外加劑和纖維對混凝土收縮性能的影響

左俊卿

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

混凝土是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的建筑材料，已成為城市發(fā)展過程中不可或缺的材料[1]。然而，隨著混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，人們對其性能提出了更高的要求，尤其是混凝土收縮開裂。眾所周知，裂縫是混凝土的一種自然特征，甚至在使用前，混凝土內(nèi)部就分布著許多微裂紋，而外力作用促進了這些微裂紋進一步發(fā)展形成連續(xù)的裂縫[2]。環(huán)境中的有害物質(zhì)均可以通過裂縫進入混凝土內(nèi)部，從而導致混凝土力學性能和耐久性明顯降低，這必然嚴重影響混凝土的使用壽命[3]。已往的研究結(jié)果表明，混凝土的微裂紋主要是由于不均勻和收縮過大所導致的，裂縫的發(fā)展取決于收縮所引起的應(yīng)力和混凝土抗拉強度這二者之間的博弈。因此，從延長混凝土使用壽命的角度分析，控制和減少混凝土收縮是非常必要的。近年來，學者們開展了大量的針對混凝土收縮的研究。

已有研究結(jié)果證實，在混凝土中摻入聚丙烯（polypropylene，PP）纖維，有利于增強混凝土的抗收縮開裂性能[4]。減縮劑（shrinkage-reducing agent，SRA）是一種新型的抑制混凝土早期開裂的外加劑[5]，Soliman等[6]證實SRA的摻入降低了超高性能混凝土早期收縮。膨脹劑（expanding agent，EA）的摻入會導致水泥漿體體積膨脹，抵消混凝土早期部分的收縮。纖維能在混凝土內(nèi)部形成亂向支撐體系削弱應(yīng)力發(fā)展，產(chǎn)生橋聯(lián)作用阻礙裂縫擴張。本文從宏觀層面的力學性能、干燥收縮以及微觀層面的微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)，對比研究了SRA、EA和PP材料對混凝土收縮性能的改善效果及其作用機理。

1 試驗方案

1.1 原材料

本文采用P·O 42.5水泥，其密度和比表面積分別為3.15 g/cm3、350 m2/kg。礦物摻合料主要包括Ⅱ級粉煤灰（FA）和S95礦粉（KF）。水泥、粉煤灰和礦粉的化學組成如表1所示。圖1顯示了膠凝材料的粒徑分布，從圖1可知，礦粉的粒徑明顯小于水泥。從膠凝材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，水泥呈塊狀分布，粉煤灰主要以小圓球狀的顆粒分布，而礦粉的形貌與水泥相似。

圖1 膠凝材料粒徑分布

圖2 膠凝材料SEM圖

表1 膠凝材料的化學組成

本試驗采用的砂為上海市構(gòu)件五廠提供的水洗砂（中砂），顆粒級配完全符合Ⅱ區(qū)，細度模數(shù)為2.8、含泥量0.2%、泥塊含量0，含水率0.1%；碎石為5～25 mm連續(xù)粒級。文中采用的外加劑主要為SBT-SRA（I）混凝土減縮劑和DENKA HP-CSA型膨脹劑（EA）這2種，其中EA的平均粒徑為89 mm，使用的纖維為聚丙烯纖維，采用803型減水劑。

1.2 配合比設(shè)計

為了研究SRA、EA和PP纖維對混凝土抗壓強度和干燥收縮的影響，本文設(shè)計了3種體系的混凝土。Mix-Ⅰ：SRA摻量為膠凝材料質(zhì)量的1%；Mix-Ⅱ：EA取代部分凝膠材料，其摻量為20 kg/m3；Mix-Ⅲ：PP纖維的摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.1%?；炷恋乃z比保持為0.37，砂率為0.43。膠凝材料、粗骨料和細骨料的總量分別為430、1 020、780 kg/m3，減水劑的摻量為膠凝材料的1.14%?；炷僚浜媳热绫?所示，表中“C”代表水泥。

表2 混凝土配合比單位：kg/m3

1.3 試驗測試

混凝土抗壓強度的試驗根據(jù)規(guī)范GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，試樣為邊長150 mm的立方體，每組包括3個試樣，每個試樣的加載速率為5 kN/s。

混凝土干燥收縮測試參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。試樣置于20±2 ℃和相對濕度60%±5%環(huán)境條件下。用千分表記錄混凝土28 d內(nèi)的長度變化?；炷粮稍锸湛s表達式為

為確保數(shù)據(jù)的準確性，所有試件測試3次，取平均值。

本文利用1 H低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)，研究了混凝土漿體的水化過程。采用上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的核磁共振低溫孔隙分析儀，型號為NMRC12-010V。根據(jù)表2的配合比，去除配合比中的骨料和纖維，其他成分與水混合后裝入長20 mm的φ5 mm圓柱形模具中。在測量前，為了避免因干燥丟失水分，混合漿體注入后立即密封，然后放入儀器管中。固定磁場為0.28 T，φ25 mm磁鐵線圈，工作頻率11.9 MHz。在整個測量期間，磁孔內(nèi)的溫度保持在30 ℃±0.01 ℃。C＋PP試樣漿體成分與C0試樣相同，故未單獨測試C＋PP試樣的水化特性。

通過SEM（TM400-PlusⅡ）對混凝土基體微觀結(jié)構(gòu)和形貌進行成像分析。取抗壓強度測試破碎后的塊狀混凝土，觀測試樣的截面尺寸為10 mm× 10 mm，在背散電子模式下進行成像。采用PoreMaster-33全自動壓汞儀對混凝土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)進行了定量研究。選取混凝土試樣內(nèi)部部分，切割成約3 mm大小的碎塊，并置于乙醇中浸泡7 d以停止水泥進一步水化。試驗前，將試件置于60 ℃的真空烘箱中干燥3 d以消除殘留的乙醇，分析混凝土基體的致密程度以及微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙和裂紋。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

從圖3中發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加了SRA、EA和PP纖維均不同程度上降低了混凝土7 d和28 d的抗壓強度，并且這種降低趨勢總體上隨著齡期增加而逐漸增大。C＋EA試樣降低幅度最小，基本接近基準組，而SRA對混凝土抗壓強度的影響最大，C＋SRA試樣7 d和28 d抗壓強度分別降低了13%和10%，C＋PP試樣7 d和28 d抗壓強度分別降低了3%和8.6%。總體而言，SRA、EA和PP纖維對混凝土抗壓強度的負面作用并不顯著，能滿足工程對混凝土強度的需求。

圖3 混凝土的抗壓強度

2.2 干燥收縮

圖4所示為含SRA、EA和PP纖維混凝土的干燥收縮值。由圖可知，摻入SRA和EA后，混凝土試樣的干燥收縮應(yīng)變值均出現(xiàn)不同程度的降低，其中早期的改善效果優(yōu)于后期。SRA的改善效果最佳，EA次之。在混凝土干燥收縮早期，PP纖維的改善效果最弱，試樣的干燥收縮值明顯大于基準組，21 d齡期后才逐漸表現(xiàn)出改善的效果。與基準組相比，C＋SRA試樣7 d和28 d的干燥收縮應(yīng)變分別降低了80.7%和69.0%；C＋EA試樣7 d和28 d的干燥收縮應(yīng)變分別降低了53.8%和39.6%；C＋PP試樣7 d和28 d的干燥收縮應(yīng)變分別降低了51.5%和12.0%。SRA、EA和PP纖維對混凝土干燥收縮有明顯的遏制效果。

圖4 混凝土的干燥收縮

2.3 低場核磁

圖5給出了水泥漿體水化過程總信號強度變化趨勢。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，漿體的信號強度呈現(xiàn)出先平緩下降至某個臨界點，后轉(zhuǎn)為急速下降。隨著SRA的摻入，漿體的總信號強度較C0有所增加，并且臨界點的時間有所延遲，這說明SRA減緩了水泥水化進程。當EA的摻入后，漿體的總信號強度略低于基準組，C＋EA試樣臨界點的時間有所提前，由此說明EA促進了水泥水化，這也間接反映了為什么C＋EA試樣早期強度高于C＋SRA試樣，并且趨于基準組。這可能與納米級粒徑有關(guān)，EA的晶核效應(yīng)促進了水泥水化進程。

圖5 漿體水化過程中總信號強度隨時間的變化

弛豫時間在一定程度上能夠反映漿體的微觀結(jié)構(gòu)信息[7-8]。在水泥漿體中一般存在毛細孔隙水、凝膠孔隙水和層間水[9]，水泥漿體孔結(jié)構(gòu)致密程度越高，弛豫時間越短。

圖6給出了7、14、28 d水化時間的橫向弛豫時間T2分布情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同試樣在不同水化時間的橫向弛豫時間T2分布結(jié)果主要由一個主峰和一個小峰組成，而小峰（3～100 ms）主要代表的為毛細孔隙中的水分。毛細孔隙和混凝土干燥收縮具有密切關(guān)系。

圖6 不同水化時間的橫向弛豫時間T2分布

隨著養(yǎng)護齡期增加，C＋SRA試樣小峰的弛豫時間逐漸縮短。C＋EA試樣水化早期小峰的弛豫時間顯著減少，但是在水化后期，小峰的弛豫時間有所增加，這也證實了EA對混凝土早期收縮的作用更加明顯，但隨著齡期增加，SRA的改善效果逐漸優(yōu)于EA，其變化趨勢基本與干燥收縮的試驗結(jié)果相對應(yīng)。

2.4 SEM分析

圖7給出了混凝土28 d的微觀結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，C0試樣的微觀結(jié)構(gòu)中分布著較多的C-S-H凝膠，以及少量塊狀的氫氧化鈣（CH）晶體和孔隙〔圖7（a）〕；隨著SRA的摻入，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)開始變得松散，孔隙和裂縫數(shù)量明顯增加〔圖7（b）〕，這不利于強度的發(fā)展?；炷林袚饺隕A后，微觀結(jié)構(gòu)中針狀的鈣礬石數(shù)量顯著增多，但是基體的微觀結(jié)構(gòu)相對致密，未見明顯的孔隙和裂紋，優(yōu)于C＋SRA試樣〔圖7（c）〕。與基準組相比，PP纖維的摻入增加了基體的孔隙，尤其是纖維附近的基體較為松散〔圖7（d）〕，這也驗證了C＋PP試樣表現(xiàn)出較低抗壓強度的原因。由此可知，混凝土的微觀形貌演變規(guī)律與上述混凝土強度試驗結(jié)果相一致。

圖7 混凝土28 d的微觀結(jié)構(gòu)

2.5 孔結(jié)構(gòu)

圖8為混凝土的孔結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果。由孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的孔徑主要分布在10～100 nm區(qū)間內(nèi)。

圖8 混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布

由圖8可知，SRA、EA和PP纖維對混凝土孔徑分布的影響存在明顯的差異。在10～100 nm范圍內(nèi)，C＋SRA、C＋EA和C＋PP試樣孔隙含量均低于基準組；隨著孔徑的增加（100～5 000 nm），C＋SRA、C＋EA和C＋PP試樣的孔隙含量高于基準組；孔徑進一步增加后，C＋SRA、C＋EA和C＋PP試樣的孔隙含量甚至超過了基準組。

眾所周知，大孔隙對混凝土強度具有非常不利的影響[10]。根據(jù)孔徑大小不同，可以將混凝土的孔分為無害孔（0～20 nm）、少害孔（＞20～50 nm）、有害孔（＞50～200 nm）和多害孔（＞200 nm）[11]。

結(jié)合表3和圖8的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，SRA的摻入雖然總孔隙有所降低，但降低的孔隙率主要集中在50 nm以下的孔隙，對于有害孔和多害孔的數(shù)量變化并不明顯。而C＋EA試樣的孔隙率與基準組相接近，但是多害孔的孔隙率分別增加了200%，這就解釋了其抗壓強度明顯降低的原因。此外，隨著PP纖維的摻入，試樣的多害孔的數(shù)量明顯增加。

表3 混凝土28 d不同孔徑區(qū)間分布單位：μl/g

更值得注意的是，已有研究表明，小孔隙含量與混凝土收縮密切相關(guān)[12]。SRA、EA和PP的摻入顯著降低了0～50 nm孔隙的數(shù)量，這也解釋了為什么SRA、EA和PP對混凝土干燥收縮具有改善作用。

3 結(jié)語

由上述試驗結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）在混凝土中摻入SRA、EA和PP纖維，一定程度上會降低混凝土的抗壓強度，其中EA對混凝土抗壓強度的影響最小，幾乎與基準組接近，其次是PP纖維，影響最大的是SRA，C＋SRA試樣7 d和28 d抗壓強度分別降低了13%和10%。

2）干燥收縮試驗結(jié)果顯示，摻入SRA和EA后，混凝土的干燥收縮均得到明顯的改善，且早期效果更佳。C＋SRA和C＋EA試樣7 d和28 d的干燥收縮應(yīng)變分別降低了69.0%～80.7%和39.6%～53.8%。然而，C＋PP到試樣后期才逐漸表現(xiàn)出改善作用。

3）LF-NMR測試結(jié)果顯示，EA的摻入對混凝土漿體的水化反應(yīng)具有明顯的促進作用，這可能與EA的納米級粒徑有關(guān)，水泥水化過程中表現(xiàn)出晶核效應(yīng)。而SRA的摻入?yún)s表現(xiàn)出相反的趨勢。此外，通過弛豫時間分析證實EA對混凝土早期收縮的作用更加明顯。但隨著齡期增加，SRA的改善效果逐漸優(yōu)于EA，這種變化趨勢基本與干燥收縮的試驗結(jié)果相對應(yīng)。

4）SEM分析表明，SRA、EA和PP的摻入降低了混凝土基體微觀結(jié)構(gòu)的致密性，其中C＋EA試樣的微觀結(jié)構(gòu)與C0相接近，C＋SRA主要表現(xiàn)在對混凝土基體的削弱作用，而C＋PP主要體現(xiàn)在PP周邊區(qū)域。這與混凝土抗壓強度的結(jié)果相對應(yīng)。

5）MIP測試結(jié)果表明，SRA、EA和PP的摻入，增加了混凝土中有害孔和多害孔的數(shù)量，這一結(jié)果對混凝土抗壓強度的發(fā)展具有負面作用，但對混凝土中0～50 nm的細孔分布表現(xiàn)出一定的改善作用，這與干燥收縮的結(jié)果相對應(yīng)。