抗裂防水劑對硅酸鹽水泥的收縮變形及水化特征影響的研究

陳彥文 ,祝金崧,2

(1.沈陽建筑大學材料科學與工程學院,沈陽 110168；2.遼寧大通公路工程有限公司,沈陽 110166)

?

抗裂防水劑對硅酸鹽水泥的收縮變形及水化特征影響的研究

陳彥文1,祝金崧1,2

(1.沈陽建筑大學材料科學與工程學院,沈陽 110168；2.遼寧大通公路工程有限公司,沈陽 110166)

研究了摻入抗裂防水劑的硅酸鹽水泥砂漿早期變形性能以及水化溫升特征。試驗選擇用水灰比為0.35、0.40、0.45,抗裂防水劑摻量為6%、10%、14%。用膨脹收縮儀,測試在不同的養(yǎng)護條件下試件收縮變形；利用智能多點測溫儀，測試硅酸鹽水泥砂漿的水化升溫特征。結果表明：除0.35水灰比，抗裂防水劑為14%的硅酸鹽水泥砂漿以外，其余組硅酸鹽水泥砂漿，14d的膨脹值均達到最大值，14d以后均產(chǎn)生收縮。0.4水灰比的膠砂，經(jīng)過60 ℃、70 ℃、80 ℃等成熟度養(yǎng)護再轉常溫養(yǎng)護后，表現(xiàn)為先膨脹后收縮，且膨脹值隨抗裂防水劑摻量的增加而增大。當抗裂防水劑摻量為6%時，硅酸鹽水泥砂漿的早期水化溫升變化相差不大，抗裂防水劑摻量為10%、14%時，硅酸鹽水泥砂漿的早期水化溫升差別較大。

抗裂防水劑； 收縮變形； 水化特征

1 引 言

隨著我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展，混凝土、砂漿工程不斷地涌現(xiàn)，大體積工程自身體積大，膠凝材料用量多,而膠凝材料的水化反應會引起混凝土內部溫度的提高，同時還會產(chǎn)生大量的收縮變形。根據(jù)前人的研究成果，在混凝土中摻入一定量的抗裂防水劑可以減小混凝土的收縮變形，但抗裂防水劑的水化反應會一定程度上提高混凝土內部的溫度?；炷羶炔康妮^高溫度環(huán)境又會促進抗裂防水擠的性能發(fā)揮，增加體系內的膨脹能，更多的膨脹產(chǎn)物填充硬化漿體中的孔隙，細化孔結構，對此國內外學者對抗裂防水劑在不同溫度下的性能進行了大量地研究。苗苗[1]養(yǎng)護溫度和粉煤灰對補償收縮混凝土膨脹效能的影響，游寶坤等[2]闡述了膨脹劑對混凝土變形性能的影響，O.Ple[3]研究了膨脹劑對混凝土絕熱溫升的影響。王棟民等[4]研究了水泥-膨脹劑-粉煤灰復合膠凝材料膨脹與強度發(fā)展的協(xié)調性。本文對摻入抗裂防水劑的硅酸鹽水泥砂漿的變形特性、水化溫升性能以及其經(jīng)歷不同高溫過程后的變形性能進行了初步探索。

2 試 驗

2.1 原 料

2.1.1 水泥：冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P·O42.5水泥，技術指標見表 1。

表1 P·O 42.5水泥技術指標

2.1.2 抗裂防水劑：河北同邦建材有限公司TB-CSA抗裂防水劑。

2.1.3 水:自來水。

2.2 方 法

試驗配制0.35(①)、0.4(②)、0.45(③)的三種水灰比砂漿，實驗方案見表 2。

表2 試驗方案

試驗采用25mm×25mm×280mm試件，每個水灰比制作一組試件進行標準養(yǎng)護；再制作0.4水灰比的試件三組，分別經(jīng)過60 ℃，70 ℃，80 ℃三個等成熟度升溫養(yǎng)護過程，利用水泥砂漿膨脹收縮儀測試，(1)標準養(yǎng)護3d、7d、14d、28d收縮變形；(2)經(jīng)等成熟度養(yǎng)護開始時(a)、結束后(b)、結束再轉24h標準養(yǎng)護后(c)、直至在經(jīng)過養(yǎng)護28d(d)膨脹收縮變形值。(3)將制備的砂漿拌合物裝入規(guī)格相同的保溫桶中，埋入智能多點測溫儀，保證測頭埋入深度一致，用凡士林將桶口封住，近似于絕熱狀態(tài)。從砂漿裝入保溫桶中開始測試溫度到達到與室溫一致時結束。

3 結果與討論

3.1 標準養(yǎng)護條件下，混凝土抗裂防水劑對硅酸鹽水泥變形的影響

抗裂防水劑摻量對硅酸鹽水泥收縮變形影響如圖1所示。

不同層次的模塊具有不同的模塊粒度，越靠近底層的模塊，粒度越細。模塊配置完成后，通過映射將抽象模塊與Linux操作系統(tǒng)功能一一對應，生成可執(zhí)行文件，這些可執(zhí)行文件就是最終的嵌入式操作系統(tǒng)。

圖1 抗裂防水劑摻量對硅酸鹽水泥收縮變形影響(a)6%;(b)10%;(c)14%Fig.1 Effect of cracking waterproofing agent content on deformation properties of Portland cement(a)6%;(b)10%;(c)14%

圖1可見，除了在0.35水灰比，抗裂防水劑摻量為14%水泥砂漿產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，其余組實驗的水泥砂漿，3～14d均產(chǎn)生膨脹，14d膨脹值達到最大，且膨脹值均為0.45水灰比時最大。然后膨脹值產(chǎn)生倒縮，直到出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象。水灰比為0.35時，砂漿28d收縮值最大。在水泥的水化的早期，水灰比越小，硅酸鹽水泥中未水化的水泥顆粒填充了水泥石的孔隙，膠砂中黏性體朝著孔隙處流動，水泥石密實所需要消耗的膨脹能較少，膠砂體積向外產(chǎn)生的膨脹能比較大，因此，水灰比為0.35時膨脹值最大。7d以后，隨著水化反應的進行，膠砂內部的水分逐漸減少，水灰比為0.45時的水分相對比較充足，這部分水分在抗裂防水劑中的膨脹組分能夠更好的發(fā)揮作用,膠砂的膨脹值會增大，14d達到最大；而水灰比為0.35時水分不足，隨著水分的減少自收縮增加，并且抗裂防水劑摻量越大的體系耗水越多，自收縮值越大，0.35水灰比的膠砂膨脹值增加較少。14d以后，隨著各體系水分均不斷地減少，各體系均不能提供抗裂防水劑中膨脹組分所需要的水分，其膨脹作用均不足于補償水泥石的收縮變形，其膨脹作用不足于補償水泥石的收縮變形，所以各體系均出現(xiàn)收縮變形，且收縮值隨著水灰比的增加而減小。

3.2 混凝土抗裂防水劑對不同養(yǎng)護條件下硅酸鹽水泥變形的影響

不同養(yǎng)護條件下硅酸鹽水泥的收縮變形測試結果如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)護條件下硅酸鹽水泥的收縮變形測試結果(a)60 ℃;(b)70 ℃;(c)80 ℃Fig.2 Test results of Portland cement shrinkage under different curing conditions(a)60 ℃;(b)70 ℃;(c)80 ℃

由圖2可見，經(jīng)過60 ℃、70 ℃、80 ℃等成熟度養(yǎng)護后，水泥膠砂均表現(xiàn)為膨脹，且隨著膨脹劑摻量的增大膨脹值增大。轉入常溫后均表現(xiàn)為收縮，且隨著等成熟度養(yǎng)護溫度的升高收縮值增大，經(jīng)過60 ℃、70 ℃的成熟度養(yǎng)護過程表現(xiàn)為抗裂防水劑摻量為14%的收縮值較低；而經(jīng)過80 ℃等成熟度養(yǎng)護后，抗裂防水劑摻量14%時收縮值較大。自然養(yǎng)護至28d，收縮值均有所增加。

在硅酸鹽水泥中加入抗裂防水劑(膨脹源為硫鋁酸鈣類)，高溫下與硅酸鹽水泥漿體中的Ca(OH)2反應生成大量結晶水化合物3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(即鈣礬石)，鈣礬石產(chǎn)生膨脹應力導致水泥膠砂表現(xiàn)為膨脹[4]，且抗裂防水劑的摻量越多生成鈣礬石的量越大，體系的膨脹值越大。

轉入常溫標養(yǎng)24h后，由于溫度梯度產(chǎn)生的溫度應力導致各組膠砂均表現(xiàn)為收縮，且溫度越高的體系轉常溫后產(chǎn)生地溫度應力越大，收縮值也越大。經(jīng)過60 ℃、70 ℃等成熟度養(yǎng)護再轉常溫24h后，由于硅酸鹽水泥在高溫時生成大量的鈣礬石，且抗裂防水劑的量越大生成的鈣礬石量越大，其具有一定的骨架作用，能抵抗一定的收縮，所以抗裂減水劑摻量越大，收縮越小。而當經(jīng)過80 ℃等成熟度養(yǎng)護再轉常溫24h后鈣礬石(AFt)會分解轉化成AFm、CaSO4、H2O，被C-S-H凝膠所吸收，使水分大量沿著孔隙遷移、蒸發(fā)，同時產(chǎn)生較大的毛細孔壓力，因此產(chǎn)生大量的收縮，且Aft量越大，分解地越多，收縮值越大，所以抗裂防水劑摻量越大收縮越大[5-6]。

經(jīng)過等成熟度養(yǎng)護后再自然養(yǎng)護至28d后，隨著水化反應程度深入，水泥膠砂的收縮值均有所增加，經(jīng)60 ℃、70 ℃等成熟度養(yǎng)護的水泥膠砂收縮值均隨抗裂防水劑量的增加而減小，經(jīng)80 ℃等成熟度養(yǎng)護后水泥膠砂體系隨著水化反應的進行，AFm,SO42-和Al3+從C-S-H凝膠中析出[7]，重新生成鈣礬石，稱為延遲鈣礬石生成(DEF)，會使體系產(chǎn)生大量的收縮，并且抗裂防水劑摻量越大產(chǎn)生的收縮值越大。

混凝土抗裂防水劑對硅酸鹽水泥的早期水化溫升特征測試結果如圖3所示。

圖3 混凝土抗裂防水劑對硅酸鹽水泥的早期水化溫升特征的影響(a)6%;(b)10%;(c)14%Fig.3 Effect of concrete cracking waterproofing agent content on early hydration temperature characteristics of Portland cement(a)6%;(b)10%;(c)14%

圖3可見，抗裂防水劑摻量為6%時，對不同水灰比的早期水化溫升影響不大。當抗裂防水劑摻量為10%時，水灰比為0.4的水化放熱量最大，水灰比為0.35的水化放熱最小。當抗裂防水劑摻量為14%時，水灰比為0.45的水化放熱量大，水灰比為0.35的水化放熱最小。

早期水化溫升主要由硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生。此時硅酸鹽水泥的水化反應程度低，不同水灰比對其水化反應影響不大，從而導致了抗裂防水劑的摻量為6%時，水泥膠砂早期水化溫升峰值差別不大。

抗裂防水劑的摻量為10%時，當水灰比為0.35時，水分不充足，以至于影響了抗裂防水劑的水化反應，所以體系的早期水化溫升峰值低。水灰比為0.45時水分較多，除了滿足水化反應之外還以自由水狀態(tài)存在，水的比熱容大能吸收一部分水化反應的熱量，在一定程度上降低了水化的溫升峰值[8]。而水灰比為0.4時，硅酸鹽水泥膠砂拌合水適量，抗裂防水劑與硅酸鹽水泥均能充分的反應，并且自由水的量相對于水灰比為0.45時少，致使水灰比為0.40時早期水化溫升最高。

抗裂防水劑的摻量為14%時，由于抗裂防水劑的摻量較大，所以水泥膠砂的水化反應需要的水分比較多。因此隨著水灰比的增大，水化放熱量增大，所以水灰比越大的水泥膠砂早期水化溫升峰值越高。

4 結 論

(1)除了在0.35水灰比，抗裂防水劑摻量為14%硅酸鹽水泥膠砂產(chǎn)生收縮現(xiàn)象。其余組實驗的硅酸鹽水泥膠砂，早期(3～7d)均產(chǎn)生膨脹，并且水灰比為0.35時膨脹值最大，7～14d均是水灰比為0.45時膨脹值最大，14～28d均產(chǎn)生收縮變形，且收縮值隨著水灰比的增加而減小;

(2)經(jīng)過60 ℃、70 ℃、80 ℃等成熟度養(yǎng)護后，不同摻量抗裂防水劑摻量的硅酸鹽水泥膠砂均表現(xiàn)為膨脹，且膨脹值隨抗裂防水劑摻量的增加而增大。轉入標養(yǎng)24h后均表現(xiàn)為收縮，收縮值隨著等成熟度養(yǎng)護溫度升高而增大。經(jīng)60 ℃、70 ℃等成熟度養(yǎng)護轉標養(yǎng)后，收縮值隨抗裂防水劑摻量增加而減?。欢?jīng)80 ℃等成熟度養(yǎng)護轉標養(yǎng)后，收縮值隨抗裂防水劑摻量增加而增加;

(3)硅酸鹽水泥的早期水化溫升特征表現(xiàn)為，當抗裂防水劑摻量為6%時，實驗用各水灰比的硅酸鹽水泥砂漿水化升溫特征差別不大?？沽逊浪畡搅繛?0%、14%時，水化升溫變化較明顯，抗裂防水劑摻量10%時；0.4水灰比的水化升溫峰值最高；抗裂防水劑摻量14%時；0.45灰比的水化升溫峰值最高。

[1] 苗 苗,米貴東,閻培渝,等.養(yǎng)護溫度和粉煤灰對補償收縮混凝土膨脹效能的影響[J].硅酸鹽學報，2012,(10)：1427-1430.

[2] 游寶坤,李乃珍著.膨脹劑及其補償收縮混凝土[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2006:117-118.

[3]PleO.Preliminarystudyofmultiscaleanalysisinfiberreinforcedconcrete[J].Materials and Structures,2002,5:279-284．

[4] 王棟民,張守祺,王振華,等.水泥-膨脹劑-粉煤灰復合膠凝材料膨脹與強度發(fā)展的協(xié)調性研究[J].混凝土,2010,(01)：49-52.

[5]ErzarB,ForquinP.Anexperimentalmethodtodeterminethetensilestrengthofconcreteathighratesofstrain[C].ExperimentalMechanics,2010:941-955.

[6] 李乃珍,謝敬坦.廣義的補償收縮混凝土及補償效率[J].混凝土,2010,(06):49-52.

[7]MaltaisY,MarchandJ.Influenceofcuringcementhydrationandmechanicalstrengthdevelopmortar[J].Cem.Concr.Res.,1997,27(7):1009-1020.

[8] 彭 江,徐志全,閻培渝.大體積補償收縮混凝土中膨脹劑的使用效能[J].建筑材料學報,2003，(02)：147-152.

Effect of Cracking Waterproofing Agent on Shrinkage andHydration Characteristics of Portland Cement

CHEN Yan-wen1,ZHU Jin-song1,2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineeringShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168，China；2.LiaoningDatongRoadConstructionCo.,Ltd.,Shenyang110166，China)

ResearchcrackingwaterproofingagentonearlydeformationpropertiesandhydrationtemperaturecharacteristicsofPortlandcementmortar.Experimentalmethod:Thewater-cementratiowas0.35, 0.40and0.45.Testcontentofcrackingwaterproofingagentwas6%, 10%and14%.Theshrinkageofspecimenpreparedunderdifferentcuringconditionswastestedbyexpansioncontractioninstrument.ThehydrationcharacteristicsofPortlandcementmortarwasmeasuredbyintelligentmulti-pointthermometer.Conclusion:The14dexpansionofPortlandcementmortarreachedthemaximumvalueandPortlandcementmortarwasshrinkageafter14d,exceptthemortarwhichwater-cementratiowas0.35andcontentofcrackingwaterproofingagentwas14%.Whenwater-cementratioofmortarwas0.4andcuringconditionswaschangedfrommaturityconservation(60 ℃, 70 ℃, 80 ℃etc.)toroomtemperatureconservation,mortarwasshrankafterexpandedandexpansionvalueincreasedwithcontentofcrackingwaterproofingagentincreasing.Whencontentofcrackingwaterproofingagentwas6%,hydrationtemperatureofPortlandcementmortarwassimilar.Whencontentofcrackingwaterproofingagentwas10%, 14%,hydrationtemperatureofmortarwasquitedifferent.

crackingwaterproofingagent;shrinkage;hydrationcharacteristics

住房和城鄉(xiāng)建設部(2015-K4-033)

陳彥文(1965-)，女，高級實驗師.主要從事土木工程材料的教學及實驗研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4217-05