聚羧酸減水劑對(duì)超高性能混凝土性能的影響研究*

陳露一 張志豪 黃有強(qiáng) 李 信

(1.中鐵橋研科技有限公司 武漢 430034； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種具有超高強(qiáng)度與優(yōu)異耐久性的新型水泥基復(fù)合材料，適用于各種嚴(yán)苛環(huán)境下的大跨高層建筑結(jié)構(gòu)，其研究與應(yīng)用已成為近年來(lái)土木工程的熱點(diǎn)與前沿技術(shù)。UHPC優(yōu)異的韌性可以滿足橋面鋪裝對(duì)混凝土材料抗拉強(qiáng)度的要求，與正交異性板鋼橋面結(jié)合形成的組合橋面可以顯著提高橋面剛度，降低正交異性板的應(yīng)力幅[1]，提高鋼橋面板疲勞壽命，一舉解決鋼橋面鋪裝層損壞和鋼橋面板疲勞開(kāi)裂兩大技術(shù)難題，已成為業(yè)界的共識(shí)[2]。該項(xiàng)技術(shù)已相繼應(yīng)用于蒙華鐵路洞庭湖特大橋、荊州長(zhǎng)江公鐵大橋、成貴鐵路金沙江大橋、軍山長(zhǎng)江大橋，以及滬通長(zhǎng)江大橋等大型公路鐵路橋梁工程。UHPC具有致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，耐久性能較普通混凝土有顯著提高，抗?jié)B等級(jí)>P40，抗沖磨強(qiáng)度達(dá)到C50混凝土的4～5倍。得益于UHPC優(yōu)異的綜合性能，可減小混凝土結(jié)構(gòu)的重量，相同荷載條件下，UHPC構(gòu)件的重量通?？梢赃_(dá)到普通混凝土構(gòu)件重量的1/3～1/2，滿足嚴(yán)苛環(huán)境下結(jié)構(gòu)的高性能要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

減水劑是混凝土實(shí)現(xiàn)高性能化的重要材料之一，其可提高混凝土的流動(dòng)度，減少用水量，降低水膠比，從而保證混凝土材料的性能要求。董軍軍[3]研究了聚羧酸減水劑摻量對(duì)早強(qiáng)型灌漿料的性能影響，結(jié)果表明隨著減水劑摻量增加，灌漿料的流動(dòng)度先增大后減小，而硬化漿體的抗壓強(qiáng)度變化不顯著；王玲玲等[4]研究表明聚羧酸減水劑的引入可在一定程度上提高鋼纖維混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，改善混凝土的抗?jié)B性能；霍雷[5]研究了減水劑對(duì)混凝土工作性能和強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明在水灰比相同的情況下，加入減水劑后混凝土強(qiáng)度略有降低，繼續(xù)增加減水劑摻量時(shí)，混凝土強(qiáng)度基本保持不變。

作為一種水膠比極低的工程材料，UHPC往往需要使用比普通混凝土材料更大摻量的高效減水劑，UHPC不含粗骨料，粉體材料組成復(fù)雜，為了得到大流動(dòng)度混凝土而導(dǎo)致減水劑摻量使用過(guò)多時(shí)混凝土性能是否會(huì)受到影響，目前尚無(wú)系統(tǒng)研究，本技術(shù)團(tuán)隊(duì)相繼參與實(shí)施了數(shù)十座大型橋梁的UHPC應(yīng)用項(xiàng)目，在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)減水劑摻量過(guò)大時(shí)會(huì)明顯造成UHPC緩凝現(xiàn)象，那么減水劑摻量對(duì)UHPC其他性能影響如何，尚需進(jìn)一步研究，而這也是UHPC工程應(yīng)用時(shí)減水劑摻量合理把控應(yīng)該考慮的重要問(wèn)題。

聚羧酸減水劑是應(yīng)用較廣泛的新型高效減水劑，本文通過(guò)不同摻量的聚羧酸減水劑制備UHPC，研究不同摻量聚羧酸減水劑對(duì)低水膠比的UHPC流動(dòng)度、不同齡期抗壓強(qiáng)度、干燥收縮、自收縮與電通量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用華新P·O 42.5水泥，實(shí)測(cè)28 d 抗壓強(qiáng)度45.6 MPa；硅灰由成都東藍(lán)星科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，表觀密度為1 800 kg/m3；粉煤灰比表面積為2 000 m2/kg，表觀密度為2 500 kg/m3；細(xì)集料為(830～380，>380～212μm)2種不同粒徑的石英砂；高效減水劑為江蘇產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率大于30%；拌和用水為潔凈自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配比

UHPC材料固體組分組成見(jiàn)表1，試驗(yàn)配合比在固體組成的基礎(chǔ)上加入不同比例的聚羧酸減水劑，水膠比為0.19。

表1 UHPC固體組分體積比

1.3 試驗(yàn)方法

UHPC流動(dòng)度測(cè)試參照GB/T 2419-2005 《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》中的截錐金屬圓模和模套進(jìn)行，倒入漿體后提起圓模，待漿體不再流動(dòng)時(shí)，測(cè)量相互垂直方向的直徑后取兩者平均值。

UHPC早期自由收縮、硬化收縮變形、電通量試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，收縮試驗(yàn)見(jiàn)圖1。

圖1 UHPC收縮試驗(yàn)

早期自由收縮測(cè)試齡期以3 d為準(zhǔn)，長(zhǎng)期干燥收縮試件成型脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3 d，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出并立即移入恒溫恒濕室測(cè)定初始長(zhǎng)度，此后按照1，3，7，14，28，45，60 d的時(shí)間間隔測(cè)量其收縮值。電通量試驗(yàn)為不含鋼纖維的UHPC試件，在試件養(yǎng)護(hù)到28 d齡期時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行真空飽水。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 減水劑對(duì)UHPC流動(dòng)度的影響

不同聚羧酸減水劑摻量的UHPC流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同減水劑摻量的UHPC流動(dòng)度

由表2可知，在一定摻量范圍內(nèi)增加減水劑用量可以明顯提高UHPC流動(dòng)度，但是混凝土減水劑用量存在一個(gè)飽和點(diǎn)，該配比下的減水劑飽和摻量點(diǎn)約為1.3%。超過(guò)飽和摻量點(diǎn)后，增加減水劑摻量，漿體流動(dòng)度保持穩(wěn)定，基本無(wú)變化。聚羧酸減水劑對(duì)水泥的分散作用機(jī)理為吸附/靜電排斥作用與空間位阻作用的雙重機(jī)制，并以空間位阻作用為主，從而保證了聚羧酸系減水劑對(duì)水泥顆粒良好的分散性。當(dāng)減水劑摻量超過(guò)飽和摻量點(diǎn)后，水泥顆粒表面吸附空位被逐漸占據(jù)并達(dá)到飽和，此時(shí)繼續(xù)增加減水劑摻量，減水劑的吸附量幾乎不再增加，漿體流動(dòng)度也就不再增加[6]。

2.2 減水劑對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

不同聚羧酸減水劑摻量的UHPC各齡期抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2。

圖2 減水劑摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見(jiàn)，減水劑摻量對(duì)UHPC的早期強(qiáng)度影響顯著，在一定范圍內(nèi)，隨著減水劑摻量的增加，混凝土早期強(qiáng)度增加，后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，超過(guò)臨界點(diǎn)后，UHPC早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有不同程度地降低。減水劑摻量為0.5%時(shí)，UHPC 3，28 d抗壓強(qiáng)度分別為79，118.1 MPa，減水劑摻量增加到1.5%時(shí)，UHPC 3，28 d抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)到91.9，121.2 MPa，而當(dāng)減水摻量為2.5%時(shí)，UHPC 3，28 d抗壓強(qiáng)度分別為50，105.3 MPa。在飽和摻量點(diǎn)前，加入聚羧酸減水劑可以釋放低水膠比體系水泥顆粒絮凝團(tuán)中的絮凝水，有利于水泥顆粒水化，因此對(duì)早期強(qiáng)度有一定的提升作用。但是當(dāng)減水劑摻量超過(guò)飽和摻量點(diǎn)以后，聚羧酸減水劑所含的大量有機(jī)官能團(tuán)在水泥水化產(chǎn)物的堿性介質(zhì)中與游離Ca2+反應(yīng)生成不穩(wěn)定絡(luò)合物，在水化初期控制了液相中Ca2+的濃度，產(chǎn)生緩凝作用，從而導(dǎo)致早期強(qiáng)度降低[7]。隨著水化過(guò)程的進(jìn)行，這種不穩(wěn)定絡(luò)合物將自行分解，水化則繼續(xù)正常進(jìn)行。

2.3 減水劑對(duì)UHPC自收縮的影響

以減水劑飽和摻量點(diǎn)1.3%為參考，選取減水劑摻量分別為0.8，1.3，1.8% 3組UHPC進(jìn)行早期自收縮性能研究，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同減水劑摻量UHPC早期收縮曲線

由圖3可見(jiàn)，隨著減水劑摻量的增加，UHPC材料的早期收縮呈減小趨勢(shì)。減水劑摻量由0.8%增加到1.3%時(shí)，自收縮值降低9.2%；減水劑摻量增加到1.8%時(shí)，UHPC自收縮率降低到472×10-6。自收縮產(chǎn)生的主要原因?yàn)樗嗨^(guò)程中水化產(chǎn)物增加，毛細(xì)水量不斷減少，漿體內(nèi)部出現(xiàn)氣孔，水分不斷被消耗，體系內(nèi)部相對(duì)濕度降低，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，因而產(chǎn)生自收縮。UHPC早期收縮受凝結(jié)時(shí)間影響，但目前其早期收縮測(cè)試起始點(diǎn)尚無(wú)公認(rèn)界定，UHPC收縮對(duì)結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂有較大影響，而與開(kāi)裂相關(guān)的收縮主要是初凝后產(chǎn)生的，本文選取自收縮測(cè)試初始為初凝時(shí)間點(diǎn)。減水劑對(duì)漿體早期水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的形成影響較大，當(dāng)漿體減水劑增大時(shí)，表現(xiàn)出明顯的緩凝現(xiàn)象，初凝時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，相對(duì)緩慢的化學(xué)與物理作用使得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微細(xì)孔內(nèi)自由水量增多，毛細(xì)水管壓力發(fā)展速度減緩，從而早期自收縮有所降低[8]。

2.4 減水劑對(duì)UHPC干燥收縮的影響

減水劑摻量分別為0.8，1.3，1.8%時(shí)的UHPC長(zhǎng)期干燥收縮結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，隨著減水劑摻量的增加，UHPC長(zhǎng)期干燥收縮明顯增大。減水劑摻量從0.8%增加到1.3%時(shí)，UHPC干燥收縮增加15%，減水劑摻量增加到1.8%時(shí)，UHPC干燥收縮率達(dá)到469×10-6。UHPC干燥收縮的原因是毛細(xì)孔水蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮和凝膠體吸附水蒸發(fā)引起的膠凝體緊縮。減水劑的加入會(huì)影響硬化漿體的孔隙率與孔徑尺寸，并且會(huì)改變毛細(xì)孔水的表面物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致液相與毛細(xì)孔壁界面接觸角變化，從而對(duì)UHPC收縮性能產(chǎn)生影響[9]。加入減水劑后體系中的水相對(duì)增多，且體系內(nèi)部的毛細(xì)孔尺寸減小，毛細(xì)孔越細(xì)越均勻，失水后其產(chǎn)生的負(fù)壓越大，越大的負(fù)壓作用在毛細(xì)孔壁上就加大了UHPC的干燥收縮。

圖4 不同減水劑摻量UHPC長(zhǎng)期干燥收縮曲線

2.5 減水劑對(duì)UHPC電通量的影響

減水劑摻量分別為0.8%，1.3%，1.8%時(shí)的UHPC電通量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同減水劑摻量UHPC電通量測(cè)試結(jié)果

由圖5可見(jiàn)，隨著減水劑摻量的增加，UHPC的電通量值增大。減水劑摻量為0.8%，1.3%，1.8%時(shí)，UHPC電通量值分別為120.2，138.4，162.1 C，減水劑摻量增加0.5%時(shí)，電通量值增幅分別為15.1%，17.1%，即減水劑摻量越大，繼續(xù)增加減水劑摻量時(shí)UHPC電通量值增長(zhǎng)越快?？?jié)B性是提高和保證UHPC材料耐久性需要控制的重要性能，UHPC不含粗骨料，內(nèi)部界面缺陷少，水膠比低，硬化后體系孔隙率小，且活性礦物摻和料多，火山灰效應(yīng)、二次水化反應(yīng)可有效改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)。相比于普通混凝凝土，UHPC電通量小得多，抗氯離子滲透性強(qiáng)，隨著減水劑摻量的增大，UHPC抗氯離子滲透能力有下降趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 聚羧酸減水劑可以提高UHPC流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度，但其摻量存在一個(gè)臨界飽和點(diǎn)，臨界點(diǎn)前UHPC流動(dòng)度和強(qiáng)度隨著減水劑的增加而增大，超過(guò)臨界點(diǎn)后，繼續(xù)增加減水劑摻量，漿體流動(dòng)度保持穩(wěn)定，變化不大，UHPC早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有不同程度降低，根據(jù)不同摻量的UHPC性能表現(xiàn)，減水劑摻量宜為1.5%。

2) 以飽和摻量1.3%為參考點(diǎn)，隨著聚羧酸減水劑摻量從0.8%分別增加到1.3%和1.8%時(shí)，UHPC早期收縮呈減小趨勢(shì)，而長(zhǎng)期干燥收縮與電通量則明顯增大，減水劑摻量由0.8%增加到1.3%時(shí)，自收縮值降低9.2%，干燥收縮增加15%，電通量增加15.1%。