高效減水劑對水泥基材料收縮開裂的影響分析

王靜

（上海市嘉定區建設工程質量檢測中心有限公司　上海　201800）

前言

近代材料科學技術的發展，讓水泥基材料的耐久性成為了人們在建筑領域所關注的重要問題。高性能混凝土是高性能水泥基材料中的代表元素。在提升普通混凝土技術上，注重現代混凝土技術的應用，有助于混凝土材料的耐久性、工作性與適用性的提升。根據高效減水劑技術的發展現狀，以蔗糖及氨基苯磺酸為原料的高效減水劑的制備工藝已經得到了一些學者的關注。高效減水劑對水泥基材料收縮開裂的影響的分析，可以為水泥混凝土工程結構研究工作的開展提供一定的理論支持。

1　混凝土收縮與開裂的關系

水泥基材料收縮開裂現象是混凝土收縮與開裂的關系的體現。在固體材料領域，裂縫現象可以被看作是一種較為常見的不連續現象[1]。一般情況下，粘著裂縫和水泥石裂縫等裂縫是較為常見的混凝土裂縫形式。根據裂縫現象的產生原因，混凝土裂縫現象可以表現為荷載裂縫、次荷載裂縫等多種形式。不論是荷載裂縫還是次荷載裂縫，二者均與直接應力和次應力之間有著較為密切的聯系。混凝土的體積變化是導致非荷載裂縫問題的主要原因。一般情況下，混凝土在自由收縮條件下并不會產生開裂現象，但是從建筑施工的設計情況來看，混凝土經常處于約束狀態。在約束狀態下，混凝土所產生的拉應力可能會超過混凝土自身的抗拉強度，此時混凝土會出現開裂現象。在水泥混凝土收縮變形問題的影響下，形變裂縫，也會成為引發混凝土結構裂縫問題的重要因素。在對混凝土開裂現象進行分析以后，我們可以發現，與之相關的建筑結構物耐久性下降的問題會造成嚴重的經濟損失。

2　高效減水劑對水泥及材料收縮開裂的影響的實驗分析

2.1　實驗原材料

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》的相關內容，平板刀口約束法是人們研究高效減水劑品種及聚羧酸減水劑應用量對混凝土開裂性能的影響的重要研究方法。試驗過程中所使用的水泥為某水泥生產企業利用窯外分解新型干法生產的普通硅酸鹽水泥。表1所示的內容為水泥的物理力學性能。

表1　水泥的物理力學性能

根據表格中所反映的信息，應用于實驗過程的細集料為細度模數3.0的河沙材料，此類材料的含泥量為2.2%，泥塊含量為0.8%。試驗所需的石灰石碎石（粗集料）的粒徑在5～20mm之間，含泥量為0.06%，泥塊含量為0.24%。試驗過程中所應用的高效減水劑主要有以下幾種類型：①固含量為20%的聚羧酸系高效減水劑；②固含量為40%的脂肪族類高效減水劑；③粉狀萘系減水劑；上述三種減水劑的參量分別為水泥用量的0.5～1.5%、1～2%和 0.5～1.5%[2]。

2.2　實驗方法

在平板刀口約束法應用于水泥基材料開裂評價以后，試驗人員需要根據相關實驗規范的要求，將已經制備完成的混凝土材料澆筑至模具之中，并要在澆筑完成以后進行振搗處理。在避免骨料外露問題的同時，試驗人員需要保證混凝土表面的平實度。在試件成型30min以后，相關人員需要通過調節風扇位置和風速的方式調節風俗，風速調節區域為試件表面中心處正上方100mm處。（根據一些學者的研究結果，試件表面中心處正上方100mm處的理想風速為8m/s，筆者對這一觀點持肯定態度，除此以外，根據實際情況的需要，風向需要平與試件表面和裂縫誘導器）。試件存儲環境的濕度值需要控制在18～20℃之間；環境濕度需要控制在55～65%之間。在調節風扇位置和風速的同時，試驗人員需要實時觀察試件的開裂情況，并要在實驗開始24h以后觀察裂縫數量、寬度及長度等因素。如果刀口之中存在有多種裂縫，試驗人員需要將這些裂縫相加折合成一條裂縫，并要借助專用化的裂縫測寬設備進行測量。平均開裂面積、開裂裂縫的數量惡化單位面積內的總開裂面積是這一試驗方法所關注的主要試驗指標。

水泥砂漿收縮測定方法的應用，要求人們在試驗進行過程中，關注骨料種類變化所引起的收縮率波動問題。現階段用于測定水泥基材料砂漿收縮的主要材料為ISO標準砂配制的砂漿。根據試驗的需要，實驗人員可以將砂漿膠凝材料控制為450g，水灰比與混凝土的水灰比之間的理想比例為1：3。除此以外，試驗人員需要保證同一配比的干縮試樣與自收縮試樣同時成型。試驗過程中所應用的三聯試模成型試樣為40mm×40mm×160mm的試樣。試驗過程所需的收縮試件模器兩端需要安裝銅側頭。在砂漿入模完成以后，試驗人員在對混凝土表面進行搗實、抹平處理以后，需要在模型表面覆蓋塑料薄膜或濕布，以避免水分散失問題的出現。在水泥基齡期為0～12h的情況下，試驗人員需要每隔3h開展一次數據測讀；在齡期為12～72h階段，試驗人員的數據測度頻次為每12h一次，在72～168h之間，試驗人員需要每天完成一次數據測讀。收縮測試終齡期為7d，7d以后，試驗人員需要在完成干燥試樣脫模處理以后，將水泥基實踐置于水中進行養護，養護的時間為2d，水溫需要控制在20℃左右。在完成養護以后，水泥基存儲環境的環境溫度需要控制在17～23℃之間；環境相對濕度需要控制在46～54%之間。

3　試驗結果分析

3.1　高效減水劑對水泥基材料開裂性能的影響

根據水泥基混凝土抗裂性能試驗及水泥砂漿收縮測定試驗的內容，試驗人員在試驗進行過程中，需要保證混凝土混合比的一致性。并要在對不同種類的減水劑進行應用的基礎上，對高效減水劑品種度混凝土抗裂性能的影響進行分析。表2所示的內容為不同高效減水劑品種的混凝土配合比、坍落度與強度的變化情況。

表2　不同高效減水劑品種的混凝土配合比、坍落度與強度

根據上述表格所反映的信息，不同種類的高效減水劑品種對水泥基材料收縮開裂的影響主要集中在了最大裂縫寬度及單位面積內的總開裂面積等多種因素。以不同減水劑對混凝土最大裂縫寬度大小為例，聚羧酸減水劑應用以后的混凝土單位面積總開裂面積與脂肪族減水劑的混凝土單位面積總開裂面積之間具有一定的相似性。應用萘系減水劑的混凝土單位面積的總開裂面積高于其他兩種減水劑的單位面積總開裂面積，故而在對最大裂縫寬度和單位面積總開裂面積等因素進行綜合分析以后，可以發現，聚羧酸減水劑的應用，具有著降低混凝土開裂風險的作用。這種高效減水劑可以讓混凝土在24h內的最大裂縫寬度得到控制[3]。

因為實驗環境控制在在水灰比相同的環境下，聚羧酸減水劑摻量與水泥顆粒分散度之間會呈現出正相關關系，前者的增加，可以發揮出提升分散度的作用。體積流動度游離水含量的增加，可以在提升自由水蒸發速率的基礎上，加劇混凝土的開裂。在坍落度相同的情況下，混凝土24h內的最大裂縫寬度與減水劑摻量之間存在一種負相關關系，單位面積總開裂面積與摻量之間也具有負相關關系。

3.2　高效減水劑對水泥基材料收縮性能的影響

高效減水劑水泥砂漿收縮測定方法的實驗原理為借助水泥砂漿的收縮分析混凝土的收縮情況。表3所示的內容為不同品種高效減水劑水泥砂漿配合比對及膠砂流動度的變化情況。

表3　不同品種高效減水劑水泥膠砂配比及流動度

根據上述圖表所反映的信息，相比于萘系減水劑和脂肪族減水劑，聚羧酸減水劑具有著抑制砂漿自收縮與干燥收縮的作用。

4　結語

水泥基材料收縮開裂性能與高效減水劑的種類之間存在這一定的聯系。相比于萘系減水劑和脂肪族減水劑，聚羧酸減水劑不會表現出存在會加劇混凝土開裂風險問題。聚羧酸減水劑所具有抑制砂漿自收縮與干燥功能可以為水泥基材料的質量提供一定保障。

[1]李彥青，郝光明，羅 應，孔紅星，李利軍，王勤為.以蔗糖及對氨基苯磺酸為原料高效減水劑的合成[J].新型建筑材料，2017，44（01）：81～85.

[2]李國新，曾志英，陳暢，史琛，李娜.泥粉對摻高效減水劑水泥漿體流動性的影響及對策研究[J].硅酸鹽通報，2013，32（07）：1340～1345+1351.

[3]何廷樹，申富強，王福川，王會安.復合使用高效減水劑與緩凝劑對水泥水化歷程的影響[J].硅酸鹽學報，2007（06）：796～800.