減水劑對高性能混凝土收縮的影響

吳久龍

（水電八局三分局，貴州 貴陽 550000）

1 摻合料對混凝土收縮的影響

收縮變形是導致混凝土結構施工期產(chǎn)生裂縫的主要因素。為提高混凝土的耐久性、穩(wěn)定性，常在混凝土中添加礦物摻合料和外加劑，但易使混凝土早期產(chǎn)生裂縫，因此有必要研究這些材料對高性能混凝土收縮的影響。

1.1 礦渣對收縮的影響

礦渣對混凝土收縮的影響存在較大爭議。Brooks等研究表明，高摻量礦渣可使早期收縮增加30%，但最終收縮減小，主要是由礦渣水化反應的延遲性及礦渣的加入使混凝土最終強度增強所致。澆筑后12h內(nèi)收縮值約達全部收縮值的90%，礦渣的加入對混凝土漿的早期收縮有降低作用，但礦渣摻量20%～50%混凝土漿體間的收縮值相差不大。高性能混凝土以自收縮為主，因此研究礦渣對收縮的影響可通過研究自收縮即可。梁文泉認為，采用比表面積>400cm2/g的礦渣替代水泥后，混凝土的自收縮值高于基準樣；磨細礦渣摻量≤45%時，自收縮值隨摻量增加而減?。粨搅窟_65%時，混凝土自由收縮值明顯增大，28d自收縮值達313×10-6。磨細礦渣增大了高性能混凝土早期自收縮，且隨磨細礦渣摻量的增加而增大、早期自收縮速度增大。

磨細礦渣對混凝土收縮的影響與其細度有關。當磨細礦渣與水泥細度相當時，混凝土收縮可隨礦渣摻量的增加而稍有減少；當?shù)V渣細度>400cm2/g時，混凝土收縮隨礦渣摻量的增加而增加。原因是磨細礦渣的活性更高，加速了混凝土內(nèi)部相對濕度的降低。但當摻量超過一定量后，未反應的顆粒增多，對混凝土的自生體積收縮起抑制作用。

1.2 粉煤灰對收縮的影響

粉煤灰的摻入具有減緩和降低混凝土早期收縮的作用，隨粉煤灰摻量的加大，混凝土早期收縮降幅也增大，原因是粉煤灰細微顆粒均勻分布于水泥漿體中，成為大量水化物沉積的核心；隨著水化的進展，這些細微顆粒及水化產(chǎn)物填充水泥孔隙，減小混凝土毛細孔的尺寸和水分的擴散，從而降低了混凝土的收縮值。

粉煤灰雖為活性混合材料，但在水泥漿體系中的水化非常緩慢，相當于增加早期有效水灰比，因此粉煤灰可降低混凝土內(nèi)部的早期自干燥速度，顯著降低早期自收縮。后期粉煤灰的繼續(xù)水化使水泥內(nèi)部自干燥程度提高，但此時混凝土彈性模量較高、徐變系數(shù)較低，因此在相同自干燥程度下產(chǎn)生的自收縮比早期小得多?；炷恋淖允湛s隨粉煤灰摻量的增加而減小。粉煤灰摻量≤20%時，隨摻量的增加自收縮值降幅增大，但摻量超過20%后粉煤灰抑制混凝土自收縮作用的增幅并不明顯。后期，不同粉煤灰摻量的混凝土自收縮增速無明顯差異。

1.3 硅粉對收縮的影響

硅粉一般應用于高強、高耐久性和低滲透性等性能要求較高的混凝土。硅粉是超細活性摻合料，其比表面積很大導致水化加快，加速了水泥孔隙中缺水與內(nèi)部相對濕度的降低，從而增大了自干燥，隨著硅粉含量的增加，混凝土的自收縮增加，干燥收縮減小。研究表明:①硅粉對混凝土自收縮和干燥收縮均有較大影響；②摻6%～7%的硅粉可減小50%的干燥收縮。早期含硅粉的混凝土水分損失很快，24h后停止。③硅粉可減小干燥收縮，但摻硅粉卻增大了混凝土的自收縮，抵消了減小干燥收縮的優(yōu)勢。

1.4 減縮劑對收縮的影響

高強高性能混凝土由于水膠低、礦物摻合料高，易造成混凝土結構內(nèi)部“缺水”。隨著水化反應的進行，在水泥中形成大量的微細孔，自由水不斷降低，相對濕度逐漸下降導致毛細孔中產(chǎn)生彎月面，水泥受負壓作用，作用于毛細管壁上而產(chǎn)生收縮。添加減縮劑后由于降低表面張力從而降低了孔內(nèi)附加壓力、提高了混凝土內(nèi)的相對濕度而減弱了自干燥效應，達到降低混凝土體積收縮的目的。

由減縮劑的作用機理可知，在混凝土原材料和配合比一定時，減縮率是一個相對穩(wěn)定值，施工養(yǎng)護和環(huán)境條件對混凝土的減縮率影響較小。即當養(yǎng)護條件差、環(huán)境條件惡劣引起混凝土收縮增大時，由于減縮率一定，故降低收縮的絕對值也增加，反之亦然。此外，減縮劑幾乎不存在水泥適應性問題，且與其他混凝土外加劑有良好的相容性，這是因為減縮劑是通過水的物理過程起作用，與水泥的礦物組成和摻合料等無關。

1.5 減水劑對收縮的影響

一般而言，摻用減水劑會使混凝土收縮有不同程度的增大。原因為:①減水劑的摻入使混凝土分散更均勻、和易性好因而水化更充分，致使混凝土內(nèi)部相對濕度降低，最終影響早期收縮；②添加減水劑后，混凝土中孔徑變小，使同量水分蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮變大，因此使混凝土早期收縮變大；③減水劑為陰離子表面活性劑，摻入后將電離出大量的自由陽離子使混凝土內(nèi)部可溶離子濃度增大，降低內(nèi)部相對濕度從而增大早期收縮。研究表明，水灰比不同，減水劑影響程度不同；減水劑品種不同，影響也不同。在相同的水灰比情況下，脂肪族減水劑、氨基磺酸鹽減水劑和蔡系減水劑均增大混凝土的收縮且增幅較大，其中氨基磺酸鹽減水劑增幅最大，脂肪族減水劑最小；在同塌落度條件下，同早期收縮類似，減水劑較大幅度地增大了混凝土的總收縮且在水泥用量較大時作用更明顯。

減水劑使混凝土收縮有不同程度的增大，但由于存在使用情況的差別，不能簡單概括具體收縮程度。

2 混凝土的收縮模型

混凝土收縮的量化便于設計者依據(jù)收縮模型設計出適合施工要求的混凝土配合比。針對普通混凝土已提出較多混凝土收縮預測模型，可考慮不同配合比和環(huán)境因素影響下的混凝土收縮。隨著高性能混凝土的廣泛應用，對原有模型進行修改并提出能反映高性能混凝土收縮特性的模型。

2.1 Bazant-Panula模型

Bazant-Panula模型(BP模型)主要針對普通混凝土收縮。因普通混凝土的基本收縮相對于干燥收縮較小，可忽略不計，故未對收縮進行細分。對普通混凝土，該模型較準確，但對高性能混凝土準確度欠佳。

2.2 CEB-FIP模型

CEB-FIP收縮模型用于預測抗壓強度低于60MPa的普通混凝土收縮，形式類似Bazant-Panula模型，與Bazant-Panula模型相比參數(shù)較少，僅以混凝土28d的棱柱體抗壓強度為基本變量。模型對齡期小于28d的高性能混凝土收縮預測偏低，原因為CEB-FIP模型未考慮基本收縮。

2.3 AFREM模型

AFREM收縮預測模型適合硅粉摻量5%以上、骨料集中度0.67以上的高性能混凝土。將高性能混凝土的總收縮分為基本收縮(也稱自收縮)和干燥收縮兩部分，基本收縮體現(xiàn)水泥水化反應和強度的發(fā)展。研究表明:①在齡期約4h時的混凝土強度約為28d齡期時的10%，此前基本收縮不發(fā)生；②28d齡期后混凝土的基本收縮不再為強度發(fā)展的函數(shù)，因為此時強度基本為常數(shù)。該模型僅適用于高強、高性能混凝土，不能預測接近高性能混凝土的收縮變形，故應用有局限性。

2.4 考慮摻合料影響的收縮模型

考慮摻合料影響的收縮模型(DNW模型)針對水膠比0.15～0.40、普通骨料、漿體體積占混凝土總體積30%的高性能混凝土和使用高效減水劑、硅灰摻量5%以上的高性能混凝土計算收縮。此預測模型也將混凝土的總收縮分為基本收縮和干燥收縮兩部分。

式中，εcs為總收縮；εbs為干燥收縮；εbso為最終干縮；t為收縮中的某時刻；ts為干縮開始時的齡期；w為水量；cm為添加外加劑之后水泥總量。

DNW模型的基本收縮為水膠比函數(shù)，收縮隨水膠比的減小而增大，硅粉的摻入僅能使基本收縮提高，與摻量無關，預測時間從初凝開始時算起。由模型可看出，高性能混凝土的最終干縮εbso與混凝土的水膠比、28d的抗壓強度有關。環(huán)境的相對濕度對干燥收縮有重要影響，相對濕度升高，干燥收縮減??；相對濕度降低，干燥收縮升高。該模型適用于廣泛意義上的高性能混凝土，尤其在考慮摻合料影響時，比AFREM模型具有更明顯優(yōu)勢。

2.5 模型的對比分析

因以上收縮模型的參數(shù)變量有所不同(BP模型為混凝土配合比函數(shù)，CEB-FIP和AFREM模型主要為混凝土強度函數(shù)，DNW模型是水膠比的函數(shù))，給模型間的對比分析增加了困難，但因混凝土水膠比和強度密切相關，故仍可進行比較。

采用強度等級分別為C40、C60、C80、C100，尺寸為150mm ×150mm×150mm的標準立方體試塊，在溫度20±3℃、相對濕度50%的養(yǎng)護條件下進行測試。分別用不同水膠比、是否摻合硅粉摻合料對混凝土試塊加以配比，采用上述四種模型進行計算，并比較各模型的干燥收縮隨混凝土強度及干燥時間的變化，見圖 1～3。

通過前述分析可知，BP模型和CEBFIP模型預測的基本收縮很小，可認為這兩個模型針對的是普通混凝土的干燥收縮。由圖1可看出:

①AFREM模型預測的基本收縮小于DNW 模型預測的基本收縮；

②水膠比越小，DNW 預測基本收縮越大；

③混凝土總干燥收縮的20%發(fā)生在28d內(nèi)，超過90%的基本收縮發(fā)生在同一時期，因此，對高性能混凝土，即使忽略干燥收縮的影響。

圖1 AFREM和DNW模型預測的基本收縮

圖2 各預測模型預測的干燥收縮

圖3 各預測模型預測干燥收縮的發(fā)展

早期收縮預測的準確性也不會降低，而對具有很低基本收縮的普通強度混凝土，這樣的收縮預測不準確。由圖2可看出，水膠比為0.40的DNW收縮模型預測的混凝土干縮量最大。由圖3可看出，AFREM模型預測含硅粉的混凝土干燥收縮較高。因DNW模型預測含硅粉的混凝土基本收縮較高，綜合考慮，兩個模型預測的含硅粉混凝土總收縮一致。

3 結束語

a.高性能混凝土水灰比低、絕熱溫升高、礦物摻合料多，混凝土的收縮機理復雜，收縮特性不同于普通混凝土，礦物摻合料對早期收縮的影響不可忽略。

b.考慮高性能混凝土的總收縮時，需區(qū)分基本收縮和干燥收縮。普通混凝土的基本收縮較小，總收縮在早期階段也較小。

c.對添加摻合料的高性能混凝土，DNW模型能更好地反映混凝土摻和料對收縮的影響。

[1]劉旭晨，廉慧珍.對摻用粉煤灰的混凝土抗裂性的試驗研究 [J].商品混凝土，2005(1):18221.