溫控型鎂質抗裂劑研究及其在混凝土工程結構中的應用

武春陽,高 瑩,巫元君,張笑云,朱國軍

(1.中交建筑集團第二工程有限公司,南昌 330013;2.武漢三源特種建材有限責任公司,武漢 430083)

混凝土結構開裂問題一直是建筑行業的一大難題。導致裂縫發生的原因多種多樣,主要包括收縮裂縫和荷載裂縫,據統計前者占比超過80%,混凝土收縮的誘因包括塑性收縮、碳化收縮、干燥收縮、溫度收縮和自身收縮[1-3]。其中自身水化收縮和溫度收縮又是最主要的原因。因此,如何從降低混凝土結構的溫度收縮和自身收縮兩個方面來改善混凝土開裂問題是當前行業關注的重點。

溫控型抗裂劑是一種新型的抗裂材料,可以從控制混凝土溫升和補償收縮兩個方面來降低混凝土結構的開裂風險,其主要作用機理包括:溫控材料降低水泥水化反應速率以及膨脹材料的緩慢水化,水化結晶體使得水泥基材料膨脹來補償收縮。近年來,溫控型材料的研究和應用逐漸成為國內混凝土結構裂縫控制的重點方向[4-7]。膨脹源主要為輕燒氧化鎂,由菱鎂礦燒制而成。與傳統的鈣礬石類膨脹源膨脹劑相比,輕燒氧化鎂具有水化產物性質穩定、水化需水量少、膨脹歷程可調節等優點,廣泛應用于各類工程結構來降低混凝土收縮[8-11]。

該文以溫控型鎂質抗裂劑為研究對象,探究其對水泥水化熱、砂漿限制膨脹率、抗壓強度的影響,同時,進一步以工程實體結構為對象,研究摻該材料對混凝土結構內部溫升歷程、收縮歷程及抗裂效果的影響,為該產品在市場上的規?；瘧锰峁┙梃b依據。

1 試 驗

1.1 原材料

1)試驗研究用水泥均為PI 42.5基準水泥,由中國聯合水泥集團有限公司生產,其物理性能指標見表1,化學成分見表2。

表1 基準水泥的物理性能

表2 原材料的化學組成 w/%

2)膨脹性能及強度試驗所用砂均為ISO標準砂。

3)溫控型鎂質抗裂劑(WKM)由武漢源錦建材科技有限公司生產,其化學分析見表2。

4)工程項目混凝土配合比見表3,所用水泥為海螺PO 42.5水泥;粉煤灰為Ⅱ級灰;礦粉為S95礦粉,其化學分析見表2;砂、石均符合相關標準要求。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

1.2 研究方案

1.2.1 水泥凈漿水化熱試驗

水泥凈漿水化熱的試驗方法參考《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)中相關規定進行,其區別在于標準中采用膠砂,該試驗采用水泥凈漿。這主要是因為此方法可提高空白水泥凈漿溫升,更有利于體現出溫控材料摻量的差異性對水化熱影響。試驗環境溫度和水泥凈漿的入模溫度均控制在(20±1)℃,抗裂劑摻量為4%、6%、8%和10%,均等量取代基準水泥,水膠比為0.4。

1.2.2 砂漿限制膨脹率試驗

為了探究溫控型鎂質抗裂劑的膨脹歷程,研究在不同養護溫度下砂漿試件的限制膨脹率。試驗方法參考《混凝土膨脹劑》(GB/T 23439—2017),每個配比成型3組40 mm×40 mm×140 mm限制膨脹砂漿試件,按規定方法拆模后測初長,分別放入20 ℃、40 ℃和60 ℃的養護箱中,至規定齡期取出測試。

1.2.3 抗壓強度試驗

溫控型鎂質抗裂劑對砂漿力學性能的影響試驗方法參考《混凝土膨脹劑》(GB/T 23439—2017),摻量為膠凝材料用量的5%。

1.2.4 工程應用研究

為驗證溫控型鎂質抗裂劑產品的實際應用效果,以地鐵項目側墻為研究對象,試驗段和空白段側墻結構尺寸均為0.8 m×4.5 m×28 m?，F場澆筑的混凝土配合比如表3所示,混凝土標號為C45P8,溫控型鎂質抗裂劑(WKM)以膠凝材料用量6%外摻添加,未添加的空白組以KB表示。

2 結果與討論

2.1 溫控型鎂質抗裂劑對凈漿水化熱的影響

研究了在20 ℃入模溫度條件下,摻溫控型鎂質抗裂劑對水泥凈漿水化熱的影響,其測試數據見圖1。

由圖1可見,隨抗裂劑摻量的提高,溫峰值逐步降低,同時溫峰出現時間也緩慢延長;當摻量分別為4%、6%、8%和10%時,對應凈漿溫峰值分別為55.1 ℃、51.0 ℃、48.5 ℃和46.5 ℃;相較于空白組,抑溫率分別為31.9%、36.9%、40.0%和42.5%。摻該抗裂劑可顯著抑制水泥水化放熱速率,減小溫峰值且摻量越高削弱作用越大,但從溫度曲線可以發現,其也會在一定程度上延長水泥的凝結時間。

2.2 溫控型鎂質抗裂劑的水化反應歷程研究

探究抗裂劑在不同摻量下,不同水養溫度對其水化反應歷程的影響,測試結果如圖2～圖4所示。

圖2顯示試件在20 ℃水養條件下,隨抗裂劑摻量的增加,相同齡期下膨脹率逐步增大;但并不呈現出正比例關系,同時試件的養護齡期從7～120 d膨脹率均處于持續增長狀態,且增長趨勢沒有放緩的趨勢。養護齡期為120 d時,當其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,限制膨脹率分別為0.037%、0.064%、0.071%和0.092%。

圖3顯示當試件養護溫度提升至40 ℃時,隨抗裂劑摻量的增加,相同齡期下膨脹率依舊表現出逐步增大,也不呈現出正比例關系;但養護至60 d時,限制膨脹率幾乎不再增長,說明溫度的提高,加速了抗裂劑的水化反應速率,使其膨脹歷程縮短。養護齡期為60 d時,當其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,限制膨脹率分別為0.06%、0.101%、0.121%和0.151%。

當試件養護溫度進一步增大至60 ℃時,由圖4可見,隨抗裂劑摻量的增加,相同齡期下膨脹率依舊表現出逐步增大,也不呈現出正比例關系;但養護至28 d時,限制膨脹率幾乎不再增長;說明隨養護溫度的提高,會逐步加大抗裂劑的水化反應速率,顯著縮短其膨脹窗口期。養護齡期為28 d其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,限制膨脹率分別為0.068%、0.116%、0.139%和0.171%;與試件在40 ℃養護溫度下的限制膨脹率終值比有一定降低,這與抗裂劑水化速率、晶體形成速率有關,由養護溫度越高,晶體生長越快所致。

2.3 溫控型鎂質抗裂劑對砂漿力學性能的影響

鑒于抗裂劑的摻量與水泥凝結時間有一定關系,研究抗裂劑摻量對砂漿試件在不同養護齡期下抗壓強度的發展規律,其結果如圖5所示。

從圖5可清晰發現,當抗裂劑摻量增大時,砂漿試件3 d抗壓強度逐漸降低;其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,砂漿抗壓強度分別為18.9 MPa、16.5 MPa、14.3 MPa和11.2 MPa,相較于空白組試件的20.6 MPa,強度比分別為91.7%、80.1%、69.4%和53.4%;其主要原因是該溫控型抗裂劑延緩了水泥水化的速率,減少了試件中水泥水化凝膠產物的含量,降低了砂漿試件內部的密實程度,從而降低了早期抗壓強度。當試件養護至7 d時,砂漿抗壓強度略高于空白組,養護齡期進一步延長至60 d時,試件強度依舊與空白組相當。說明該抗裂劑會引起水泥基材料早期(3 d)抗壓強度降低,但對中后期力學性能有一定提升效果。

2.4 溫控型鎂質抗裂劑在實體結構中的數據分析

以實體結構中混凝土側墻為研究對象,研究了當溫控型鎂質抗裂劑為外摻膠凝材料用量的6%時,試驗段和空白段的溫升歷程及收縮歷程,監測數據如圖6和圖7所示。

由圖6可見,試驗段和空白段結構內部溫峰值分別為57.8 ℃ 和60.5 ℃,考慮對應的混凝土入模溫度分別為23.4 ℃和20.8 ℃,得出混凝土溫升值分別為34.4 ℃和39.7 ℃?？梢?摻抗裂劑溫升值相較于空白段降低5.3 ℃,說明該材料在工程結構中能起到較好的抑溫作用,降低混凝土結構的溫度收縮。此外,值得注意的是,試驗段和空白段混凝土溫升5 ℃時間分別為12.3 h和19.8 h,說明混凝土凝結時間有一定延遲,這與凈漿水化熱結果相類似,該抗裂劑會延緩水泥水化反應速率。

從圖7可以看出扣除溫度收縮影響后,試驗段和空白段均變現為收縮狀態,但后者的收縮值顯然更大。在觀測至8 d時,試驗段收縮值微應變(με)為107,而空白段微應變(με)則為257,兩者差值為150,說明抗裂劑有較好的補償收縮作用,可顯著降低混凝土結構的綜合收縮量。

2.5 溫控型鎂質抗裂劑的抗裂效果評價

圖8為摻抗裂劑混凝土側墻的應用效果實物圖。從圖8可見,應用抗裂劑混凝土側墻表面光滑完整、混凝土密實度高,經排查,未見裂縫發生。統計其關鍵性抗裂技術指標如表4所示。

表4 抗裂關鍵技術指標統計

由表4可見,摻抗裂劑混凝土溫升值可降低5.3 ℃、收縮率微應變降低150,試驗段和空白段側墻裂縫條數分別為0條和3條;從關鍵抗裂數據分析及其與混凝土結構實際裂縫控制情況均可發現該材料有較好的抗裂效果。

3 結 論

a.隨溫控型鎂質抗裂劑摻量的提高,凈漿抑溫率逐步增大,同時凝結時間有一定延長,當其摻量為10%時,抑溫率最高為42.5%。

b.控型鎂質抗裂劑的水化速率有顯著的溫度敏感性,溫度越高膨脹率越大但同時對應的膨脹周期也越小。

c.溫控型鎂質抗裂劑會降低水泥基材料早期(3 d)的抗壓強度,且摻量越高,負面影響越大,但對中后期抗壓強度有一定促進作用。

d.將溫控型鎂質抗裂劑應用于工程實體結構中,可降低混凝土溫升值,降低溫度收縮及補償收縮,結構開裂情況顯著改善。