聚羧酸減水劑對超高性能混凝土性能的影響研究*

陳露一 張志豪 黃有強 李 信

(1.中鐵橋研科技有限公司 武漢 430034； 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種具有超高強度與優(yōu)異耐久性的新型水泥基復合材料，適用于各種嚴苛環(huán)境下的大跨高層建筑結構，其研究與應用已成為近年來土木工程的熱點與前沿技術。UHPC優(yōu)異的韌性可以滿足橋面鋪裝對混凝土材料抗拉強度的要求，與正交異性板鋼橋面結合形成的組合橋面可以顯著提高橋面剛度，降低正交異性板的應力幅[1]，提高鋼橋面板疲勞壽命，一舉解決鋼橋面鋪裝層損壞和鋼橋面板疲勞開裂兩大技術難題，已成為業(yè)界的共識[2]。該項技術已相繼應用于蒙華鐵路洞庭湖特大橋、荊州長江公鐵大橋、成貴鐵路金沙江大橋、軍山長江大橋，以及滬通長江大橋等大型公路鐵路橋梁工程。UHPC具有致密的內部結構，耐久性能較普通混凝土有顯著提高，抗?jié)B等級>P40，抗沖磨強度達到C50混凝土的4～5倍。得益于UHPC優(yōu)異的綜合性能，可減小混凝土結構的重量，相同荷載條件下，UHPC構件的重量通?？梢赃_到普通混凝土構件重量的1/3～1/2，滿足嚴苛環(huán)境下結構的高性能要求，具有廣闊的應用前景。

減水劑是混凝土實現高性能化的重要材料之一，其可提高混凝土的流動度，減少用水量，降低水膠比，從而保證混凝土材料的性能要求。董軍軍[3]研究了聚羧酸減水劑摻量對早強型灌漿料的性能影響，結果表明隨著減水劑摻量增加，灌漿料的流動度先增大后減小，而硬化漿體的抗壓強度變化不顯著；王玲玲等[4]研究表明聚羧酸減水劑的引入可在一定程度上提高鋼纖維混凝土的28 d抗壓強度與抗折強度，改善混凝土的抗?jié)B性能；霍雷[5]研究了減水劑對混凝土工作性能和強度的影響，結果表明在水灰比相同的情況下，加入減水劑后混凝土強度略有降低，繼續(xù)增加減水劑摻量時，混凝土強度基本保持不變。

作為一種水膠比極低的工程材料，UHPC往往需要使用比普通混凝土材料更大摻量的高效減水劑，UHPC不含粗骨料，粉體材料組成復雜，為了得到大流動度混凝土而導致減水劑摻量使用過多時混凝土性能是否會受到影響，目前尚無系統(tǒng)研究，本技術團隊相繼參與實施了數十座大型橋梁的UHPC應用項目，在實施過程中發(fā)現減水劑摻量過大時會明顯造成UHPC緩凝現象，那么減水劑摻量對UHPC其他性能影響如何，尚需進一步研究，而這也是UHPC工程應用時減水劑摻量合理把控應該考慮的重要問題。

聚羧酸減水劑是應用較廣泛的新型高效減水劑，本文通過不同摻量的聚羧酸減水劑制備UHPC，研究不同摻量聚羧酸減水劑對低水膠比的UHPC流動度、不同齡期抗壓強度、干燥收縮、自收縮與電通量的影響。

1 實驗

1.1 原材料

水泥采用華新P·O 42.5水泥，實測28 d 抗壓強度45.6 MPa；硅灰由成都東藍星科技發(fā)展有限公司生產，表觀密度為1 800 kg/m3；粉煤灰比表面積為2 000 m2/kg，表觀密度為2 500 kg/m3；細集料為(830～380，>380～212μm)2種不同粒徑的石英砂；高效減水劑為江蘇產的聚羧酸高效減水劑，減水率大于30%；拌和用水為潔凈自來水。

1.2 試驗配比

UHPC材料固體組分組成見表1，試驗配合比在固體組成的基礎上加入不同比例的聚羧酸減水劑，水膠比為0.19。

表1 UHPC固體組分體積比

1.3 試驗方法

UHPC流動度測試參照GB/T 2419-2005 《水泥膠砂流動度測定方法》中的截錐金屬圓模和模套進行，倒入漿體后提起圓模，待漿體不再流動時，測量相互垂直方向的直徑后取兩者平均值。

UHPC早期自由收縮、硬化收縮變形、電通量試驗參照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，收縮試驗見圖1。

圖1 UHPC收縮試驗

早期自由收縮測試齡期以3 d為準，長期干燥收縮試件成型脫模后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護3 d，從標準養(yǎng)護室取出并立即移入恒溫恒濕室測定初始長度，此后按照1，3，7，14，28，45，60 d的時間間隔測量其收縮值。電通量試驗為不含鋼纖維的UHPC試件，在試件養(yǎng)護到28 d齡期時進行，試驗前對試件進行真空飽水。

2 試驗結果分析及討論

2.1 減水劑對UHPC流動度的影響

不同聚羧酸減水劑摻量的UHPC流動度測試結果見表2。

表2 不同減水劑摻量的UHPC流動度

由表2可知，在一定摻量范圍內增加減水劑用量可以明顯提高UHPC流動度，但是混凝土減水劑用量存在一個飽和點，該配比下的減水劑飽和摻量點約為1.3%。超過飽和摻量點后，增加減水劑摻量，漿體流動度保持穩(wěn)定，基本無變化。聚羧酸減水劑對水泥的分散作用機理為吸附/靜電排斥作用與空間位阻作用的雙重機制，并以空間位阻作用為主，從而保證了聚羧酸系減水劑對水泥顆粒良好的分散性。當減水劑摻量超過飽和摻量點后，水泥顆粒表面吸附空位被逐漸占據并達到飽和，此時繼續(xù)增加減水劑摻量，減水劑的吸附量幾乎不再增加，漿體流動度也就不再增加[6]。

2.2 減水劑對UHPC抗壓強度的影響

不同聚羧酸減水劑摻量的UHPC各齡期抗壓強度見圖2。

圖2 減水劑摻量對UHPC抗壓強度的影響

由圖2可見，減水劑摻量對UHPC的早期強度影響顯著，在一定范圍內，隨著減水劑摻量的增加，混凝土早期強度增加，后期強度發(fā)展穩(wěn)定，超過臨界點后，UHPC早期強度和后期強度均有不同程度地降低。減水劑摻量為0.5%時，UHPC 3，28 d抗壓強度分別為79，118.1 MPa，減水劑摻量增加到1.5%時，UHPC 3，28 d抗壓強度分別增長到91.9，121.2 MPa，而當減水摻量為2.5%時，UHPC 3，28 d抗壓強度分別為50，105.3 MPa。在飽和摻量點前，加入聚羧酸減水劑可以釋放低水膠比體系水泥顆粒絮凝團中的絮凝水，有利于水泥顆粒水化，因此對早期強度有一定的提升作用。但是當減水劑摻量超過飽和摻量點以后，聚羧酸減水劑所含的大量有機官能團在水泥水化產物的堿性介質中與游離Ca2+反應生成不穩(wěn)定絡合物，在水化初期控制了液相中Ca2+的濃度，產生緩凝作用，從而導致早期強度降低[7]。隨著水化過程的進行，這種不穩(wěn)定絡合物將自行分解，水化則繼續(xù)正常進行。

2.3 減水劑對UHPC自收縮的影響

以減水劑飽和摻量點1.3%為參考，選取減水劑摻量分別為0.8，1.3，1.8% 3組UHPC進行早期自收縮性能研究，結果見圖3。

圖3 不同減水劑摻量UHPC早期收縮曲線

由圖3可見，隨著減水劑摻量的增加，UHPC材料的早期收縮呈減小趨勢。減水劑摻量由0.8%增加到1.3%時，自收縮值降低9.2%；減水劑摻量增加到1.8%時，UHPC自收縮率降低到472×10-6。自收縮產生的主要原因為水泥水化過程中水化產物增加，毛細水量不斷減少，漿體內部出現氣孔，水分不斷被消耗，體系內部相對濕度降低，產生毛細管壓力，因而產生自收縮。UHPC早期收縮受凝結時間影響，但目前其早期收縮測試起始點尚無公認界定，UHPC收縮對結構早期開裂有較大影響，而與開裂相關的收縮主要是初凝后產生的，本文選取自收縮測試初始為初凝時間點。減水劑對漿體早期水化產物結構的形成影響較大，當漿體減水劑增大時，表現出明顯的緩凝現象，初凝時間也相應延長，相對緩慢的化學與物理作用使得材料內部結構的微細孔內自由水量增多，毛細水管壓力發(fā)展速度減緩，從而早期自收縮有所降低[8]。

2.4 減水劑對UHPC干燥收縮的影響

減水劑摻量分別為0.8，1.3，1.8%時的UHPC長期干燥收縮結果見圖4。由圖4可見，隨著減水劑摻量的增加，UHPC長期干燥收縮明顯增大。減水劑摻量從0.8%增加到1.3%時，UHPC干燥收縮增加15%，減水劑摻量增加到1.8%時，UHPC干燥收縮率達到469×10-6。UHPC干燥收縮的原因是毛細孔水蒸發(fā)產生的收縮和凝膠體吸附水蒸發(fā)引起的膠凝體緊縮。減水劑的加入會影響硬化漿體的孔隙率與孔徑尺寸，并且會改變毛細孔水的表面物理化學性質，導致液相與毛細孔壁界面接觸角變化，從而對UHPC收縮性能產生影響[9]。加入減水劑后體系中的水相對增多，且體系內部的毛細孔尺寸減小，毛細孔越細越均勻，失水后其產生的負壓越大，越大的負壓作用在毛細孔壁上就加大了UHPC的干燥收縮。

圖4 不同減水劑摻量UHPC長期干燥收縮曲線

2.5 減水劑對UHPC電通量的影響

減水劑摻量分別為0.8%，1.3%，1.8%時的UHPC電通量測試結果見圖5。

圖5 不同減水劑摻量UHPC電通量測試結果

由圖5可見，隨著減水劑摻量的增加，UHPC的電通量值增大。減水劑摻量為0.8%，1.3%，1.8%時，UHPC電通量值分別為120.2，138.4，162.1 C，減水劑摻量增加0.5%時，電通量值增幅分別為15.1%，17.1%，即減水劑摻量越大，繼續(xù)增加減水劑摻量時UHPC電通量值增長越快?？?jié)B性是提高和保證UHPC材料耐久性需要控制的重要性能，UHPC不含粗骨料，內部界面缺陷少，水膠比低，硬化后體系孔隙率小，且活性礦物摻和料多，火山灰效應、二次水化反應可有效改善混凝土孔隙結構。相比于普通混凝凝土，UHPC電通量小得多，抗氯離子滲透性強，隨著減水劑摻量的增大，UHPC抗氯離子滲透能力有下降趨勢。

3 結語

1) 聚羧酸減水劑可以提高UHPC流動度和抗壓強度，但其摻量存在一個臨界飽和點，臨界點前UHPC流動度和強度隨著減水劑的增加而增大，超過臨界點后，繼續(xù)增加減水劑摻量，漿體流動度保持穩(wěn)定，變化不大，UHPC早期強度和后期強度均有不同程度降低，根據不同摻量的UHPC性能表現，減水劑摻量宜為1.5%。

2) 以飽和摻量1.3%為參考點，隨著聚羧酸減水劑摻量從0.8%分別增加到1.3%和1.8%時，UHPC早期收縮呈減小趨勢，而長期干燥收縮與電通量則明顯增大，減水劑摻量由0.8%增加到1.3%時，自收縮值降低9.2%，干燥收縮增加15%，電通量增加15.1%。