不同類型高效減水劑對混凝土性能的影響

譚俊華

(1.太原理工大學,山西 太原 030024;2.太原工業學院,山西 太原 030008)

不同類型高效減水劑對混凝土性能的影響

譚俊華1,2

(1.太原理工大學,山西 太原 030024;2.太原工業學院,山西 太原 030008)

對比研究了3類不同高效減水劑配制的混凝土力學性能、工作性能及抗裂性。結果表明,用聚羧酸系高效減水劑配制的混凝土具有坍落度損失小、抗裂性能較好及抗壓強度高等優點。因此,在配制高性能混凝土時,首先宜選用聚羧酸系高效減水劑。

高效減水劑;混凝土;坍落度;抗裂性

引 言

混凝土外加劑已成為混凝土中不可缺少的第5組分。縱觀混凝土和減水劑的發展歷程,可以發現兩者之間是相互促進、共同發展的。混凝土外加劑的新品種開發促進了混凝土技術的進步,而高效減水劑的應用則成為混凝土技術發展的一個重要里程碑。日本花王石堿公司服部健一等研制成功的萘系減水劑和聯邦德國研制成功的磺化三聚氰胺甲醛縮合物減水劑[1-3],因對水泥分散性好、減水率高,被稱為高效減水劑。高效減水劑減水率較高,又有早強作用,其作用機理除了分散吸附外,還有吸附雙電層的電性斥力作用。高效減水劑具有較高的減水率,能在水化早期促進水化反應的進行。水化產物很快沉積到水泥顆粒的表面,使Zeta電位降低,從而使混凝土混合物的流動性大幅度提高,同時顯著改善混凝土的耐久性,可以制得高流動性混凝土、泵送混凝土、高強混凝土等,對于大體積混凝土工程、海上建筑設施、輕質高強混凝土構件和制品等都具有十分重大的意義。本文詳細地對比了不同高效減水劑的特性及其對混凝土性能的影響[4-6]。

1 高效減水劑的種類及特性

1.1 萘磺酸甲醛縮合物減水劑

萘磺酸甲醛縮合物減水劑(簡稱萘系減水劑, NSF),主要成分為萘磺酸甲醛縮合物,是一種極性分子,其中的磺酸基(——)是強親水基團。NSF是由萘用濃硫酸磺化得到β-萘磺酸、與甲醛縮合、用苛性鈉中和得到的萘磺酸鈉甲醛縮合物。萘系減水劑是目前國內生產量最大、使用最廣的高效減水劑。其特點是減水率較高,不引氣,與水泥適應性好,價格相對便宜,與各種外加劑復合性能好。缺點是坍落度經時損失較大,混凝土有些發黏。

1.2 三聚氰胺系減水劑

三聚氰胺系減水劑(俗稱密胺減水劑,S M)以三聚氰胺、甲醛等為原料,經過羥甲基化、磺化及縮合等工藝制成。特點是減水率較高(25%),早強效果顯著,引起性低。但三聚氰胺價格較高,生產工藝復雜,產品穩定性差,因而在很大程度上限制了其發展和應用。

1.3 聚羧酸系減水劑

聚羧酸系高效減水劑(簡稱PC系列減水劑)是甲基丙烯酸與其他單體的共聚物,活性官能團為羧基(—COO-—)、聚乙氧基(—OCH2CH2—),具有超分散性,能阻止混凝土坍落度損失,且不引起明顯緩凝,是目前國內外化學外加劑研究與開發的重點。與其他高效減水劑相比,PC系列減水劑主要有以下突出的優點[7-10]:低摻量(0.2%～0.5%);分散性能好;保坍性好,90 min內坍落度基本無損失;在相同流動度下,延緩凝結時間較少;分子結構自由度大,外加劑制造技術上可控制的參數多,高性能化的潛力大;合成中不使用甲醛,因而對環境不造成污染,是一種綠色環保產品。但聚羧酸系減水劑與其他外加劑的相容性不太穩定,故對PC系列減水劑的合成、作用機理和應用等方面的研究還有待進一步深入進行[11,12]。各種高效減水劑的分子結構式如圖1所示。

2 高效減水劑對混凝土性能的影響

2.1 實驗原材料(見表1)

砂:河砂、中砂,細度模數為2.68。

石:人工碎石,10 mm～30 mm碎石和20 mm～40 mm碎石搭配使用。

實驗采用的混凝土基本配合比見表2。

圖1 各種高效減水劑的分子結構式

表1 實驗原材料

表2 混凝土基本配合比

2.2 實驗方法

本實驗分別采用3類減水劑配制混凝土,調整混凝土坍落度在120 mm～150 mm。測定混凝土15、30、60、90 min的坍落度及混凝土3、7、28 d的抗壓強度[7]。按照設定的混凝土坍落度范圍,采用不同高效減水劑摻量進行多次試配,最終得到的混凝土配合比見表3。

采用水泥基材料抗裂性能測試儀的變形感應裝置[5],研究不同高效減水劑對混凝土早期開裂性能的影響。該裝置的使用方法是:試件成型后置于相對濕度為(60±5)%、溫度為(25±3)℃的環境中,用放大倍數為40倍的裂縫觀測儀觀測裂縫的發展。開始的時候,每隔5 min觀察1次,裂縫貫穿后,每2 h觀測1次,直至12 h。水分蒸發實驗所用的模具是直徑150 mm、高50 mm的圓筒,每小時用電子天平稱量1次。

表3 混凝土配合比

3 結果與討論

3.1 對新拌混凝土坍落度的影響

坍落度是表征混凝土流動性及和易性的重要指標之一。坍落度越大,混凝土的流動性越好。坍落度損失是指混凝土在攪拌好并經過一定時間后所測坍落度與其初始坍落度的差值(絕對值)。影響混凝土坍落度損失的因素很多,如水灰比、水泥和集料的特性以及減水劑的種類等。本文主要研究減水劑對坍落度的影響。在表2配合比下的混凝土坍落度損失見圖2。

圖2 摻不同減水劑混凝土坍落度隨時間的變化

由圖2可知,30 min內萘系減水劑混凝土的坍落度經時損失最大為60%,三聚氰胺系減水劑混凝土坍落度最大經時損失30%,聚羧酸系減水劑混凝土坍落度最大經時損失不足20%。這表明聚羧酸系減水劑的保坍性最好。其作用機理是,聚羧酸系減水劑在水泥中呈梯形的吸附形態,水泥粒子間高分子吸附層的作用力是立體靜電斥力,具有更大的分散效果,并能保持其分散系統的穩定性,Zeta電位變化小。所以,加入聚羧酸系減水劑的混凝土坍落度損失比常用減水劑小。

3.2 對混凝土抗壓強度的影響

不同減水劑對硬化水泥漿體的強度及后期強度發展的影響作用不同。高效減水劑能大幅度地降低混凝土拌合物的拌合用水量,顯著地改善水泥的水化程度,兩者的綜合效果是顯著地提高混凝土各齡期的強度。經驗表明,摻高效減水劑混凝土的抗壓強度、抗彎強度和靜態彈性模量較空白混凝土都有不同程度的提高[8,9]。采用表2配合比的混凝土抗壓強度見表4。

表4 混凝土抗壓強度

從表4中可見,摻入高效減水劑的混凝土與沒有摻減水劑的混凝土的強度相比,混凝土3 d時的抗壓強度提高15%;在7 d時可提高20%;到28 d時的強度可提高到30%左右。早期抗壓強度最高的聚羧酸系減水劑,其28 d后的抗壓強度也是最高的。萘系減水劑混凝土在3 d時的抗壓強度偏低,早強效果一般。

3.3 對混凝土早期開裂性能的影響

外加劑與水泥的適合性是個復雜的問題,在某種水泥中坍落度經時損失小的減水劑,在另一種水泥中坍落度經時損失可能會大,至今尚未有一種對任何水泥都有較好效果的高效減水劑,使用前必須經過實驗。目前,實際應用中的混凝土評定指標常常為混凝土強度與坍落度,而忽視了混凝土的體積穩定性問題。體積穩定性不良會引起混凝土早期收縮,形成裂縫。若混凝土早期的收縮裂縫處理不當,就會加速混凝土的開裂,這不但會影響建筑物的外觀和使用功能,而且會對建筑物的結構安全性和耐久性造成危害。影響混凝土早期開裂性能的因素有很多,如外加劑品種和摻量、環境溫度及風速等都會使混凝土出現裂縫[5]。圖3為外加劑品種與早期裂縫的實驗數據對比。

圖3 外加劑品種與早期裂縫的實驗數據對比

從圖3可看出,使用三聚氰胺系減水劑混凝土的開裂面積及最大裂縫寬度相對較小,其開裂面積分別是使用聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的76%和52%,最大裂縫寬度是使用聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的40%左右。外加劑品種對混凝土的開裂時間影響很小。造成混凝土開裂性能差別的原因可能與外加劑組成中的某些組分對混凝土收縮和凝結過程產生不同影響有關。

4 結論

1)摻入不同高效減水劑混凝土的坍落度損失不同,一般是聚羧酸系<三聚氰胺系<萘系。

2)用聚羧酸減水劑配制的混凝土3 d和28 d抗壓強度均最大;萘系減水劑3 d時的抗壓強度值較低,早強效果不顯著。

3)外加劑的品種對混凝土的開裂性能有一定的影響。摻三聚氰胺系減水劑混凝土的抗裂性能優于其他2種混凝土,萘系減水劑混凝土的抗裂性能最差。

4)在配制高性能混凝土時,為保證混凝土的施工性能,宜選用聚羧酸系減水劑。

[1]張秀芝,楊永清,裴梅山.高效減水劑的應用與發展[J].濟南大學學報:自然科學版,2004,18(2):139-143.

[2]任先艷,劉才材.聚羧酸系減水劑的合成及性能[J].西南科技大學學報,2008,23(4):2-7.

[3]馬國保,譚洪波,許永和,等.不同減水劑對水泥水化的作用機理研究[J].混凝土與水泥制品,2007(5): 6-8.

[4]王雪芳.坍落度與減水劑對混凝土早期開裂性能的影響[J].廈門大學學報:自然科學版,2008,5(47):681-685.

[5]歐陽新平,李 嘉,邱學青.混凝土減水劑的發展與綠色化[J].世界科技研究與發展,2006,28(2):30-36.

[6]李崇智,李永德,馮乃謙.聚羧酸系減水劑結構與性能關系的試驗研究[J].混凝土,2002(4):1-5.

[7]DiasW P S.Influence ofmix and environment on plastic shrinkage cracking[J].Magazine of Concrete Research, 2003,55(4):385-394.

[8]左彥峰,王棟民,吳紹祖.聚羧酸系超塑化劑對水泥漿體流動性的影響[J].建筑材料學報,2004,7(6):174-177.

[9]李長太,錢覺時,賈興文.多羧酸系高效減水劑與水泥的相容性[J].水泥,2004(2):7-8.

[10]潘莉莎,邱學青,龐煜霞,等.減水劑對水泥水化性能的影響[J].硅酸鹽學報,2007,35(10):1371-1376.

[11]尹訓周.聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的對比實驗研究[J].化學建材,2005(3):19-21.

[12]呂智英,胡曉波.高效減水劑改性研究綜述[J].混凝土,2007(3):63-68.

Abstract:This paper through the analysis of the work performance,mechanics performance and crack resistance of concrete,which made by three kinds of high range water reducers.It shows that,polycarboxylic type water reducerwith the preparation of the concrete has s mall concrete slump loss,better resistance to crack and high compressive strength.So it is suitable that the departmentof polycarboxylate superplasticizer selected,in the preparation of high perfor mance concrete.

Key words:superplasticizer;concrete;slump;crack resistance

Effect of high range water reducer on Concrete performance

TAN Jun-hua
(1.Ta iyuan Un iversity of Technology,Ta iyuan Shanxi030024,China; 2.Ta iyuan I nstitute of Technology,Ta iyuan Shanxi030008,China)

TU528.042.2

A

1004-7050(2010)06-0008-04

2010-09-25

譚俊華,女,1982年出生,太原理工大學在讀碩士研究生,助教。研究方向:無機非金屬材料。