混凝土外加劑對混凝土收縮開裂的影響

摘要 外加劑是用于混凝土拌和中改變混凝土性能的重要化學物質，其品種和用量的不同會對混凝土性能產生不同影響。為了利用外加劑增強混凝土抗裂性和預防收縮徐變，文章通過試驗分析外加劑對混凝土收縮開裂的影響，確定外加劑品種與摻量的不同對混凝土收縮開裂的具體影響，旨在探尋外加劑與砂漿收縮、混凝土開裂之間的關系，為合理選擇外加劑和科學控制外加劑摻量提供參考。

關鍵詞 混凝土；外加劑；收縮開裂

中圖分類號 TU528 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0133-03

0 引言

外加劑技術的創新有助于混凝土行業的快速發展，科學、合理地應用外加劑可以更精準、高效地控制混凝土性能。但隨著國內水泥標準的調整，化學外加劑摻入混凝土后早期收縮開裂問題嚴重，對建筑工程質量構成極大威脅。因此，探究外加劑對混凝土收縮開裂的影響具有必要性，以便合理調整混凝土配合比、外加劑摻量與類型，改善混凝土性能。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

該次試驗所需原材料包括水泥、外加劑、集料和水，其中水泥采用外加劑檢測專用產品的各項參數如見表1。

外加劑有以下三種：減水率為20%的高濃粉狀萘系高效減水劑（TK）；工業級葡萄糖酸鈉（糖鈉）為緩凝劑；工業無水硫酸鈉（Na2SO4）作為早強劑。集料為細河砂與石灰石碎石。水為潔凈自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 基本性能試驗

混凝土配合比設計、和易性、力學性能測定分別按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2019）《普通混凝土拌和物性能測試方法》（GB/T 50080 —2016）《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行[1]。水泥膠砂流動度測定按照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419—2005）進行。

1.2.2 耐久性試驗

混凝土抗裂性能試驗。按照《普通混凝長期性能和耐久性能試驗方法（GB/T 50082—2009）》進行。采用平板刀口約束法對混凝土開裂情況進行評價。評價指標主要有混凝土24 h內的最大裂縫寬度和單位面積總開裂面積。計算單位面積的總開裂面積采用公式：

c =a·b （1）

式中，a——裂縫平均開裂面積，計算公式為；b——單位面積開裂裂縫數目，計算公式為 ；wi——第i條裂縫最大寬度；li——第i條裂縫長度；N——縱裂縫數目；A——平板面積[2]。

砂漿收縮試驗。按照ISO標準配制砂漿，分別測定不同齡期下砂漿的干縮率，并采用第28 d齡期干縮率表征砂漿干縮受外加劑的影響。計算砂漿收縮率采用公式（2）：

εi=（l0?li）l （2）

式中，l0——初始測量長度；li——某齡期測量長度； l——試件有效長度[3]。

2 混凝土配合比

混凝土配合比中保持其他原材料用量不變，僅對水灰比與外加劑摻量進行改變，在水灰比為0.3、0.4、0.5時，配合比情況如表2所示。其中0.3、0.4表示低水灰比，0.5表示高水灰比。

3 試驗結果分析與討論

3.1 高效減水劑對混凝土收縮開裂的影響

在不同水灰比下，摻入不同劑量高效減水劑后混凝土基本性能與耐久試驗結果如表3所示。

從表3可以看出，隨著高效減水劑摻量的提高初裂時間逐漸遷移，但在24 h之后，混凝土最大裂寬與開裂面積之間并未同時隨著開裂時間遷移而形成統一對應關系，反而在不同水灰比下呈現出不同的變化。不同水灰比、不同高效減水劑摻量下混凝土開裂面積如圖1所示。

綜合表3與圖1，在高水灰比下，隨著高效減水劑摻量的增加，混凝土24 h后的裂寬變大、開裂面積變大、裂縫數目也有所增多，該結果意味著提高高效減水劑摻量會導致混凝土早期抗開裂性能下降。但在低水灰比下，高效減水劑摻量提高并未使裂縫寬度擴大和開裂面積增加，反而縮短混凝土初凝時間，改善其早期抗開裂性能。

減水劑是一種在不改變混凝土坍落度前提下減少拌和用水的外加劑，其在混凝土中的作用機理如下：當水泥通過水化反應釋放出帶正電荷的鈣離子后會吸附在帶負電荷的水泥顆粒表面，導致水泥粒子帶正電荷，但減水劑分子帶負電荷，其吸附在鈣離子上，則會使水泥顆粒表面形成一種帶負電荷的溶劑化膜，其可以作為一種介質，影響水泥粒子表面能，降低水化反應過程中水泥分散體熱力學不穩定性，簡單來講，就是使水化反應穩定進行。同時，減水劑的應用會使水泥粒子動電電位增大，從而產生更強的靜電斥力，對水泥粒子絮凝結構進行破壞，使水泥粒子以分散形式存在，且在阻止絮凝結構形成過程中溶劑膜本身也會發揮重要作用，其可以對空間進行保護。此外，由于溶劑化膜存在，水泥的初期水化反應并不強烈，從而可以使游離水量提高，增強水泥流動性。因此，減水劑切實可以通過提升水泥凝聚體分散度使吸附水、游離水的比例得到改善，使游離水數量增多，從而在增強砂漿流動性的同時不影響其穩定性[4]。在該作用機理下，相同水灰比條件下高效減水劑摻量增加后，游離水越來越多，會加大混凝土失水率，導致混凝土表面毛細管出現張力，容易產生裂縫。隨著混凝土固結，其強度大幅度地提高，在裂縫以及自身自收縮的影響下，混凝土凝結速率越來越慢。

綜合來看，在高水灰比條件下，高效減水劑摻量的提升會對混凝土凝結時間產生影響，此時高效減水劑無法改善混凝土早期抗收縮開裂性能。在低水灰比條件下，提升高效減水劑摻量，會使混凝土凝結時間延長，影響水化效果，早期會出現毛細孔過粗情況，但干燥收縮值偏低；且高摻量下減水劑也會發揮緩凝作用，使混凝土自收縮之后，收縮值不斷下降，從而可以確定減水劑對改善混凝土早期收縮開裂性具有一定價值。

3.2 復配緩凝劑對混凝土收縮開裂的影響

在不同水灰比下，由高效減水劑復配緩凝劑，試驗結果如表4所示。

從表4可以看出復配緩凝劑后混凝土24 h開裂面積明顯小于單摻高效減水劑。且在高水灰比條件下，復配緩凝劑后初裂時間提早、24 h后裂寬增大、裂縫條數較多，表示混凝土早期存在明顯的抗裂性能不足問題。在低水灰比時，混凝土的初凝時間均有所前移，裂縫也相對減少，表示復配緩凝劑可以改善低水灰比混凝土早期抗裂性。

綜合來看，復配緩凝劑后，通過發揮緩凝作用可以降低混凝土早期強度，使其收縮開裂性能也隨之下降，但也會發揮減水作用，避免早期析出過多水，從而使初裂時間前移。當混凝土水灰比較高時，緩凝劑的摻入延緩混凝土凝結，使其早期強度下降，更易產生裂縫；當水灰比較低時，緩凝作用較小，可以與混凝土早期自收縮“滯后效應”相抵，使其早期總收縮值減小。因此，高效減水劑復配緩凝劑時，僅在低水灰比混凝土中可以發揮改善其早期抗裂性能的作用。

3.3 復配早強劑對混凝土收縮開裂的影響

在不同水灰比下，由高效減水劑復配早強劑，試驗結果如表5所示。

從表5可以看出，高效減水劑復配早強劑后，混凝土早期開裂面積明顯大于單摻高效減水劑。在高水灰比條件下，雖然使混凝土初凝時間有所延長，但早期抗開裂性能并未改善，反而偏低。在低水灰比條件下，出現與上述相同情況，僅可以看出混凝土初凝時間有所推遲，抗裂性能并未得到明顯改善。

綜合來看，在混凝土中加入早強劑后，以硫酸鈣為主要成分的早強劑在與水泥水化反應后產生的氫氧化鈣相遇后會發生置換反應，生成氫氧化鈉以及硫酸鈣[5]。該反應過程為：Na2SO4+Ca（OH）2+nH2O→2NaOH+CaSO4·2H2O+（n-2）H2O。而該反應期間需要消耗大量的水，會使游離水減少，因此，加入早強劑后會降低混凝土的失水率。同時，反應中生成的CaSO4·2H2O活性高，遇到水泥熟料中的鋁酸三鈣也會發生反應，從而加速硫鋁酸鈣的析出速度。在新生成的氫氧化物可以使水泥熟料中C3A石膏的溶解更充分，為加速生成硫鋁酸鈣創造了條件，使混凝土中硫鋁酸鈣含量大幅提高，從而加速混凝土硬化，使其早期強度提升。因此，復配早強劑后混凝土開裂時間較晚，但并不代表混凝土早期抗裂性能增強，因開裂后裂縫快速發展，24 h內開裂趨勢則不斷增強。此外，復配早強劑后可以提升混凝土早期強度，但水泥水化反應程度也大幅度提高，會使混凝土構件有更多毛細孔，經電鏡分析也可以發現混凝土中硫鋁酸鹽晶體更多，均填充在毛細孔內，從而進一步提升混凝土早期干燥收縮值，也加劇混凝土的自收縮?？偠灾鐝妱┛梢栽鰪娀炷猎缙趶姸?，但在任何水灰比條件下其均會使混凝土早期抗裂性能下降。

4 結論

外加劑會對混凝土收縮開裂產生實際影響，但外加劑品種不同、摻量不同產生的影響不同?；炷潦湛s開裂主要受其強度與早期收縮的影響，在低水灰比條件下其收縮開裂主要受早期收縮影響，在高水灰比條件下其收縮開裂主要受強度影響。因此，經過試驗，摻入不同品種與劑量的外加劑后，可以得出以下結論：①在低水灰比條件下，摻入高效減水劑（摻量不宜過高）以及復配適量的緩凝劑均有利于改善混凝土早期抗收縮開裂性能，但加入早強劑無法改善早期抗收縮開裂性能。②在高水灰比條件下，增加高效減水劑摻量或復配大量緩凝劑均無法提升混凝土早期抗收縮性，可以通過降低減水劑摻量或減少緩凝組分改善，但加入早強劑無法改善早期抗收縮開裂性。

參考文獻

[1]尹聰， 楊壯， 張裕錦， 等. 關于早齡期混凝土收縮開裂機理的研究[J]. 建筑結構， 2022（S2）： 1075-1080.

[2]楊之璋， 詹炳根. 外加劑對泡沫混凝土早期收縮開裂的影響[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版）， 2020（9）： 1234-1239.

[3]張暢. 磷石膏與菱鎂礦尾礦粉對砂漿及混凝土收縮性能的影響[D]. 長春：吉林建筑大學， 2020.

[4]穆黎明. 五種外加劑對混凝土早期開裂性能的影響[J]. 水電能源科學， 2020（5）： 132-134.

[5]吳義凱. 減縮型聚羧酸減水劑對水泥基材料早期收縮開裂的影響[D]. 南京：東南大學， 2020.