摻不同品種減水劑的水工混凝土性能研究

陳業廣

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

目前，水泥基材料正超HPC高性能混凝土的方向研究與發展，HPC除既要用優質集料、水泥、水還要摻適量的高效減水劑和活性細摻料[1]。對于硬化或新拌混凝土減水劑能夠明顯改善其性能，減水劑的廣泛應用促使混凝土邁入了新的時期[2-3]。減水劑是混凝土中使用最廣泛的一種外加劑，產品類型多樣，成分與性能不一。鑒于此，文章利用室內試驗，探討了摻JB-45A、QW-4、PCA-Ⅰ三種減水劑的水工混凝土抗裂性能、抗沖磨強度、抗沖擊韌性、變形性能、熱學和基本力學性能。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗所用水泥為“渾河牌”PM·H 42.5級中熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為綏中電廠Ⅰ級灰，硅粉為S95級礦粉；試驗選用人工粗、細骨料，經檢測其物理性能符合《水工混凝土施工規范》要求；拌合水為飲用水；外加劑選用UHE-1高效引氣劑和奧克JB-45A、科諾QW-4、蘇博特PCA-Ⅰ三種高效減水劑，減水劑性能指標，見表1。

表1 減水劑性能指標

混凝土拌合物性能及其試驗配合比，混凝土拌合物性能與試驗配合比，見表2。因此，在含氣量和坍落度相同情況下，UHE-1引氣劑與JB-45A減水劑的復摻摻量為0.005%、0.7%-0.8%，UHE-1引氣劑與QW-4減水劑的復摻摻量為0.010%、0.7%-0.8%，UHE-1引氣劑與PCA-Ⅰ減水劑的復摻摻量為0.005%、0.5%-0.6%。

表2 混凝土拌合物性能與試驗配合比

1.2 試驗方法

1)力學性能試驗。根據《水工混凝土試驗規程》規定的方法測試混凝土極限拉伸值、劈裂強度和抗壓強度，力學性能檢測試樣為150mm×150mm×150mm，所用的試驗工具有位移傳感器、翼形外夾具等。

2)變形性能、熱學試驗。依據《水工混凝土試驗規程》推薦的方法成型、養護混凝土干縮試件，選用弓形臥式螺旋測微儀作為測量儀器，所用試樣為100mm×100mm×515mm。設計φ200mm×600mm試樣用于混凝土自生體積變形測試，將DI-25型差動電阻式應變計垂直對稱埋入混凝土試件內，利用SBQ-2型水工比例電橋按《水工混凝土試驗規程》規定的方法量測其變形，并完成相應的數據處理。

采用JR-4型測試儀測量混凝土絕熱溫升，按照《水工混凝土試驗規程》規定方法完成試驗數據的處理和相關計算。

3)抗沖擊韌性試驗。本試驗利用自由落錘沖擊法測試混凝土抗沖擊韌性，抗沖擊韌性試驗裝置，見圖1。

圖1 抗沖擊韌性試驗裝置

抗沖擊試驗所用的混凝土試件為150mm×64mm，試件的中心線與沖擊錘(重4.5kg)中線對齊，測試過程中沖擊錘的自由下落高度h為457mm，經多次反復沖擊直至沖擊錘破壞混凝土終止試驗，為減少試件受底板的橫向約束可對試件底部抹一層黃油。將直徑64mm的鋼球放置在試件的上表面正中心，試驗時觀察試件表面準確記錄初裂的沖擊次數N1，隨著不斷沖擊裂縫進一步擴展，試件體積也逐漸變大，當試件膨脹接觸到第3個擋板時認為發生破壞，記錄試件沖擊破壞次數N2。混凝土抗沖擊韌性評價指標選用試件初裂后繼續吸收的沖擊能△W、破壞過程中所吸收的全部沖擊能W、破壞沖擊次數N2、初裂沖擊次數N1以及初裂至終裂破壞次數差△N。

4)抗沖磨和抗裂性試驗。文章利用水下鋼球法和技術規范推薦的平板法測定混凝土抗沖磨及抗裂性能[4-5]。采用抗沖磨強度代表抗沖磨性能，設計φ300mm×100mm試樣測試抗沖磨強度；抗裂性試驗裝置為63mm×600mm×600mm，為了減少對混凝土的約束試模內鋪設一層塑料薄膜，以周邊放置的L形鋼筋網形成約束，澆筑成型后，利用電風扇和太陽燈促使試樣快速脫水收縮，經24h測定裂縫的寬度與長度。

2 結果與分析

2.1 極限拉伸值與抗壓強度

摻不同品種減水劑的試樣極限拉伸值和抗壓、抗劈裂強度，混凝土極限拉伸值與強度，見圖2。試驗表明，摻QW-4減水劑的極限拉伸值、抗壓強度、抗拉強度較JB-45A減水劑有所降低；摻PCA-Ⅰ減水劑的28d、90d齡期抗拉強度和劈裂強度略高于JB-45A減水劑，但其180d齡期抗拉強度略低于JB-45A減水劑；對于極限拉伸值，摻PCA-Ⅰ減水劑的90d、180d齡期極限拉伸值與摻JB-45A相差不大，并且兩者的28d齡期值均較低。

(a)抗壓強度

實踐表明，混凝土強度主要取決于內部的孔隙結構，而水泥水化程度、水膠比與混凝土內部孔結構密切相關[6]。高效減水劑的摻入在很大程度上影響著水泥水化程度和水膠比，主要體現在以下方面：①在流動性保持不變的條件下，摻入高效減水劑能夠明顯減小水膠比，大幅降低內部孔隙率，有利于改善孔隙結構；②減少用水量能夠使水化產物或水泥顆粒表面的水膜變薄，改善水泥石與骨料界面膠合狀態，提高內部密實度和整體強度[7]。

本試驗所用的3種高效減水劑均屬于聚羧酸序列產品，其分子結構有利于增強混凝土的強度，對于混凝土強度側鏈分子量表現出一定規律性，即側鏈分子量越大則混凝土強度越高。因此，側鏈分子量較大(長側鏈)的聚羧酸高效減水劑對混凝土的增強作用較為顯著。另外，混凝土強度還與官能團類型有關，對于混凝土強度含有丙稀酸羥基乙酯的高效減水劑發揮著改善作用。

2.2 自身體積變形與干縮性

摻不同品種減水劑的水工混凝土自身體積變形和干縮，自身體積變形與干縮性，見圖3。試驗表明，混凝土干縮受不同品種減水劑的影響較小，摻PCA-Ⅰ減水劑較JB-45A減水劑其自生體積變形略大。

(a)自身體積變形

2.3 抗沖擊韌性與抗沖磨強度

摻不同品種減水劑的水工混凝土抗沖擊韌性和抗沖磨強度，抗沖擊韌性與抗沖強度試驗值，見表3。試驗表明，摻QW-4減水劑較JB-45A減水劑其抗沖擊和抗沖磨性能有所下降，而摻PAC-Ⅰ減水劑相對較高，其改善混凝土抗沖擊韌性作用更加明顯。

2.4 絕熱溫升與抗裂性能

摻不同品種減水劑的水工混凝土絕熱溫升，混凝土絕熱溫升，見圖4。試驗表明，隨時間變化摻不同品種減水劑的混凝土絕熱溫升變化趨勢基本相同，絕熱溫升受減水劑類型的影響較低。

圖4 混凝土絕熱溫升

對于摻不同品種減水劑的混凝土抗裂性能，從抗裂性等級、開裂面積、最大裂縫寬度、裂縫條數和開裂時間等角度進行評價，混凝土抗裂性評價指標值，見表4，隨時間變化最大裂縫寬度變化特征，最大裂縫寬度變化，見圖5。

圖5 最大裂縫寬度變化

表4 混凝土抗裂性評價指標值

試驗表明，摻QW-4減水較JB-45A減水劑其總開裂面積和裂縫寬度較大，其塑性變化過程中的抗裂性較差；摻PCA-Ⅰ外加劑的總開裂面積和裂縫寬度相對較小，其塑性變化過程中的抗裂性較好。

對于提高混凝土抗裂性能聚羧酸減水劑的作用機理如下[8-9]：①水化過程中生成的Ca2+能夠與聚羧酸分子中的-OH、-COO-等構成絡合物，從而使得骨料與膠凝材料的黏結力增大，對于增強劈裂抗拉強度發揮著積極作用；②聚羧酸分子結構中的支鏈形成相互交叉的網狀結構，這相當于混凝土中均勻地分布有大量纖維，使得抗劈裂性能明顯增強；③支鏈上密集分布的極性基團使得內部微電場分布更均勻，從而提高了骨料與膠凝材料之間的黏結力，試樣的劈裂抗拉性能明顯提升[10-15]。

3 結 論

1)混凝土絕熱溫升、干縮受不同品種減水劑的影響較小；摻QW-4減水劑較JB-45A減水劑其抗裂性、抗沖擊韌性、抗沖磨強度、極限拉伸值、強度均有所下降；摻PCA-Ⅰ減水劑較JB-45A減水劑其自生體積變形、抗裂性、抗沖擊韌性、抗沖磨強度、強度等有所提高。

2)從作用機理上，水化過程中生成的Ca2+能夠與聚羧酸分子中的-OH、-COO-等構成絡合物，聚羧酸分子結構中的支鏈發揮著類似于纖維的作用，加上支鏈上密集分布的極性基團使得內部微電場分布更均勻，因此使得混凝土抗劈裂性能和強度明顯增強。