旨在确认尿素溶液是否对混凝土试块同样具有减缩效果和强度提高效果。本研究初步探索尿素溶液涂抹混凝土表层改善收缩性能。然而，针对长期涂抹尿素溶液混凝土表层，其长期耐久性问题值得探索。

1 试验方案

混凝土的设计配合比如表1所示。坍落度目标值为8.0±2.0 cm，含气量目标值为4.5%±1.5%。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete Mix Ratio

本研究中的试验条件如表2 所示，每个试验的步骤如下所述：

表2 试验条件Tab.2 Test Conditions

⑴收缩试验：混凝土试块成型后第1 d（从混凝土搅拌加水时算起）拆掉模具，移至恒温恒湿环境中养护，并立即测定其初始长度。在第4 d 龄期时将试块浸泡于尿素溶液或用尿素溶液对试块表面进行刷涂，并在浸泡或刷涂前后测试其长度。此后按照规定龄期测试其长度。

⑵抗压强度试验：混凝土试块成型后第1 d（从混凝土搅拌加水时算起）拆掉模具，移至恒温恒湿环境中养护。在第4 d 龄期时将试块浸泡于尿素溶液，然后继续养护，按照规定龄期测试其抗压强度。

本研究中尿素溶液的浸泡和刷涂方法如下所述：

⑴本研究采用自来水、50%浓度的尿素溶液（尿素的质量分数为50%）作为浸泡液。然而，仅在收缩试验中进行自来水浸泡，用于对比试验。

⑵为了模拟在实际工程中的应用，对混凝土结构进行刷涂，在20±3 ℃、相对湿度为60%±5%的恒温室内养护3 d后，将混凝土试块浸泡在不同的溶液中。浸泡时间分为1 min、10 min和30 min。

⑶ 为了检验尿素溶液刷涂对混凝土的减缩效果，使用宽度为70 mm 的毛刷，每30 min 向硬化后的混凝土试块的整个表面刷涂36 g 尿素溶液，刷涂次数分别为3、6和9次。

2 试验结果与分析

混凝土试块浸泡于浓度50%的尿素溶液之后的抗压强度如图1 所示。可以看出，与未经处理的试块相比，在尿素溶液中浸泡过的试块强度有所增加。这一结果有两个可能的原因：①尿素溶液从试块表面的空隙进到混凝土表层的空隙，随着水分的蒸发，溶液中的尿素结晶析出，填充了混凝土结构的表层空隙，结晶产生的膨胀应力抵消了部分收缩应力，干燥收缩减小；②尿素的保水效应可以有效抑制水分的蒸发，有利于混凝土保持湿润状态，从而一定程度上提高了抗压强度。

此外，抗压强度随浸泡时间的延长而增加。这是因为时间越长，进入混凝土内部的尿素溶液就越多。然后，更多的尿素在干燥失水后结晶析出，留在混凝土表层孔隙中。

图1的结果确认了尿素溶液对混凝土试块同样具有强度提高效果。