減縮劑的作用及其機(jī)理
2006-06-06 00:00
摘 要： 通過對減縮劑作用和機(jī)理的研究表明，減縮劑能較大幅度的降低干燥收縮和相對較小的提高塑性收縮抗裂能力，但在一定程度上降低了砂漿的力學(xué)性能。從塑性抗拉強(qiáng)度、表面水份蒸發(fā)率和孔結(jié)構(gòu)三個(gè)角度對減縮劑的作用機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：減縮劑的加入能較顯著的降低水溶液的表面張力，同時(shí)也降低了砂漿表面的塑性抗拉強(qiáng)度，增大了表面水份蒸發(fā)率，它對塑性收縮抗裂的效果取決于對塑性抗拉強(qiáng)度和毛細(xì)管收縮應(yīng)力影響的權(quán)重；表面張力試驗(yàn)表明，減縮劑減小干縮的機(jī)理主要在于降低了孔溶液的表面張力；從對孔結(jié)構(gòu)的分析表明，減縮劑摻入后增大了孔隙率，并增加了孔徑> 0. 1μm 的孔的含量，從而降低了摻減縮劑的砂漿力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞： 減縮劑；塑性收縮；干燥收縮；砂漿；孔
1 引 言
混凝土是一種多孔、多相、非均質(zhì)的復(fù)雜體，內(nèi)部存在著各種形式的缺陷（如孔洞、孔隙） 和微、細(xì)觀裂縫（如水泥石和集料界面處的裂縫） 。當(dāng)混凝土受到各類荷載性或非荷載性破壞因素時(shí)，這些缺陷或微、細(xì)觀裂縫就會成為宏觀裂縫的導(dǎo)火線。我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002 把混凝土構(gòu)件分為3 級：嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，允許出現(xiàn)裂縫但需控制裂縫寬度的構(gòu)件。根據(jù)國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范及有關(guān)試驗(yàn)資料，混凝土最大裂縫寬度控制標(biāo)準(zhǔn)如下[ 1 ] ： （1） 無侵蝕介質(zhì)， 無防滲要求，為0. 3 ～ 0. 4mm ； （2） 有輕微侵蝕介質(zhì)，無防滲要求，為0. 2～0. 3mm ； （3） 有嚴(yán)重侵蝕介質(zhì)，有防滲要求，為0. 1～0. 2mm。
近些年來，混凝土的開裂現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，所造成的直接或間接損失十分驚人。早期收縮開裂主要是由于混凝土在約束條件下的收縮變形而引起，如塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮、自收縮、化學(xué)減縮和不均勻沉縮等等。當(dāng)這種約束變形引起的應(yīng)力或應(yīng)變大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變時(shí)，裂縫就會產(chǎn)生。
對目前土木工程領(lǐng)域中大量使用的C30 或C40普通混凝土而言，最易引起開裂的是塑性收縮和干燥收縮裂縫。因此，對這兩類收縮及其裂縫的研究已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域中的一個(gè)焦點(diǎn)，目前主要有3 類措施控制混凝土早期裂縫：
（1） 在研究混凝土各組分對塑性收縮及其裂縫影響的基礎(chǔ)上，對其配合比進(jìn)行綜合優(yōu)化[2 ，3 ] ；
（2） 通過摻用外加劑（如減縮劑） 或纖維（如聚丙烯纖維） 來改善混凝土的塑性收縮抗裂性能[4 ] ；
（3）通過加強(qiáng)早期濕養(yǎng)護(hù)或采用表面養(yǎng)護(hù)劑來降低混凝土表面水份蒸發(fā)速率以降低塑性收縮開裂現(xiàn)象[5 ] 。
本文從降低孔溶液表面張力和提高漿體內(nèi)部保水性的雙重角度，進(jìn)行減縮劑產(chǎn)品的初步開發(fā)研制，并測試了3 種減縮劑（2 種品牌減縮劑和1 種自行研制的減縮劑） 對塑性收縮抗裂性能及砂漿力學(xué)性能的影響，并從塑性抗拉強(qiáng)度、水份蒸發(fā)率及孔結(jié)構(gòu)分析來討論其作用機(jī)理。
2 試 驗(yàn)
2. 1 試驗(yàn)原材料
水泥： 金寧羊PII42.5R 硅酸鹽水泥， 比表面積375m2 / kg ，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1 和表2 。
細(xì)集料（河砂） ：密度2. 65g/ cm3 ，細(xì)度模數(shù)為2. 6 。
減水劑：JM2 Ⅷ，江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的水劑。
J KA ：某減縮劑產(chǎn)品，淡黃色液體。
MSA ：某減縮劑產(chǎn)品，無色液體。
DDA ：自行研制的減縮劑。
2. 2 試驗(yàn)方法
2. 2. 1 干縮試驗(yàn)方法
試驗(yàn)參照《常用建筑材料試驗(yàn)手冊》[6 ] 進(jìn)行，采用4cm ×4cm ×16cm 的三聯(lián)模成型，并用塑料薄膜覆蓋試樣表面，以防止水份蒸發(fā)。成型24h 后拆模，清潔試樣表面并去除易脫落的部分。在測量初始長度和初始質(zhì)量前，先將試樣置于恒溫恒濕室2h 左右，以消除外部環(huán)境和恒溫恒濕室之間因存在溫度差而引起的溫度變形。此后，分別測定齡期為3 、7 、14 、28 、45 、60 和90天的長度和質(zhì)量。砂漿試樣的水灰比（W/ C） 為0. 36 ，灰砂比（ C/ S ） 為1 ∶2 ，JM-Ⅷ的用量為水泥質(zhì)量的0. 5 %。
某齡期的干縮值（變形值） 和質(zhì)量損失的計(jì)算公式分別如下：
式中，Li 為某齡期試樣長度（mm） ；L0 為試樣初始長度（mm） ；Lt 為兩銅頭長度（mm） ； mi 為某齡期試樣質(zhì)量（g） ； m0 為試樣初始質(zhì)量（ g） ； mt 為兩銅頭質(zhì)量（g） 。
2. 2. 2 塑性收縮試驗(yàn)方法
2. 2. 2. 1 模具
圓環(huán)試模如圖1 所示， 其中突臺的直徑為100mm ，外環(huán)的內(nèi)徑為400mm ，高度為35mm ，六根三角徑向約束的高度分別為18 、20 、22 、24 、24 、26mm。成型后，將試樣置入恒溫恒濕室（溫度（20 ±2） ℃，濕度（60 ±5） %） 內(nèi)，用暖風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行5h 的快速試驗(yàn)，試樣表面的溫度為46 ℃左右，風(fēng)速約為2. 0m/ s。
2. 2. 2. 2 塑性抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)
2. 2. 2. 3 表面水分蒸發(fā)速率試驗(yàn)
利用測試漿體塑性抗拉強(qiáng)度的試樣來測試其表面水分蒸發(fā)率，試樣的暴露面積s 約為40cm2 。試驗(yàn)時(shí)，稱量模具初重m0 （g） 及加料后的質(zhì)量m3 （ g） ，以后每隔5 、10 、20 、35 、55 、80 、110 、150 、200 、250 及300min 稱量試樣的質(zhì)量m4 （g） 。試樣表面的水分蒸發(fā)率為：
3 減縮劑的效用研究
3. 1 減縮劑和其摻量對干縮和重量損失的影響
3. 2 減縮劑對砂漿力學(xué)性能的影響
盡管減縮劑能降低漿體的干縮，但往往會對漿體的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響[8 ] 。為此， 本研究測試了J KA、MSA 和DDA 對砂漿3 、7 和28 天抗壓及抗折強(qiáng)度的影響。基準(zhǔn)砂漿的水灰比（W/ C） 為0. 36 ，灰砂比（ C/ S） 為0. 5 ，減水劑JM-V Ⅲ的摻量為水泥質(zhì)量的0. 5 %。所用減縮劑的摻量均為水泥質(zhì)量的2. 5 %。減縮劑對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響見圖6 ，對抗折強(qiáng)度的影響見圖7 。
就3 和28 天抗壓強(qiáng)度而言，J KA ，MSA 和DDA相對于參比組分別降低了35. 6 %、25. 7 %、35. 3 %及22. 1 %，17. 2 % ，23. 4 %。就3 和28 天抗折強(qiáng)度而言，J KA ，MSA 和DDA 相對于參比組分別降低了18. 8 %、11. 4 %、12. 0 %及19. 0 %、8. 2 %、23. 2 %?？傮w而言，MSA 對力學(xué)性能的負(fù)面影響最小，其次是J KA ，最后是DDA。
4 減縮機(jī)理的研究
4. 1 減縮劑作用的理論基礎(chǔ)
作用機(jī)理可以用毛細(xì)管張力學(xué)說來解釋，混凝土（砂漿） 中毛細(xì)管作用力可表達(dá)為：
式中As 為毛細(xì)管張力的作用面積（m2 ） ；
γ為毛細(xì)孔隙溶液表面張力（N/ m） ；
rs 為毛細(xì)孔隙水彎液面的曲率半徑（m）
在此毛細(xì)管張力作用下，混凝土（砂漿） 產(chǎn)生的收縮應(yīng)變εs 可表達(dá)為：
式中Es 為毛細(xì)管張力作用下相應(yīng)的彈性模量（MPa）
由此，通過加入表面活性劑降低孔溶液表面張力便可降低混凝土（砂漿） 收縮值，當(dāng)其它配合比參數(shù)不改變時(shí)，收縮值的降低幅度與表面張力的減小成正比：
式中ε1s、ε0s分別為摻與不摻減縮劑混凝土（砂漿）的收縮應(yīng)變（ ×106 ） ；
γ1 、γ0 分別為摻與不摻減縮劑時(shí)孔溶液表面張力（N/ m） 。
4. 2 減縮劑改善塑性收縮抗裂
4. 2. 1 減縮劑對塑性抗拉強(qiáng)度的影響
減縮劑對塑性抗拉強(qiáng)度的影響見圖8 。從圖8 中可以看出，J KA、MSA 和DDA 的加入均降低了基體的塑性抗拉強(qiáng)度，其原因很可能在于它們的引氣性，因?yàn)樵谏皾{的攪拌成型中發(fā)現(xiàn)有微小的氣泡。
4. 2. 2 減縮劑對水分蒸發(fā)率的影響
減縮劑對水份蒸發(fā)率的影響如圖9 所示。J KA ，MSA 及DDA 的加入均增大了試樣表面的水份蒸發(fā)率。水份蒸發(fā)率變化的幅度不顯著。減縮劑在降低水溶液表面張力的同時(shí)，帶來了微小氣泡（試樣表面上有一定的氣孔） ，從而增大了失水面積和通道。
盡管減縮劑的加入降低了塑性抗拉強(qiáng)度并增大了水份蒸發(fā)率，但是減縮劑依然能夠在一定程度上改善水泥基材料的塑性收縮抗裂性能。減縮劑的效果應(yīng)取決于它對塑性抗拉強(qiáng)度和毛細(xì)管收縮應(yīng)力影響的權(quán)重上，即當(dāng)減縮劑對塑性抗拉強(qiáng)度的降低幅度大于對毛細(xì)管收縮應(yīng)力的降低幅度時(shí)，減縮劑將劣化塑性收縮抗裂性能，反之則加以改善。
4. 3 減縮劑改善干燥收縮
無論減縮劑改善的是干燥收縮還是塑性收縮，其作用機(jī)理都可以用毛細(xì)管張力學(xué)說來解釋。所以本試驗(yàn)通過對減縮劑表面張力及漿體孔結(jié)構(gòu)的測定研究減縮機(jī)理。
4. 3. 1 表面張力試驗(yàn)
用自動表面張力儀測試了5 種試樣的表面張力，如圖10 所示。
5 種試樣都能夠降低其水溶液的表面張力，MF2降低的幅度為最小（濃度為1. 5 %時(shí)，表面張力可降低10. 2 %） ；MF1 降低的幅度為最大（濃度為1. 5 %時(shí)，表面張力可降低43. 8 %） 。若僅考慮表面張力，MF1 和MF2 的混合物（DDA） 對砂漿干縮的降低率應(yīng)> J KA和MSA。不過2. 5 節(jié)中DDA 對干縮的降低率卻<J KA 和MSA ，可做如下解釋： （1） 并不是水溶液的表面張力越低，越能夠降低干燥收縮； （2） 吸水性材料MX 并沒有發(fā)揮預(yù)期的保水作用以降低干縮。當(dāng)然其中還可能存在很多表面物理化學(xué)的問題，如“吸附2解析”過程等等，這有待進(jìn)一步研究。
4. 3. 2 壓汞試驗(yàn)
試驗(yàn)采用壓汞測孔法研究了減縮劑對砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的影響，其中7 天的孔徑分布微分曲線如圖11 （a） 所示，28 天的孔徑分布微分曲線如圖11 （ b） 所示。從圖11 中可得到如下規(guī)律：加入減縮劑后， > 0. 1μm 的孔的含量增加（摻MSA 的例外） 。若按Ror stasy[9 ] 的理論“> 100nm 的孔對強(qiáng)度影響很大”，那么減縮劑對力學(xué)性能的負(fù)面影響可能主要在于增加了0. 1μm 以上的孔的含量。摻入減縮劑后各齡期的孔隙率如表3 所示，相對于參比組，減縮劑加入后都增大了同齡期的孔隙率，以MSA 增加的幅度為最小，以DDA 增加的幅度為最大。
由Rossler 和Odler 公式[9 ] （即式（3） ，式中σ和σ0分別表示水泥漿體的強(qiáng)度及其本征強(qiáng)度； E 是常數(shù)； P是孔隙率） 可以看出，隨著孔隙率的增加，水泥漿體的強(qiáng)度降低。
2. 2 節(jié)的力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果與式（3） 的規(guī)律基本吻合，即摻DDA 的孔隙率最大，其強(qiáng)度最低；參比組的孔隙率最小，其強(qiáng)度最高。
5 結(jié) 論
（1）減縮劑在一定程度上改善水泥基材料的塑性收縮抗裂性能，并減小了砂漿的干縮。
（2）減縮劑一定程度上降低了砂漿的力學(xué)性能。
（3）減縮劑的加入能較顯著的降低水溶液的表面張力，同時(shí)也降低了砂漿表面的塑性抗拉強(qiáng)度，增大了表面水份蒸發(fā)率。減縮劑對塑性收縮抗裂的效果應(yīng)取決于它對塑性抗拉強(qiáng)度和毛細(xì)管收縮應(yīng)力影響的權(quán)重。表面張力試驗(yàn)表明，減縮劑減小干縮的機(jī)理主要在于降低了孔溶液的表面張力；從對孔結(jié)構(gòu)的分析表明，減縮劑摻入后增大了孔隙率， 并增加了孔徑> 0. 1μm的孔的含量，從而降低了摻減縮劑的砂漿力學(xué)性能。
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