温控型镁质抗裂剂研究及其在混凝土工程结构中的应用

2023-10-25武春阳巫元君张笑云朱国军

建材世界 2023年5期

武春阳,高莹,巫元君,张笑云,朱国军

(1.中交建筑集团第二工程有限公司,南昌 330013;2.武汉三源特种建材有限责任公司,武汉 430083)

混凝土结构开裂问题一直是建筑行业的一大难题。导致裂缝发生的原因多种多样,主要包括收缩裂缝和荷载裂缝,据统计前者占比超过80%,混凝土收缩的诱因包括塑性收缩、碳化收缩、干燥收缩、温度收缩和自身收缩[1-3]。其中自身水化收缩和温度收缩又是最主要的原因。因此,如何从降低混凝土结构的温度收缩和自身收缩两个方面来改善混凝土开裂问题是当前行业关注的重点。

温控型抗裂剂是一种新型的抗裂材料,可以从控制混凝土温升和补偿收缩两个方面来降低混凝土结构的开裂风险,其主要作用机理包括:温控材料降低水泥水化反应速率以及膨胀材料的缓慢水化,水化结晶体使得水泥基材料膨胀来补偿收缩。近年来,温控型材料的研究和应用逐渐成为国内混凝土结构裂缝控制的重点方向[4-7]。膨胀源主要为轻烧氧化镁,由菱镁矿烧制而成。与传统的钙矾石类膨胀源膨胀剂相比,轻烧氧化镁具有水化产物性质稳定、水化需水量少、膨胀历程可调节等优点,广泛应用于各类工程结构来降低混凝土收缩[8-11]。

该文以温控型镁质抗裂剂为研究对象,探究其对水泥水化热、砂浆限制膨胀率、抗压强度的影响,同时,进一步以工程实体结构为对象,研究掺该材料对混凝土结构内部温升历程、收缩历程及抗裂效果的影响,为该产品在市场上的规模化应用提供借鉴依据。

1 试验

1.1 原材料

1)试验研究用水泥均为PI 42.5基准水泥,由中国联合水泥集团有限公司生产,其物理性能指标见表1,化学成分见表2。

表1 基准水泥的物理性能

表2 原材料的化学组成 w/%

2)膨胀性能及强度试验所用砂均为ISO标准砂。

3)温控型镁质抗裂剂(WKM)由武汉源锦建材科技有限公司生产,其化学分析见表2。

4)工程项目混凝土配合比见表3,所用水泥为海螺PO 42.5水泥;粉煤灰为Ⅱ级灰;矿粉为S95矿粉,其化学分析见表2;砂、石均符合相关标准要求。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

1.2 研究方案

1.2.1 水泥净浆水化热试验

水泥净浆水化热的试验方法参考《水泥水化热测定方法》(GB/T 12959—2008)中相关规定进行,其区别在于标准中采用胶砂,该试验采用水泥净浆。这主要是因为此方法可提高空白水泥净浆温升,更有利于体现出温控材料掺量的差异性对水化热影响。试验环境温度和水泥净浆的入模温度均控制在(20±1)℃,抗裂剂掺量为4%、6%、8%和10%,均等量取代基准水泥,水胶比为0.4。

1.2.2 砂浆限制膨胀率试验

为了探究温控型镁质抗裂剂的膨胀历程,研究在不同养护温度下砂浆试件的限制膨胀率。试验方法参考《混凝土膨胀剂》(GB/T 23439—2017),每个配比成型3组40 mm×40 mm×140 mm限制膨胀砂浆试件,按规定方法拆模后测初长,分别放入20 ℃、40 ℃和60 ℃的养护箱中,至规定龄期取出测试。

1.2.3 抗压强度试验

温控型镁质抗裂剂对砂浆力学性能的影响试验方法参考《混凝土膨胀剂》(GB/T 23439—2017),掺量为胶凝材料用量的5%。

1.2.4 工程应用研究

为验证温控型镁质抗裂剂产品的实际应用效果,以地铁项目侧墙为研究对象,试验段和空白段侧墙结构尺寸均为0.8 m×4.5 m×28 m。现场浇筑的混凝土配合比如表3所示,混凝土标号为C45P8,温控型镁质抗裂剂(WKM)以胶凝材料用量6%外掺添加,未添加的空白组以KB表示。

2 结果与讨论

2.1 温控型镁质抗裂剂对净浆水化热的影响

研究了在20 ℃入模温度条件下,掺温控型镁质抗裂剂对水泥净浆水化热的影响,其测试数据见图1。

由图1可见,随抗裂剂掺量的提高,温峰值逐步降低,同时温峰出现时间也缓慢延长;当掺量分别为4%、6%、8%和10%时,对应净浆温峰值分别为55.1 ℃、51.0 ℃、48.5 ℃和46.5 ℃;相较于空白组,抑温率分别为31.9%、36.9%、40.0%和42.5%。掺该抗裂剂可显著抑制水泥水化放热速率,减小温峰值且掺量越高削弱作用越大,但从温度曲线可以发现,其也会在一定程度上延长水泥的凝结时间。

2.2 温控型镁质抗裂剂的水化反应历程研究

探究抗裂剂在不同掺量下,不同水养温度对其水化反应历程的影响,测试结果如图2～图4所示。

图2显示试件在20 ℃水养条件下,随抗裂剂掺量的增加,相同龄期下膨胀率逐步增大;但并不呈现出正比例关系,同时试件的养护龄期从7～120 d膨胀率均处于持续增长状态,且增长趋势没有放缓的趋势。养护龄期为120 d时,当其掺量分别为4%、6%、8%和10%时,限制膨胀率分别为0.037%、0.064%、0.071%和0.092%。

图3显示当试件养护温度提升至40 ℃时,随抗裂剂掺量的增加,相同龄期下膨胀率依旧表现出逐步增大,也不呈现出正比例关系;但养护至60 d时,限制膨胀率几乎不再增长,说明温度的提高,加速了抗裂剂的水化反应速率,使其膨胀历程缩短。养护龄期为60 d时,当其掺量分别为4%、6%、8%和10%时,限制膨胀率分别为0.06%、0.101%、0.121%和0.151%。

当试件养护温度进一步增大至60 ℃时,由图4可见,随抗裂剂掺量的增加,相同龄期下膨胀率依旧表现出逐步增大,也不呈现出正比例关系;但养护至28 d时,限制膨胀率几乎不再增长;说明随养护温度的提高,会逐步加大抗裂剂的水化反应速率,显著缩短其膨胀窗口期。养护龄期为28 d其掺量分别为4%、6%、8%和10%时,限制膨胀率分别为0.068%、0.116%、0.139%和0.171%;与试件在40 ℃养护温度下的限制膨胀率终值比有一定降低,这与抗裂剂水化速率、晶体形成速率有关,由养护温度越高,晶体生长越快所致。

2.3 温控型镁质抗裂剂对砂浆力学性能的影响

鉴于抗裂剂的掺量与水泥凝结时间有一定关系,研究抗裂剂掺量对砂浆试件在不同养护龄期下抗压强度的发展规律,其结果如图5所示。

从图5可清晰发现,当抗裂剂掺量增大时,砂浆试件3 d抗压强度逐渐降低;其掺量分别为4%、6%、8%和10%时,砂浆抗压强度分别为18.9 MPa、16.5 MPa、14.3 MPa和11.2 MPa,相较于空白组试件的20.6 MPa,强度比分别为91.7%、80.1%、69.4%和53.4%;其主要原因是该温控型抗裂剂延缓了水泥水化的速率,减少了试件中水泥水化凝胶产物的含量,降低了砂浆试件内部的密实程度,从而降低了早期抗压强度。当试件养护至7 d时,砂浆抗压强度略高于空白组,养护龄期进一步延长至60 d时,试件强度依旧与空白组相当。说明该抗裂剂会引起水泥基材料早期(3 d)抗压强度降低,但对中后期力学性能有一定提升效果。

2.4 温控型镁质抗裂剂在实体结构中的数据分析

以实体结构中混凝土侧墙为研究对象,研究了当温控型镁质抗裂剂为外掺胶凝材料用量的6%时,试验段和空白段的温升历程及收缩历程,监测数据如图6和图7所示。

由图6可见,试验段和空白段结构内部温峰值分别为57.8 ℃ 和60.5 ℃,考虑对应的混凝土入模温度分别为23.4 ℃和20.8 ℃,得出混凝土温升值分别为34.4 ℃和39.7 ℃。可见,掺抗裂剂温升值相较于空白段降低5.3 ℃,说明该材料在工程结构中能起到较好的抑温作用,降低混凝土结构的温度收缩。此外,值得注意的是,试验段和空白段混凝土温升5 ℃时间分别为12.3 h和19.8 h,说明混凝土凝结时间有一定延迟,这与净浆水化热结果相类似,该抗裂剂会延缓水泥水化反应速率。

从图7可以看出扣除温度收缩影响后,试验段和空白段均变现为收缩状态,但后者的收缩值显然更大。在观测至8 d时,试验段收缩值微应变(με)为107,而空白段微应变(με)则为257,两者差值为150,说明抗裂剂有较好的补偿收缩作用,可显著降低混凝土结构的综合收缩量。