增稠劑對(duì)混凝土收縮性能的影響

李林香，譚鹽賓，謝永江，楊魯，葛昕，鄭永杰，王浩

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京鐵科建筑科技有限公司，北京 100081）

增稠劑是指能增加混凝土拌合物黏度的一類外加劑，因其具有摻量少、增稠效果好、施工方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于混凝土工程中。增稠劑加入到混凝土中，大多用來(lái)改善混凝土的工作性能、增大混凝土的黏度、提高混凝土的抗離析性，目前應(yīng)用最廣且效果較好的是丙烯系、纖維素系增稠劑及來(lái)源于微生物的多糖等[1-2]。增稠劑大多具有良好的保水性，可減少水泥砂漿的快速失水，降低水泥砂漿的早期自由收縮，進(jìn)而提高水泥砂漿的抗裂性[3-4]。增稠劑摻量的變化可改變水泥砂漿早期收縮的動(dòng)力學(xué)水平[5]。增稠劑也可改善混凝土的氣泡參數(shù)，提高混凝土的抗凍性能[6]。混凝土的收縮一直是混凝土工程研究的熱點(diǎn)，減小收縮可大幅提高混凝土的抗裂性和耐久性。本文選取2 種微生物多糖（溫輪膠和黃原膠）和2 種不同黏度的纖維素醚，研究不同的增稠劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、塑性收縮和干燥收縮的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：北京金隅P·O42.5 水泥，主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：元寶山發(fā)電有限公司，F(xiàn) 類Ⅰ級(jí)，主要技術(shù)性能見表2；砂：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量0.4%；石：5～20 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量0.2%；減水劑：河北三楷聚羧酸減水劑，減水率29.4%，固含量23.12%；消泡劑：廣東龍湖科技股份有限公司，P841 粉體消泡劑，有效組分42%；溫輪膠、黃原膠：山東景鑫生物科技有限公司，黏度（1%H2O，25 ℃）分別為3000、1400 mPa·s；纖維素醚1、纖維素醚2：蘇州賽貿(mào)新材料科技有限公司，黏度（1%H2O，25 ℃）分別為1300、600 mPa·s。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

（1）水溶液黏度：用燒杯稱量200 g 自來(lái)水（水溫20 ℃），再稱量1 g 增稠劑，把增稠劑緩緩加入水中，用玻璃棒攪拌至完全溶解，然后用NDJ-5S 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試水溶液的黏度。

（2）水泥凈漿黏度：稱取水泥300 g、水120 g、摻加一定量的減水劑，控制基準(zhǔn)水泥凈漿擴(kuò)展度為（280±10）mm；摻入不同增稠劑后，水泥凈漿擴(kuò)展度控制在（260±10）mm，以此來(lái)確定各增稠劑的摻量，然后用NDJ-5S 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試水泥凈漿的黏度。

（3）混凝土攪拌方法：采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，先將稱量好的砂、碎石、水泥、粉煤灰、增稠劑放入攪拌機(jī)內(nèi)干拌20 s，隨后加入外加劑和水再攪拌3 min。

（4）混凝土拌合物性能：混凝土攪拌出鍋后，立即測(cè)試坍落度和含氣量，如果坍落度不滿足（160±20）mm 的要求，需調(diào)整減水劑的用量重新攪拌然后測(cè)試；如果含氣量不滿足（4.0±0.5）%的要求，需調(diào)整消泡劑的用量重新攪拌然后測(cè)試，直到坍落度和含氣量滿足要求為止。混凝土的坍落度和含氣量參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（5）混凝土抗壓強(qiáng)度：采用100 mm×100 mm×100 mm 非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每組3 塊，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（6）混凝土塑性收縮：試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，為了防止試模限制混凝土的收縮，在澆注混凝土前先在試模內(nèi)鋪2 層聚乙烯薄膜，試模端放入標(biāo)靶，然后將攪拌好的混凝土澆注到試模中，連接傳感器，開啟非接觸式收縮儀測(cè)試混凝土的收縮變形值，試驗(yàn)在溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為（60±5）%的環(huán)境中進(jìn)行，塑性收縮試驗(yàn)如圖1 所示。

圖1 塑性收縮試驗(yàn)

（7）混凝土干燥收縮：試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模，脫模后放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)2 d，然后將試件移至溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為（60±5）%的環(huán)境中，放置2 h 時(shí)測(cè)試初長(zhǎng)，之后分別測(cè)量試件在1、3、7、14、28、56、90、120 d 的長(zhǎng)度，計(jì)算試件的收縮率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同增稠劑在水溶液中的黏度

由于增稠劑在水溶液中溶解速率較慢，因此增稠劑需緩慢加入水中，且邊加入邊攪拌，保證充分溶解。不同增稠劑在0.5%濃度水溶液中黏度的變化如表3 所示。

表3 不同增稠劑在水溶液中的黏度

由表3 可見，在0.5%濃度水溶液中，不同增稠劑的黏度有較大差別，溫輪膠和黃原膠的增稠效果最明顯，1 h 后黏度達(dá)到600 mPa·s 以上；2 種纖維素醚的黏度較小，且纖維素醚2 的黏度最小。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各種增稠劑在水溶液中的黏度逐漸增大，基本上都在1 h 左右達(dá)到穩(wěn)定。溫輪膠和黃原膠雖然黏度接近，但兩者在水溶液中的觸感差別較大，溫輪膠稠而不黏，觸感像漿糊；黃原膠稀而黏，觸感像膠水。

2.2 水泥凈漿黏度

配制基準(zhǔn)水泥凈漿的擴(kuò)展度為（280±10）mm，摻入不同摻量的增稠劑，控制摻增稠劑的水泥凈漿擴(kuò)展度為（260±10）mm 時(shí)增稠劑的摻量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）、水泥凈漿擴(kuò)展度以及水泥凈漿黏度如表4 所示。

摻入增稠劑對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)性影響較大。為了保證水泥凈漿有較好的流動(dòng)性，增稠劑的摻量不能過大，本試驗(yàn)在保證摻增稠劑后水泥凈漿有較好流動(dòng)性的前提下，確定了不同增稠劑的摻量。由表4 可見，在摻入增稠劑后水泥凈漿有大致相同擴(kuò)展度的條件下，不同增稠劑的摻量差別較大。2 種生物膠對(duì)比，溫輪膠的摻量要小于黃原膠，這與2 種生物膠在水溶液中的狀態(tài)一致，溫輪膠在水溶液中稠度較大，所以要保證水泥漿體相同的擴(kuò)展度，摻量要少。2 種纖維素醚對(duì)比，纖維素醚1 的摻量要小于纖維素醚2，這是因?yàn)槔w維素醚1 的黏度大，因此要保證水泥漿體相同的擴(kuò)展度，纖維素醚1 的摻量就較少。

表4 水泥凈漿的擴(kuò)展度和黏度

2.3 混凝土的性能

基準(zhǔn)混凝土配合比見表5，溫輪膠、黃原膠、纖維素醚1、纖維素醚2 摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.03%、0.09%、0.03%、0.10%，在混凝土拌制過程中，通過調(diào)整外加劑（減水劑和消泡劑）的摻量，控制各組混凝土的坍落度為（160±20）mm，含氣量為（4.0±0.5）%。

2.3.1 混凝土的力學(xué)性能

不同增稠劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖2 所示。

圖2 不同增稠劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2 可見，摻黃原膠的混凝土抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，摻其余幾種增稠劑的混凝土抗壓強(qiáng)度都高于基準(zhǔn)混凝土。試驗(yàn)表明，摻入適量的生物膠或纖維素醚不會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。文獻(xiàn)[7]也指出，不同黏度的纖維素醚在較低摻量下會(huì)提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度；也有研究表明[8]，當(dāng)纖維素醚摻量低于0.50%時(shí)，對(duì)混凝土抗壓、抗折及軸心抗拉強(qiáng)度的影響均不大。

2.3.2 混凝土的塑性收縮

不同增稠劑對(duì)混凝土塑性收縮的影響如圖3 所示。

圖3 不同增稠劑對(duì)混凝土塑性收縮的影響

由圖3 可見，摻加增稠劑后，混凝土的塑性收縮均小于基準(zhǔn)混凝土。其中摻黃原膠的混凝土塑性收縮最小，最終收縮值約920 με，比基準(zhǔn)混凝土減小約60%；摻加溫輪膠的次之，約1288 με，比基準(zhǔn)混凝土減小約45%；摻加纖維素醚1 和纖維素醚2 的混凝土塑性收縮比基準(zhǔn)混凝土分別減小約27%和11%。

混凝土塑性收縮大致可以分為3 個(gè)階段：第1 階段為沉降收縮階段（0～1 h），第2 階段為塑性收縮階段（1～10 h），第3階段為硬化收縮階段（約10 h 以后）。在第1 階段，新拌混凝土的固體顆粒（水泥和骨料）之間完全被水所充滿，成型后固體顆粒下沉，水分上升，導(dǎo)致混凝土在水平長(zhǎng)度方向略有膨脹，膨脹率一般很小，僅有幾十微應(yīng)變；在第2 階段，混凝土中水分因蒸發(fā)、水化反應(yīng)而消耗，顆粒之間的水形成彎液面，隨曲率半徑不斷減小，毛細(xì)管壓力顯著增大，進(jìn)而收縮也隨之增大，該階段為混凝土早期收縮的主要階段；在第3 階段，一方面，隨水泥水化的不斷進(jìn)行，混凝土表面的水不能填充所有孔隙而呈非連續(xù)狀態(tài)，毛細(xì)管壓力隨之迅速降低，另一方面，混凝土開始硬化，逐漸由粘塑性體轉(zhuǎn)變?yōu)橛不w，系統(tǒng)抵抗變形的能力增大，使得混凝土的收縮在此階段小幅平穩(wěn)發(fā)展。

從塑性收縮3 個(gè)階段的特點(diǎn)看出，塑性收縮的大小主要與混凝土中水分的蒸發(fā)、消耗有關(guān)，摻加溫輪膠和黃原膠的混凝土塑性收縮比基準(zhǔn)混凝土大幅減小的原因在于溫輪膠和黃原膠優(yōu)異的保水性[9]，摻溫輪膠和黃原膠的混凝土保水性好，水分蒸發(fā)慢，因此混凝土彎液面曲率半徑較大，毛細(xì)管壓力較小，使得塑性收縮較小。摻纖維素醚也能減小混凝土的塑性收縮，但沒有摻溫輪膠和黃原膠明顯，可能與纖維素醚的摻量有關(guān)。

2.3.3 混凝土的干燥收縮

不同增稠劑對(duì)混凝土干燥收縮的影響如圖4 所示。

圖4 不同增稠劑對(duì)混凝土干燥收縮的影響

由圖4 可見，摻增稠劑混凝土的干燥收縮都小于基準(zhǔn)混凝土，其中以摻黃原膠混凝土的干燥收縮最小，120 d 齡期時(shí)的干燥收縮比基準(zhǔn)混凝土減小15%，摻其它3 種增稠劑的混凝土干燥收縮比基準(zhǔn)混凝土減小7%～8%。干燥收縮是由于混凝土內(nèi)部水分向環(huán)境散失導(dǎo)致內(nèi)部毛細(xì)孔水分飽和度降低引起的收縮[10]。增稠劑摻入到混凝土中，這些長(zhǎng)鏈聚合物分子吸附在水分子周圍，吸附和固定部分拌合水而產(chǎn)生膨脹，在后期的干燥過程中，混凝土失水速率減小，因此干燥收縮減小。

3 結(jié)論

（1）在相同濃度的水溶液中，溫輪膠和黃原膠的黏度最大。在水泥凈漿中，在保證水泥漿體大致相同流動(dòng)度的情況下，溫輪膠和纖維素醚1 所需的摻量最小。

（2）摻加適量的增稠劑不會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。摻加增稠劑能大幅減小混凝土的塑性收縮，摻溫輪膠和黃原膠混凝土的塑性收縮比基準(zhǔn)混凝土分別減小約45%和60%，摻加2 種纖維素醚的混凝土塑性收縮比基準(zhǔn)混凝土分別減小約27%和11%。

（3）摻加不同增稠劑均能減小混凝土的干燥收縮，120 d齡期干燥收縮比基準(zhǔn)混凝土減小7%～15%。