高效减水剂与膨胀剂复合使用对大体积混凝土性能的影响.docx

高效减水剂与膨胀剂复合使用对大体积混凝土性能的影响何廷树杨松林王福川宋振远(西安建筑科技大学西部建筑科技国家重点实验培育基地陕西西安710055(西安建筑科技大学材料科学与工程学院陕西西安710055(中交一航局第五工程有限公司山东秦皇岛066002)InfluencesofCompoundingSuperplasticizerswithSulfo-aluminateExpansiveagentsonthePerformancesofMassiveConcreteIIETing-shulYANGSong-Iin2WANGFu-chuanlSONGZhen-yuan3(1.StateKeyLabofWesternArchitecture&Technology(CultivatingBase),Xi,AnUniversityofArchitecture&TechnologyXi,an710055,Shanxi；2.CollegeofMaterialScience&Engineering,Xi,anUniversityofArchitecture&Technology,Xi,an710055,Shanxi；3. No.5EngineeringCompanyCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Qinhuangdao066002,Shandong)Abstract:Undertheconditionofsimulatingtemperaturevariationprocessinthemassiveconcrete,byusingcementmortar,theinfluencesofcompoundingnaphthaleneseries,aminosulfonicandpolycarboxylatesuperplasticizerwithsulfo-aluminateexpansiveagentsontherestrained-expansionrateandstrengthofshrinkage-compensatingmortarswiththesamewater-binderratiowereinvestigated.Thecoordinationofexpansionandstrengthofmortaraddedsuperplasticizersandexpansiveagentsundertheconditionofsimulatingtemperaturewasdiscussed.Theresultsshowedthatundertheconditionofsimulatingtemperature,thedifferentkindsanddosagesofsuperplasticizershavedifferentinfluencesonthestrengthofshrinkage-compensatingmortars;thecompoundingsuperplasticizersandexpansiveagentscanreducetheearlyrestrained-expansionrate,thisissimilartothatundertheconditionofnormaltemperature.Comparedwiththatundertheconditionofnormaltemperature,undertheconditionofsimulatingtemperature,superpaIsitisizersaddedcanfurtherreducecoordinationofexpansionandstrengthofmortar.Keywords:massiveconcrete;restrained-expansionrate;Strrngth;coordination前言混凝土是热的不良导体，大体积混凝土内部散热慢，温度高，表层散热快，温度低，内外温差大，因而表层易出现由于温差引起的收缩裂缝。在工程实践中，经常使用膨胀剂，用膨胀剂产生的微膨胀补偿混凝土的收缩，从而防止大体积混凝土的温度应力裂缝。但是，实际上，经常出现掺了膨胀剂的大体积混凝土也有开裂，没有掺膨胀剂的混凝土也未必一定开裂。因此，对使用膨胀剂防止大体积混凝土温度应力裂缝的有效性，莫衷一是，多有质疑。实践中，膨胀剂单独使用的情况很少，大多数情况下，膨胀剂经常与其他外加剂复合使用，特别是泵送剂。阎培渝等对混凝土的水胶比、掺合料种类和掺量以及养护条件对补偿收缩砂浆的限制膨胀率的影响做过系统研究，但该研究并未考虑膨胀剂与其他外加剂复合使用时的情况。鉴于泵送剂的主要成份是高效减水剂和缓凝剂，何廷树和张圣菊等对高效减水剂和缓凝剂对铝酸盐膨胀剂的膨胀效能的影响进行了系统研究，得出高效减水剂和缓凝剂会降低膨胀剂的有效膨胀能，但是，该结论是混凝土在常温下凝结硬化时得出的。对于大体积混凝土而言，中心温度可达6570,在这种温度条件下，高效减水剂和缓凝剂对铝酸盐膨胀剂性能的影响研究尚未见有文献报道。本文近似模拟大体积混凝土内部温度的变化情况，采用胶砂法，研究了蔡系、氨基磺酸盐系及聚残酸系等3种高效减水剂与铝酸盐型膨胀剂复合使用时的膨胀性能和强度性能，所得结果有助于更好地认识大体积混凝土中，膨胀剂与其他减水类外加剂复合使用时，膨胀剂的性能变化特点。1、原材料、试验方法及养护制度3.1 原材料水泥采用秦岭牌P.042.5R,来源于陕西秦岭水泥股份公司；高效减水剂分别选用蔡系（粉状）、氨基（液体），聚竣酸（液体），均为工业品；砂采用标准砂；水为自来水；所用膨胀剂为UEA铝酸盐型膨胀剂，来源于陕西同力外加剂公司，其性能指标如表1所示。表1UEA硫铝酸盐型膨胀剂性能指标限制膨胀率（）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）水中7d水中28d空气中21d7d28d7d28d0.0350.042-0.0136.950.77.59.73.2 试验方法及养护制度本研究采用测量试件的限制膨胀率反映宏观膨胀性能，限制膨胀率试验按建材行业标准JC476-2001混凝土膨胀剂中的“混凝土膨胀剂的限制膨胀率试验方法”，制作带限制膨胀器的砂浆棒（4OnimX40mmX140mm）,并且按龄期测量其长度变化。测量所用比长仪的最小刻度值为O.01mm。每组试件成型砂浆棒3条,取相近的2条砂浆棒测定值的平均值为砂浆棒限制变形率的测定结果。膨胀水泥砂浆强度测定按GB/T17671水泥胶砂强度检验方法（ISo法）进行，膨胀剂I（M等量取代水泥。本试验养护温度，简称模拟温度，是结合陕西省蓝田某大体积混凝土内部中心温度变化情况绘制。如图1所示，用于测量限制膨胀率的胶砂试件成型后带模置于温度为40C,相对湿度为90%以上的恒温恒湿箱中养护，Id后拆模冷却至（20士3）,Ih内测量初始长度，测量完初始长度立即将试件放入温度为63C的水浴养护箱内水养，其后按图1的温度对水浴养护箱的水温进行控制，14d后将试件拿出放入温度为（20士3）,相对湿度为70%以上的空气中养护至28d龄期，期间测量试件3d,7d,14d,21d,28d龄期的长度，每次都是将试件冷却至（20士3）后测量，测量完立刻放入规定养护条件。用于测定强度的胶砂试件按模拟温度水浴养护，分别测量3d,7d,28d龄期的抗折强度和抗压强度。OZ810IZ14l1820ZZ2«ZZ8龄期图1近似模拟大体积混凝土中心温度变化图“2、试验结果与分析2.1 高效减水剂与膨胀剂复合使用对强度的影响按GB/T17671中规定材料用量，选用10%的UEA铝酸盐型膨胀剂等量取代水泥，水胶比0.5不变，分别掺入不同量的蔡系高效减水剂、氨基高效减水剂、聚竣酸高效减水剂，各龄期试验结果见表2。如表2所示，在模拟温度下，与单掺膨胀剂的基准试件相比，复掺蔡系高效减水剂和氨基高效减水剂会不同程度的提高3d抗折强度和抗压强度，但会降低7d和28d抗折强度。复掺禁系高效减水剂降低了试件28d抗压强度，复掺氨基减水剂不降低试件28d抗压强度或提高了试件28d强度。对于聚竣酸高效减水剂而言，由于引气效果较为明显，使得复掺聚竣酸高效减水剂的胶砂试件各个龄期的抗折强度、抗压强度与基准试件比有不同程度的降低。从试验结果来看,减水剂的掺量对试件的强度也有较大的影响，尤其是蔡系高效减水剂和聚竣酸高效减水剂表现的更为明显。表2高效减水剂与膨胀剂复合使用对强度影响减水剂名称减水剂掺量(%)UEA掺量(%)抗折(MPa)抗压(MPa)3d7d28d3d7d28d基准0.00106.410.010.132.542.654.1蔡系减水剂0.50106.99.29.334.646.847.10.75107.79.39.535.613.849.61.00106.58.09.633.139.150.9氨基减水剂1.00107.19.49.935.643.056.51.33106.99.49.833.943.455.71.67107.19.19.535.040.954.1聚按酸减水剂0.80105.56.58.423.631.349.81.00105.47.87.722.730.447.51.33105.06.87.121.425.640.2由以上的分析可知，高效减水剂品种、掺量不同，对掺膨胀剂胶砂强度有不同程度的影响。在大体积补偿收缩混凝土中，复掺氨基高效减水剂比复掺蔡系高效减水剂和聚竣酸高效减水剂能取得更好的强度效用。因此，合理选择减水剂品种和掺量，对于膨胀剂的正确使用有着不可忽视的作用。2.2 高效减水剂与膨胀剂复合使用对限制膨胀率的影响按JC4762001中规定材料用量，选用10%的UEA铝酸盐型膨胀剂等量取代水泥，砂胶比不变，水胶比0.4不变，分别掺入不同量的蔡系高效减水剂、氨基高效减水剂、聚竣酸高效减水剂，各龄期试验结果如表3所示。表3高效减水剂与膨胀剂复合使用对限制膨胀率影响养护温度减水剂名称减水剂掺量（）UEA掺量(%)限制膨胀率（X103d7dMd21d28d常温基准0.0010260350385419421模拟温度基准0.00103811641494946蔡系FeJ效减水剂0.5010321196110103990.751024916711081991.00102811731209395氨基高效减水剂1.00102491215670811.3310153714242421.671019989747171聚竣酸高效减水剂0.801024912810391921.00101991036031421.3310179110715649常温水养条件下，单掺膨胀剂以及高效减水剂与膨胀剂复掺，21d龄期内持续膨胀，这是由于常温水养条件下的试件，钙帆石持续增长，宏观表现为一定时间内限制膨胀率持续增长。然而由表3可知，在模拟温度下，早期经历高温养护，而后温度慢慢下降，基准试件以及复掺高效减水剂试件的限制膨胀率在3d达到最大以后，开始收缩。本文试验使用的是早强水泥，C3S含量高，GS含量高的水泥在水化初期可生成大量的钙矶石，尤其是早期3d高温加快了水泥水化进程，所以3d限制膨胀率达到最大。降温阶段，表现为收缩，限制膨胀率逐渐降低。14d以后降到常温，在湿度较大的空气中养护，部分试件表现出缓慢的膨胀。由表3中数据可以看出，无论是复掺高效减水剂还是膨胀剂单独使用，在模拟温度下，3d膨胀值很大，3d至UMd期间收缩落差很大，这对防止大体积混凝土开裂很不利。常温水养条件下，复掺高效减水剂会降低28d龄期内限制膨胀率。由表3可知，在模拟温度下，与单掺膨胀剂试件相比，复掺高效减水剂降低早期限制膨胀率。在模拟温度时，复掺氨基高效减水剂和聚竣酸高效减水剂14d龄期内限制膨胀率均低于基准，后期部分高效减水剂或高效减水剂的个别掺量高于基准的限制膨胀率。外加剂掺量对限制膨胀率的影响大致有这样的规律，随着外加剂掺量增加，在试验龄期内试件的限制膨胀率有先降低后增大的趋势。蔡系高效减水剂和氨基减水剂能使拌合物发粘，且在同水灰比下胶砂试块内部结构容易形成连通通道和空隙结构，所以膨胀剂水化所生成的膨胀能就会部分消耗于胶砂的塑性阶段，使其流动、迁移并压缩空隙，由于定量的膨胀剂产生的膨胀能是一定的，因此将会减少对外膨胀做功的膨胀能，宏观表现为所测的膨胀率低。聚按酸具有较大的引气作用，早期部分膨胀能消耗在胶砂内部的空隙中，所以早期限制膨胀率也很低。2.3 大体积混凝土中膨胀与强度发展的协调性膨胀和强度发展的协调性是指膨胀和强度协调发展，强度发展的过快或过慢都不利于膨胀的发展。以减水剂掺量为横坐标，以对应胶砂试件的14d水养限制膨胀率和28d抗压强度与基准28d抗压强度比为纵坐标作图。各种高效减水剂与膨胀剂复掺胶砂试件，在常温和模拟温度下，减水剂掺量对限制膨胀率和抗压强度比的影响如图2至图7。T-限制膨胀率T-抗压强度比限制膨胀型T一抗压强度比(qo×)第含酶和欧修量()*超醺出屈UJX)畀肾三能呢掺量(%)图2常温时复掺蔡系减水剂试件膨胀与强度发展的协调性，图3模拟温度时复掺蔡系减水剂试件膨胀与强度发展的协调性.eL×网去渔亚匿4.2O.861 1 1 O OOoooooooo 05050505 4 3 3 2 2 1 1一限带膨胀率 T-抗压强度比汨超朝图伤<2.0.8.6图4常温时复接氨基减水剂试件膨胀与强度发展的协调性+图5模拟温度时复掺氨基减水剂试件膨胀与强度发展的协调性一限制膨胀率抗压强度比限制膨胀率抗压强度比QtH×麦黛丽匿3超解日好Ooooo42086图4常温时复掺氨基减水剂试件膨胀与强度发展的协调性+图5模拟温度时复掺氨基减水剂试件膨胀与强度发展的协调性一T-限制膨胀率抗压强度比限制膨胀率-抗压强度比QtHX)l妻黛丽窿3翅深田峭图6常温复掺聚粉酸减水剂试件膨胀与强度发展的协调性图7模拟温度时复掺聚殁酸减水剂试件膨胀与强度发展的协调性王栋民对水泥-膨胀剂二元复合胶凝材料的膨胀和强度性能做过研究，得出水泥-CSA膨胀剂复合胶凝材料膨胀和强度发展具有良好的协调性。然而由图2、图4及图6可知，常温条件下，水泥-膨胀剂-减水剂三元复合胶凝材料膨胀和强度发展的协调性不好，可见，掺加减水剂会降低膨胀剂砂浆的膨胀和强度发展的协调性。由图2和图3比较可知，模拟温度下复掺茶系高效减水剂的胶砂28d抗压强度与基准试件（仅掺膨胀剂）28d抗压强度之比低于常温条件的，同时对应减水剂掺量的限制膨胀率也比常温下的低；图4和图5比较可知，虽然在模拟温度下复掺氨基磺酸盐系高效减水剂的胶砂28d抗压强度与基准试件抗压强度之比高于常温的，但是对应减水剂掺量的限制膨胀率也比常温下的低很多；图6和图7比较可知，掺加聚痰酸系高效减水剂在模拟温度情况下，抗压强度比和限制膨胀率均比常温条件下的低很多。因此，3种高效减水剂与膨胀剂复合使用的胶砂试验均表明，模拟温度下，水泥-膨胀剂-减水剂三元复合胶凝材料的膨胀与强度发展的协调性比常温下差。综上所述，高效减水剂与膨胀剂复掺用于大体积混凝土中，减水剂品种和掺量对膨胀与强度发展的协调性有很大影响，掺加高效减水剂不利于膨胀和强度协调发展。3、结论(1)在相同水胶比的条件下，高效减水剂品种、掺量不同，对掺膨胀剂胶砂强度有不同程度的影响，在大体积补偿收缩混凝土中，复掺氨基高效减水剂可提高28d抗压强度；复掺蔡系高效减水剂和氨基高效减水剂可提高3d抗折强度和抗压强度；复掺聚段酸高效减水剂显著降低28d龄期内抗压强度和抗折强度。(2)在相同水胶比条件下，常温水养条件下，单掺膨胀剂以及高效减水剂与膨胀剂复掺，21d龄期内持续膨胀，而在模拟温度下限制膨胀率3d达到最大，3d至JMd收缩较大；大体积混凝土中高效减水剂与膨胀剂复合使用会降低早期限制膨胀率，这一点与常温条件下有着类似的规律。(3)高效减水剂与膨胀剂复掺用于大体积混凝土中，减水剂品种和掺量对膨胀和强度发展的协调性有很大影响。(4)在本文模拟温度条件下，3d至J14d收缩落差较大，不利于大体积混凝土防止裂缝，建议在工程实践中严格控制降温速度，缓慢降温。(5)与常温下相比，模拟温度下，掺入高效减水剂会进一步降低膨胀剂砂浆的膨胀和强度发展协调性。参考文献：1彭江，徐志全，阎培渝.大体积补偿收缩混凝土中膨胀剂的使用效能.建筑材料学报，2003,6(2):1477522何廷树，张圣菊，杨松林.缓凝剂对硫铝酸盐型膨胀剂效能的影响.新型建筑材料，2006(11)：56-603张圣菊，何廷树等.同流动度下高效减水剂对硫铝酸盐型膨胀剂效能的影响.新型建筑材料，2007(10)：41-464张圣菊，王新刚,何廷树等.缓凝剂与高效减水剂的协同效应对硫铝酸盐型膨胀剂膨胀效能的影响.混凝土，2007(12)：69-715张圣菊.外加剂对硫铝酸盐型膨胀剂效能的影响.西安：西安建筑科技大学，2007：22-256王智，郑洪伟，韦迎春.钙矶石形成与稳定及对材料性能影响的综述.混凝土，2001,(6):45-487王栋民.高性能膨胀混凝土.北京：中国水利水电出版社,2006:69-70