增稠剂对混凝土收缩性能的影响

2022-03-31李林香谭盐宾谢永江杨鲁葛昕郑永杰王浩

新型建筑材料 2022年3期

李林香，谭盐宾，谢永江，杨鲁，葛昕，郑永杰，王浩

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.北京铁科建筑科技有限公司，北京 100081）

增稠剂是指能增加混凝土拌合物黏度的一类外加剂，因其具有掺量少、增稠效果好、施工方便等特点，被广泛应用于混凝土工程中。增稠剂加入到混凝土中，大多用来改善混凝土的工作性能、增大混凝土的黏度、提高混凝土的抗离析性，目前应用最广且效果较好的是丙烯系、纤维素系增稠剂及来源于微生物的多糖等[1-2]。增稠剂大多具有良好的保水性，可减少水泥砂浆的快速失水，降低水泥砂浆的早期自由收缩，进而提高水泥砂浆的抗裂性[3-4]。增稠剂掺量的变化可改变水泥砂浆早期收缩的动力学水平[5]。增稠剂也可改善混凝土的气泡参数，提高混凝土的抗冻性能[6]。混凝土的收缩一直是混凝土工程研究的热点，减小收缩可大幅提高混凝土的抗裂性和耐久性。本文选取2 种微生物多糖（温轮胶和黄原胶）和2 种不同黏度的纤维素醚，研究不同的增稠剂对混凝土抗压强度、塑性收缩和干燥收缩的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：北京金隅P·O42.5 水泥，主要技术性能见表1；粉煤灰：元宝山发电有限公司，F 类Ⅰ级，主要技术性能见表2；砂：天然河砂，细度模数2.6，含泥量0.4%；石：5～20 mm 连续级配碎石，含泥量0.2%；减水剂：河北三楷聚羧酸减水剂，减水率29.4%，固含量23.12%；消泡剂：广东龙湖科技股份有限公司，P841 粉体消泡剂，有效组分42%；温轮胶、黄原胶：山东景鑫生物科技有限公司，黏度（1%H2O，25 ℃）分别为3000、1400 mPa·s；纤维素醚1、纤维素醚2：苏州赛贸新材料科技有限公司，黏度（1%H2O，25 ℃）分别为1300、600 mPa·s。

表1 水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰的主要技术性能

1.2 试验方法

（1）水溶液黏度：用烧杯称量200 g 自来水（水温20 ℃），再称量1 g 增稠剂，把增稠剂缓缓加入水中，用玻璃棒搅拌至完全溶解，然后用NDJ-5S 旋转粘度计测试水溶液的黏度。

（2）水泥净浆黏度：称取水泥300 g、水120 g、掺加一定量的减水剂，控制基准水泥净浆扩展度为（280±10）mm；掺入不同增稠剂后，水泥净浆扩展度控制在（260±10）mm，以此来确定各增稠剂的掺量，然后用NDJ-5S 旋转粘度计测试水泥净浆的黏度。

（3）混凝土搅拌方法：采用强制式搅拌机搅拌，先将称量好的砂、碎石、水泥、粉煤灰、增稠剂放入搅拌机内干拌20 s，随后加入外加剂和水再搅拌3 min。

（4）混凝土拌合物性能：混凝土搅拌出锅后，立即测试坍落度和含气量，如果坍落度不满足（160±20）mm 的要求，需调整减水剂的用量重新搅拌然后测试；如果含气量不满足（4.0±0.5）%的要求，需调整消泡剂的用量重新搅拌然后测试，直到坍落度和含气量满足要求为止。混凝土的坍落度和含气量参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

（5）混凝土抗压强度：采用100 mm×100 mm×100 mm 非标准立方体试块，每组3 块，参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

（6）混凝土塑性收缩：试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，为了防止试模限制混凝土的收缩，在浇注混凝土前先在试模内铺2 层聚乙烯薄膜，试模端放入标靶，然后将搅拌好的混凝土浇注到试模中，连接传感器，开启非接触式收缩仪测试混凝土的收缩变形值，试验在温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的环境中进行，塑性收缩试验如图1 所示。

图1 塑性收缩试验

（7）混凝土干燥收缩：试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，养护1 d 后脱模，脱模后放置在标准养护室中养护2 d，然后将试件移至温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的环境中，放置2 h 时测试初长，之后分别测量试件在1、3、7、14、28、56、90、120 d 的长度，计算试件的收缩率。

2 结果与讨论

2.1 不同增稠剂在水溶液中的黏度

由于增稠剂在水溶液中溶解速率较慢，因此增稠剂需缓慢加入水中，且边加入边搅拌，保证充分溶解。不同增稠剂在0.5%浓度水溶液中黏度的变化如表3 所示。

表3 不同增稠剂在水溶液中的黏度

由表3 可见，在0.5%浓度水溶液中，不同增稠剂的黏度有较大差别，温轮胶和黄原胶的增稠效果最明显，1 h 后黏度达到600 mPa·s 以上；2 种纤维素醚的黏度较小，且纤维素醚2 的黏度最小。随着时间的延长，各种增稠剂在水溶液中的黏度逐渐增大，基本上都在1 h 左右达到稳定。温轮胶和黄原胶虽然黏度接近，但两者在水溶液中的触感差别较大，温轮胶稠而不黏，触感像浆糊；黄原胶稀而黏，触感像胶水。

2.2 水泥净浆黏度

配制基准水泥净浆的扩展度为（280±10）mm，掺入不同掺量的增稠剂，控制掺增稠剂的水泥净浆扩展度为（260±10）mm 时增稠剂的掺量（按占水泥质量计）、水泥净浆扩展度以及水泥净浆黏度如表4 所示。

掺入增稠剂对水泥净浆的流动性影响较大。为了保证水泥净浆有较好的流动性，增稠剂的掺量不能过大，本试验在保证掺增稠剂后水泥净浆有较好流动性的前提下，确定了不同增稠剂的掺量。由表4 可见，在掺入增稠剂后水泥净浆有大致相同扩展度的条件下，不同增稠剂的掺量差别较大。2 种生物胶对比，温轮胶的掺量要小于黄原胶，这与2 种生物胶在水溶液中的状态一致，温轮胶在水溶液中稠度较大，所以要保证水泥浆体相同的扩展度，掺量要少。2 种纤维素醚对比，纤维素醚1 的掺量要小于纤维素醚2，这是因为纤维素醚1 的黏度大，因此要保证水泥浆体相同的扩展度，纤维素醚1 的掺量就较少。

表4 水泥净浆的扩展度和黏度

2.3 混凝土的性能

基准混凝土配合比见表5，温轮胶、黄原胶、纤维素醚1、纤维素醚2 掺量分别为胶凝材料质量的0.03%、0.09%、0.03%、0.10%，在混凝土拌制过程中，通过调整外加剂（减水剂和消泡剂）的掺量，控制各组混凝土的坍落度为（160±20）mm，含气量为（4.0±0.5）%。

2.3.1 混凝土的力学性能

不同增稠剂对混凝土抗压强度的影响如图2 所示。

图2 不同增稠剂对混凝土抗压强度的影响

由图2 可见，掺黄原胶的混凝土抗压强度与基准混凝土相当，掺其余几种增稠剂的混凝土抗压强度都高于基准混凝土。试验表明，掺入适量的生物胶或纤维素醚不会降低混凝土的抗压强度。文献[7]也指出，不同黏度的纤维素醚在较低掺量下会提高混凝土的早期抗压强度；也有研究表明[8]，当纤维素醚掺量低于0.50%时，对混凝土抗压、抗折及轴心抗拉强度的影响均不大。

2.3.2 混凝土的塑性收缩

不同增稠剂对混凝土塑性收缩的影响如图3 所示。

图3 不同增稠剂对混凝土塑性收缩的影响

由图3 可见，掺加增稠剂后，混凝土的塑性收缩均小于基准混凝土。其中掺黄原胶的混凝土塑性收缩最小，最终收缩值约920 με，比基准混凝土减小约60%；掺加温轮胶的次之，约1288 με，比基准混凝土减小约45%；掺加纤维素醚1 和纤维素醚2 的混凝土塑性收缩比基准混凝土分别减小约27%和11%。

混凝土塑性收缩大致可以分为3 个阶段：第1 阶段为沉降收缩阶段（0～1 h），第2 阶段为塑性收缩阶段（1～10 h），第3阶段为硬化收缩阶段（约10 h 以后）。在第1 阶段，新拌混凝土的固体颗粒（水泥和骨料）之间完全被水所充满，成型后固体颗粒下沉，水分上升，导致混凝土在水平长度方向略有膨胀，膨胀率一般很小，仅有几十微应变；在第2 阶段，混凝土中水分因蒸发、水化反应而消耗，颗粒之间的水形成弯液面，随曲率半径不断减小，毛细管压力显著增大，进而收缩也随之增大，该阶段为混凝土早期收缩的主要阶段；在第3 阶段，一方面，随水泥水化的不断进行，混凝土表面的水不能填充所有孔隙而呈非连续状态，毛细管压力随之迅速降低，另一方面，混凝土开始硬化，逐渐由粘塑性体转变为硬化体，系统抵抗变形的能力增大，使得混凝土的收缩在此阶段小幅平稳发展。

从塑性收缩3 个阶段的特点看出，塑性收缩的大小主要与混凝土中水分的蒸发、消耗有关，掺加温轮胶和黄原胶的混凝土塑性收缩比基准混凝土大幅减小的原因在于温轮胶和黄原胶优异的保水性[9]，掺温轮胶和黄原胶的混凝土保水性好，水分蒸发慢，因此混凝土弯液面曲率半径较大，毛细管压力较小，使得塑性收缩较小。掺纤维素醚也能减小混凝土的塑性收缩，但没有掺温轮胶和黄原胶明显，可能与纤维素醚的掺量有关。

2.3.3 混凝土的干燥收缩

不同增稠剂对混凝土干燥收缩的影响如图4 所示。

图4 不同增稠剂对混凝土干燥收缩的影响

由图4 可见，掺增稠剂混凝土的干燥收缩都小于基准混凝土，其中以掺黄原胶混凝土的干燥收缩最小，120 d 龄期时的干燥收缩比基准混凝土减小15%，掺其它3 种增稠剂的混凝土干燥收缩比基准混凝土减小7%～8%。干燥收缩是由于混凝土内部水分向环境散失导致内部毛细孔水分饱和度降低引起的收缩[10]。增稠剂掺入到混凝土中，这些长链聚合物分子吸附在水分子周围，吸附和固定部分拌合水而产生膨胀，在后期的干燥过程中，混凝土失水速率减小，因此干燥收缩减小。