減水劑對(duì)高性能混凝土收縮的影響

吳久龍

（水電八局三分局，貴州 貴陽 550000）

1 摻合料對(duì)混凝土收縮的影響

收縮變形是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)施工期產(chǎn)生裂縫的主要因素。為提高混凝土的耐久性、穩(wěn)定性，常在混凝土中添加礦物摻合料和外加劑，但易使混凝土早期產(chǎn)生裂縫，因此有必要研究這些材料對(duì)高性能混凝土收縮的影響。

1.1 礦渣對(duì)收縮的影響

礦渣對(duì)混凝土收縮的影響存在較大爭(zhēng)議。Brooks等研究表明，高摻量礦渣可使早期收縮增加30%，但最終收縮減小，主要是由礦渣水化反應(yīng)的延遲性及礦渣的加入使混凝土最終強(qiáng)度增強(qiáng)所致。澆筑后12h內(nèi)收縮值約達(dá)全部收縮值的90%，礦渣的加入對(duì)混凝土漿的早期收縮有降低作用，但礦渣摻量20%～50%混凝土漿體間的收縮值相差不大。高性能混凝土以自收縮為主，因此研究礦渣對(duì)收縮的影響可通過研究自收縮即可。梁文泉認(rèn)為，采用比表面積>400cm2/g的礦渣替代水泥后，混凝土的自收縮值高于基準(zhǔn)樣；磨細(xì)礦渣摻量≤45%時(shí)，自收縮值隨摻量增加而減小；摻量達(dá)65%時(shí)，混凝土自由收縮值明顯增大，28d自收縮值達(dá)313×10-6。磨細(xì)礦渣增大了高性能混凝土早期自收縮，且隨磨細(xì)礦渣摻量的增加而增大、早期自收縮速度增大。

磨細(xì)礦渣對(duì)混凝土收縮的影響與其細(xì)度有關(guān)。當(dāng)磨細(xì)礦渣與水泥細(xì)度相當(dāng)時(shí)，混凝土收縮可隨礦渣摻量的增加而稍有減少；當(dāng)?shù)V渣細(xì)度>400cm2/g時(shí)，混凝土收縮隨礦渣摻量的增加而增加。原因是磨細(xì)礦渣的活性更高，加速了混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的降低。但當(dāng)摻量超過一定量后，未反應(yīng)的顆粒增多，對(duì)混凝土的自生體積收縮起抑制作用。

1.2 粉煤灰對(duì)收縮的影響

粉煤灰的摻入具有減緩和降低混凝土早期收縮的作用，隨粉煤灰摻量的加大，混凝土早期收縮降幅也增大，原因是粉煤灰細(xì)微顆粒均勻分布于水泥漿體中，成為大量水化物沉積的核心；隨著水化的進(jìn)展，這些細(xì)微顆粒及水化產(chǎn)物填充水泥孔隙，減小混凝土毛細(xì)孔的尺寸和水分的擴(kuò)散，從而降低了混凝土的收縮值。

粉煤灰雖為活性混合材料，但在水泥漿體系中的水化非常緩慢，相當(dāng)于增加早期有效水灰比，因此粉煤灰可降低混凝土內(nèi)部的早期自干燥速度，顯著降低早期自收縮。后期粉煤灰的繼續(xù)水化使水泥內(nèi)部自干燥程度提高，但此時(shí)混凝土彈性模量較高、徐變系數(shù)較低，因此在相同自干燥程度下產(chǎn)生的自收縮比早期小得多。混凝土的自收縮隨粉煤灰摻量的增加而減小。粉煤灰摻量≤20%時(shí)，隨摻量的增加自收縮值降幅增大，但摻量超過20%后粉煤灰抑制混凝土自收縮作用的增幅并不明顯。后期，不同粉煤灰摻量的混凝土自收縮增速無明顯差異。

1.3 硅粉對(duì)收縮的影響

硅粉一般應(yīng)用于高強(qiáng)、高耐久性和低滲透性等性能要求較高的混凝土。硅粉是超細(xì)活性摻合料，其比表面積很大導(dǎo)致水化加快，加速了水泥孔隙中缺水與內(nèi)部相對(duì)濕度的降低，從而增大了自干燥，隨著硅粉含量的增加，混凝土的自收縮增加，干燥收縮減小。研究表明:①硅粉對(duì)混凝土自收縮和干燥收縮均有較大影響；②摻6%～7%的硅粉可減小50%的干燥收縮。早期含硅粉的混凝土水分損失很快，24h后停止。③硅粉可減小干燥收縮，但摻硅粉卻增大了混凝土的自收縮，抵消了減小干燥收縮的優(yōu)勢(shì)。

1.4 減縮劑對(duì)收縮的影響

高強(qiáng)高性能混凝土由于水膠低、礦物摻合料高，易造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部“缺水”。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，在水泥中形成大量的微細(xì)孔，自由水不斷降低，相對(duì)濕度逐漸下降導(dǎo)致毛細(xì)孔中產(chǎn)生彎月面，水泥受負(fù)壓作用，作用于毛細(xì)管壁上而產(chǎn)生收縮。添加減縮劑后由于降低表面張力從而降低了孔內(nèi)附加壓力、提高了混凝土內(nèi)的相對(duì)濕度而減弱了自干燥效應(yīng)，達(dá)到降低混凝土體積收縮的目的。

由減縮劑的作用機(jī)理可知，在混凝土原材料和配合比一定時(shí)，減縮率是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，施工養(yǎng)護(hù)和環(huán)境條件對(duì)混凝土的減縮率影響較小。即當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件差、環(huán)境條件惡劣引起混凝土收縮增大時(shí)，由于減縮率一定，故降低收縮的絕對(duì)值也增加，反之亦然。此外，減縮劑幾乎不存在水泥適應(yīng)性問題，且與其他混凝土外加劑有良好的相容性，這是因?yàn)闇p縮劑是通過水的物理過程起作用，與水泥的礦物組成和摻合料等無關(guān)。

1.5 減水劑對(duì)收縮的影響

一般而言，摻用減水劑會(huì)使混凝土收縮有不同程度的增大。原因?yàn)?①減水劑的摻入使混凝土分散更均勻、和易性好因而水化更充分，致使混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低，最終影響早期收縮；②添加減水劑后，混凝土中孔徑變小，使同量水分蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮變大，因此使混凝土早期收縮變大；③減水劑為陰離子表面活性劑，摻入后將電離出大量的自由陽離子使混凝土內(nèi)部可溶離子濃度增大，降低內(nèi)部相對(duì)濕度從而增大早期收縮。研究表明，水灰比不同，減水劑影響程度不同；減水劑品種不同，影響也不同。在相同的水灰比情況下，脂肪族減水劑、氨基磺酸鹽減水劑和蔡系減水劑均增大混凝土的收縮且增幅較大，其中氨基磺酸鹽減水劑增幅最大，脂肪族減水劑最小；在同塌落度條件下，同早期收縮類似，減水劑較大幅度地增大了混凝土的總收縮且在水泥用量較大時(shí)作用更明顯。

減水劑使混凝土收縮有不同程度的增大，但由于存在使用情況的差別，不能簡(jiǎn)單概括具體收縮程度。

2 混凝土的收縮模型

混凝土收縮的量化便于設(shè)計(jì)者依據(jù)收縮模型設(shè)計(jì)出適合施工要求的混凝土配合比。針對(duì)普通混凝土已提出較多混凝土收縮預(yù)測(cè)模型，可考慮不同配合比和環(huán)境因素影響下的混凝土收縮。隨著高性能混凝土的廣泛應(yīng)用，對(duì)原有模型進(jìn)行修改并提出能反映高性能混凝土收縮特性的模型。

2.1 Bazant-Panula模型

Bazant-Panula模型(BP模型)主要針對(duì)普通混凝土收縮。因普通混凝土的基本收縮相對(duì)于干燥收縮較小，可忽略不計(jì)，故未對(duì)收縮進(jìn)行細(xì)分。對(duì)普通混凝土，該模型較準(zhǔn)確，但對(duì)高性能混凝土準(zhǔn)確度欠佳。

2.2 CEB-FIP模型

CEB-FIP收縮模型用于預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度低于60MPa的普通混凝土收縮，形式類似Bazant-Panula模型，與Bazant-Panula模型相比參數(shù)較少，僅以混凝土28d的棱柱體抗壓強(qiáng)度為基本變量。模型對(duì)齡期小于28d的高性能混凝土收縮預(yù)測(cè)偏低，原因?yàn)镃EB-FIP模型未考慮基本收縮。

2.3 AFREM模型

AFREM收縮預(yù)測(cè)模型適合硅粉摻量5%以上、骨料集中度0.67以上的高性能混凝土。將高性能混凝土的總收縮分為基本收縮(也稱自收縮)和干燥收縮兩部分，基本收縮體現(xiàn)水泥水化反應(yīng)和強(qiáng)度的發(fā)展。研究表明:①在齡期約4h時(shí)的混凝土強(qiáng)度約為28d齡期時(shí)的10%，此前基本收縮不發(fā)生；②28d齡期后混凝土的基本收縮不再為強(qiáng)度發(fā)展的函數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)強(qiáng)度基本為常數(shù)。該模型僅適用于高強(qiáng)、高性能混凝土，不能預(yù)測(cè)接近高性能混凝土的收縮變形，故應(yīng)用有局限性。

2.4 考慮摻合料影響的收縮模型

考慮摻合料影響的收縮模型(DNW模型)針對(duì)水膠比0.15～0.40、普通骨料、漿體體積占混凝土總體積30%的高性能混凝土和使用高效減水劑、硅灰摻量5%以上的高性能混凝土計(jì)算收縮。此預(yù)測(cè)模型也將混凝土的總收縮分為基本收縮和干燥收縮兩部分。

式中，εcs為總收縮；εbs為干燥收縮；εbso為最終干縮；t為收縮中的某時(shí)刻；ts為干縮開始時(shí)的齡期；w為水量；cm為添加外加劑之后水泥總量。

DNW模型的基本收縮為水膠比函數(shù)，收縮隨水膠比的減小而增大，硅粉的摻入僅能使基本收縮提高，與摻量無關(guān)，預(yù)測(cè)時(shí)間從初凝開始時(shí)算起。由模型可看出，高性能混凝土的最終干縮εbso與混凝土的水膠比、28d的抗壓強(qiáng)度有關(guān)。環(huán)境的相對(duì)濕度對(duì)干燥收縮有重要影響，相對(duì)濕度升高，干燥收縮減小；相對(duì)濕度降低，干燥收縮升高。該模型適用于廣泛意義上的高性能混凝土，尤其在考慮摻合料影響時(shí)，比AFREM模型具有更明顯優(yōu)勢(shì)。

2.5 模型的對(duì)比分析

因以上收縮模型的參數(shù)變量有所不同(BP模型為混凝土配合比函數(shù)，CEB-FIP和AFREM模型主要為混凝土強(qiáng)度函數(shù)，DNW模型是水膠比的函數(shù))，給模型間的對(duì)比分析增加了困難，但因混凝土水膠比和強(qiáng)度密切相關(guān)，故仍可進(jìn)行比較。

采用強(qiáng)度等級(jí)分別為C40、C60、C80、C100，尺寸為150mm ×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在溫度20±3℃、相對(duì)濕度50%的養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行測(cè)試。分別用不同水膠比、是否摻合硅粉摻合料對(duì)混凝土試塊加以配比，采用上述四種模型進(jìn)行計(jì)算，并比較各模型的干燥收縮隨混凝土強(qiáng)度及干燥時(shí)間的變化，見圖 1～3。

通過前述分析可知，BP模型和CEBFIP模型預(yù)測(cè)的基本收縮很小，可認(rèn)為這兩個(gè)模型針對(duì)的是普通混凝土的干燥收縮。由圖1可看出:

①AFREM模型預(yù)測(cè)的基本收縮小于DNW 模型預(yù)測(cè)的基本收縮；

②水膠比越小，DNW 預(yù)測(cè)基本收縮越大；

③混凝土總干燥收縮的20%發(fā)生在28d內(nèi)，超過90%的基本收縮發(fā)生在同一時(shí)期，因此，對(duì)高性能混凝土，即使忽略干燥收縮的影響。

圖1 AFREM和DNW模型預(yù)測(cè)的基本收縮

圖2 各預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的干燥收縮

圖3 各預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)干燥收縮的發(fā)展

早期收縮預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也不會(huì)降低，而對(duì)具有很低基本收縮的普通強(qiáng)度混凝土，這樣的收縮預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確。由圖2可看出，水膠比為0.40的DNW收縮模型預(yù)測(cè)的混凝土干縮量最大。由圖3可看出，AFREM模型預(yù)測(cè)含硅粉的混凝土干燥收縮較高。因DNW模型預(yù)測(cè)含硅粉的混凝土基本收縮較高，綜合考慮，兩個(gè)模型預(yù)測(cè)的含硅粉混凝土總收縮一致。

3 結(jié)束語

a.高性能混凝土水灰比低、絕熱溫升高、礦物摻合料多，混凝土的收縮機(jī)理復(fù)雜，收縮特性不同于普通混凝土，礦物摻合料對(duì)早期收縮的影響不可忽略。

b.考慮高性能混凝土的總收縮時(shí)，需區(qū)分基本收縮和干燥收縮。普通混凝土的基本收縮較小，總收縮在早期階段也較小。

c.對(duì)添加摻合料的高性能混凝土，DNW模型能更好地反映混凝土摻和料對(duì)收縮的影響。

[1]劉旭晨，廉慧珍.對(duì)摻用粉煤灰的混凝土抗裂性的試驗(yàn)研究 [J].商品混凝土，2005(1):18221.