高性能混凝土及外加剂
2013~ 2014学年2学期
学 院： 材料科学与工程学院
专业班级： 材料学13-01班
* ** ***
实习成绩：
评阅教师：
评阅日期：
减水剂对混凝土收缩的影响
经历了从钢筋混凝土到预应力混凝土直至现今的高性能混凝土100多年的发展历程,当代混凝土正向着更高强、高流动性、高耐久性的方向发展。混凝土外加剂不但可使混凝土多种性能得到改善，而且促进了混凝土新技术的发展和工业废渣的有效利用。日本、北欧、美国等发达国家已基本上在所有混凝土中掺用了外加剂，而我国目前在混凝土中使用外加剂还不是很普遍，每年水泥年产量已超过了6亿吨,但掺外加剂的混凝土仅占30%左右。混凝土外剂在混凝土中的广泛应用，已使其成为混凝土尤其是高性能混凝土中必不可少的第五组份。多功能的外加剂已经成为当代高性能混凝土技术的核心之一，其品种及功能的发展也日新月异，这些新品种的外加剂对混凝土收缩的影响到底如何，已成为人们普遍关注的一个重要问题。随着混凝土向高强高性能方向发展,要求混凝土具有很好的耐久性。提高混凝土耐久性的关键之一是降低水胶比，提高混凝土的密实性。这就要求减水剂的减水率高，并使混凝土具有很好的工作性。经过近半个世纪的发展，减水剂经历了由木质磺酸盐系、糖蜜减水剂→萘磺酸盐甲醛缩合物减水剂、磺化三聚氰胺甲醛减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂→聚羧酸高效减水剂几代产品的发展；其发展趋势为从低减水率(10%左右)到高减水率(20%左右)直至超高减水率(30%左右)。
一．混凝土收缩与开裂的关系
裂缝是固体材料中的一种不连续现象，混凝土的裂缝一般主要有粘着裂缝、水泥石裂缝和集料裂缝三种。在这三种裂缝中，前两种居多，集料裂缝较少。
混凝土裂缝按其成因主要分为荷载裂缝、次荷载裂缝和非荷载裂缝。荷载裂缝和次荷载裂缝是由外荷载直接应力和次应力引起的，而非荷载裂缝是由混凝土
的体积变化引起的。根据国内外的调查资料，水泥混凝土收缩变形引起的形变裂缝是引起混凝土结构裂缝的主要原因，约占全部裂缝的80%，由荷载引起的裂缝约占20%。
混凝土在自由收缩条件下是不会开裂的，但在实际使用中，混凝土的约束
不可避免。在约束状态下，混凝土内部会产生拉应力，当拉应力超过抗拉强度
时，裂缝就会出现。这种裂缝较易发生在早期，是因为混凝土早期强度和抗拉
强度都比较低，当混凝土产生较大收缩应变时，混凝土就会开裂。研究表明，
混凝土早期的拉应变能力较低，混凝土在浇筑后10小时左右抵抗拉应力的破坏
应变值达到最低点，之后极限拉应变值开始增加。在混凝土不断硬化的过程中，
强度不断发展的同时，弹性模量显著增加，致使混凝土微小的收缩变形就产生
较大拉应力。当混凝土弹性模量发展速率超过强度发展速率时，混凝土收缩变
形引起的开裂风险也会增加。
高强高性能混凝土由于水胶低、矿物掺合料高，易造成混凝土结构内部“缺水”。随着水化反应的进行在水泥中形成大量的微细孔，自由水不断降低，相对湿度逐渐下降导致毛细孔中产生弯月面，水泥受负压作用，作用于毛细管壁上而产生收缩。添加减缩剂后由于降低表面张力从而降低了孔内附加压力、提高了混凝土内的相对湿度而减弱了自干燥效应，达到降低混凝土体积收缩的目的。由减缩剂的作用机理可知，在混凝土原材料和配合比一定时，减缩率是一个相对稳定值，施工养护和环境条件对混凝土的减缩率影响较小。即当养护条件差、环境条件恶劣引起混凝土收缩增大时，由于减缩率一定，故降低收缩的绝对值也增加，反之亦然。此外，减缩剂几乎不存在水泥适应性问题，且与其他混凝土外加剂有良好的相容性，这是因为减缩剂是通过水的物理过程起作用，与水泥的矿物组成和掺合料等无关。
一般而言，掺用减水剂会使混凝土收缩有不同程度的增大。
原因为：①减水剂的掺入使混凝土分散更均匀、和易性好因而水化更充分，致使混凝土内部相对湿度降低，最终影响早期收缩；②添加减水剂后，混凝土中孔径变小，使同量水分蒸发产生的收缩变大，因此使混凝土早期收缩变大；③减水剂为阴离子表面活性剂，掺入后将电离出大量的自由阳离子使混凝土内部可溶离子浓度增大，降低内部相对湿度从而增大早期收缩。研究表明，水灰比不同，减水剂影响程度不同；减水剂品种不同，影响也不同。在相同的水灰比情况下，脂肪族减水剂、氨基磺酸盐减水剂和蔡系减水剂均增大混凝土的收缩且增幅较大，其中氨基磺酸盐减水剂增幅最大，脂肪族减水剂最小；在同塌落度条件下，同早期收缩类似，减水剂较大幅度地增大了混凝土的总收缩且在水泥用量较大时作用更明显。
二．混凝土裂缝控制措施
由上述分析可以看出，控制混凝土裂缝主要从以下两个方向着手：提高混凝土抵抗开裂的能力即提高抗拉强度和降低混凝土收缩应变。目前，工程界和学术界更多偏向于降低混凝土收缩应变来控制裂缝，常采取的措施包括掺加膨胀剂来补偿收缩、掺加减缩剂来减少收缩、掺加粉煤灰等矿物外加剂来抑制收缩、掺加纤维来提高抗拉强度和降低收缩以及加强早期养护等。
１．外加剂对混凝土收缩开裂的影响研究进展
针对减水剂对混凝土收缩性能的影响，许多研究者已进行大量研究，但不同的研究者有不同的结论。Ravindra's研究表明，掺减水剂的混凝土干燥收缩比普通混凝土增加约11 %；Brooksli研究了五种类型的减水剂对混凝土干燥收缩的影响，发现混凝土的干缩普遍增加3%～130%，同时还发现某些减水剂对混凝土的收缩没有明显的影响；Tazawa研究表明，高效减水剂会略微降低混凝土自收缩，减水剂种类和掺量对自收缩影响较小。
AlAmoudi 研究发现，不同种类的减水剂对混凝土塑性收缩应变影响不同。另外还发现一些掺高效减水剂和硅灰的混凝土最大收缩应变已经超过阂值，但未发现混凝土开裂，认为减水剂可以提高掺硅灰混凝土的抵抗塑性收缩开裂能力，高效减水剂对降低混凝土塑性开裂是有利的。Cabrera也研究表明，高效减水剂能减少混凝土的泌水和改变表面张力，能够抵抗或延长混凝土塑性收缩开裂的发生。
Mazoo研究表明，蔡系和聚梭酸减水剂会延长砂浆初始开裂时间，降低砂浆的开裂敏感性，聚梭酸对开裂敏感性的抑制效果优于蔡系。聚梭酸减水剂能减小砂浆的最大裂纹宽度，但蔡系减水剂会增加砂浆最大裂纹宽度的发展速率。在水灰比和水泥浆含量不变时，减水剂掺入会增加砂浆干燥收缩，掺聚梭酸减水剂砂浆的收缩低于掺茶系砂浆。研究表明，配合比保持不变时，蔡系高效减水剂会显著增加砂浆收缩变形，聚梭酸系高效减水剂不会显著增加收缩，甚至略有降低收缩的作用。
赵顺增针对减水剂增加水泥浆体干燥收缩的机理进行了探讨，认为液相与毛细孔壁界面接触角e是影响干燥收缩的主要因素，减水剂在水泥毛细孔壁的吸附排列会改变孔壁界面的性质，致使e减小，增大毛细孔压力导致干缩增加。
三．原材料及实验方法
1.原材料及性能指标
（1）水泥
所用水泥为河南开封孟电水泥厂生产的P.O 42.5水泥，其中混合材掺量约
为14%，主要为具有火山灰活性的粉煤灰和S95粒化高炉矿渣粉。水泥的化学成分见表2.1，物理力学性能见表2.2：
（2）高效减水剂
所用高效减水剂主要为聚梭酸减水剂、茶系减水剂、脂肪族减水剂，均取自市物配混凝土搅拌站。聚梭酸高效减水剂(PCA)固含量为20%，推荐掺量为胶凝材料用量的0.5%～1.5%，最佳掺量为1.2%；脂肪族减水剂(SAF)固含量为40%，推荐掺量为胶凝材料用量的1%～2%，最佳掺量为1.8%；粉状蔡系减水剂((FDN)推荐掺量为胶凝材料用量的0.5%～1.5%，最佳掺量为1.2%。
实验方法：
首先混凝土基本性能实验方法：混凝土配合比设计及其和易性、力学性能测定，分别参照JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T 50080-2002《普通混凝土拌和物性能测试方法(坍落筒法)》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；
其次水泥胶砂流动度的测定；参照国标GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行。
四．混凝土抗裂性能实验方法
按照2GB/T50082-2009《普通混凝长期性能和耐久性能试验方法》，选用平板刀口约束法来评价混凝土的开裂。试件尺寸为800mm×600mm×100mm，试模由约束钢板厚的底板、长侧板、短侧板和7根裂缝诱导刀口组成，长短侧板与底板用螺栓固定。
将拌制好的混凝土迅速浇注至模具内，进行振捣摊平，并用抹子整平表面，使骨料不外露，表面平实，注意不要过振或欠振。试件成型30min后，把试件置于202℃，相对湿度保持在6015%的环境中进行吹风干缩处理。调节风扇位置和风速，使试件表面中心处正上方100mm处风速为8m/s，并应使风向平行于试件表面和裂缝诱导器，并随时观察试件开裂情况。24h后(以混凝土开始浇筑为起点)开始观测裂缝数量、长度、宽度。裂缝以肉眼可见为准，裂缝长度用钢尺测量，精确至1mm。裂缝宽度用PTS-C10智能裂缝测宽仪测量，读数显微镜分度值为0.02mm。若同一个刀口上存在多条裂缝时，将其相加折合成一条裂缝。
本实验主要以24h内的最大裂缝宽度(Maximum crack width)和单位面积的总开裂面积(Total crack area)来综合评价混凝土的抗裂性能。单位面积上的总开裂面积按式(1)计算：
五．掺高效减水剂的水泥基材料收缩和开裂性能
自1935年以木质素磺酸盐为主要成分的塑化剂诞生以来，减水剂被广泛应用于水泥基材料中。高效减水剂具有较高减水率，可以大幅度降低混凝土用水量，降低水灰比，提高混凝土强度;水灰比一定时，能较好保持混凝土的塌落度，大大改善新拌混凝土的流动性等许多优点，是制备高强、高性能混凝土必不可少的组分，称为混凝土的第五组分。但高效减水剂应用在高性能混凝土中也存在一定的负面效应，如对混凝土收缩开裂性能的影响。
高效减水剂品种对混凝土24h内的最大裂缝宽度和总开裂面积的影响。在同水灰比、同塌落度下，不同品种的高效减水剂对混凝土的最大裂缝宽度影响较大。使用聚梭酸减水剂的混凝土24h内最大裂缝宽度分别是使用蔡系和脂肪族减水剂的47.2%和65.8%。混凝土24h内的最大裂缝宽度大小排列顺序为：蔡系减水剂>脂肪族减水剂>聚梭酸减水剂。使用聚梭酸减水剂和脂肪族减水剂的混凝土单位面积的总开裂面积相差不大，基本相当。使用茶系减水剂的混凝土单位面积的总开裂面积较大，分别是使用聚梭酸减水剂和脂肪族减水剂混凝土的159.5%和156.4%。
因为在同水灰比时，减水剂的掺入提高了水泥颗粒间的分散度，增加了游离水含量，使混凝土内部形成大量连通孔道，自由水的蒸发速率增加，毛细孔负压增加，混凝土收缩增加，导致混凝土的裂缝宽度和开裂面积增加。另外，未掺聚狡酸减水剂的混凝土多余自由水分被水泥颗粒包裹在内部，随水泥颗粒水化的进行自由水才被大量释放出来，这部分水在早期相对不易蒸发失去。减水剂掺量为0.6%的混凝土流动性也相对较低，减水剂掺入后形成的连通孔道少，水分蒸发速率也相对较低。同时，未掺减水剂和掺减水剂的混凝土凝聚性较好，各组分间的粘结强度较高，能有效阻止裂缝的扩展，使混凝土表面出现的裂缝较短。下载本文
