摻不同品種減水劑的水工混凝土性能研究

陳業(yè)廣

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

目前，水泥基材料正超HPC高性能混凝土的方向研究與發(fā)展，HPC除既要用優(yōu)質(zhì)集料、水泥、水還要摻適量的高效減水劑和活性細摻料[1]。對于硬化或新拌混凝土減水劑能夠明顯改善其性能，減水劑的廣泛應(yīng)用促使混凝土邁入了新的時期[2-3]。減水劑是混凝土中使用最廣泛的一種外加劑，產(chǎn)品類型多樣，成分與性能不一。鑒于此，文章利用室內(nèi)試驗，探討了摻JB-45A、QW-4、PCA-Ⅰ三種減水劑的水工混凝土抗裂性能、抗沖磨強度、抗沖擊韌性、變形性能、熱學(xué)和基本力學(xué)性能。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗所用水泥為“渾河牌”PM·H 42.5級中熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為綏中電廠Ⅰ級灰，硅粉為S95級礦粉；試驗選用人工粗、細骨料，經(jīng)檢測其物理性能符合《水工混凝土施工規(guī)范》要求；拌合水為飲用水；外加劑選用UHE-1高效引氣劑和奧克JB-45A、科諾QW-4、蘇博特PCA-Ⅰ三種高效減水劑，減水劑性能指標，見表1。

表1 減水劑性能指標

混凝土拌合物性能及其試驗配合比，混凝土拌合物性能與試驗配合比，見表2。因此，在含氣量和坍落度相同情況下，UHE-1引氣劑與JB-45A減水劑的復(fù)摻摻量為0.005%、0.7%-0.8%，UHE-1引氣劑與QW-4減水劑的復(fù)摻摻量為0.010%、0.7%-0.8%，UHE-1引氣劑與PCA-Ⅰ減水劑的復(fù)摻摻量為0.005%、0.5%-0.6%。

表2 混凝土拌合物性能與試驗配合比

1.2 試驗方法

1)力學(xué)性能試驗。根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定的方法測試混凝土極限拉伸值、劈裂強度和抗壓強度，力學(xué)性能檢測試樣為150mm×150mm×150mm，所用的試驗工具有位移傳感器、翼形外夾具等。

2)變形性能、熱學(xué)試驗。依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》推薦的方法成型、養(yǎng)護混凝土干縮試件，選用弓形臥式螺旋測微儀作為測量儀器，所用試樣為100mm×100mm×515mm。設(shè)計φ200mm×600mm試樣用于混凝土自生體積變形測試，將DI-25型差動電阻式應(yīng)變計垂直對稱埋入混凝土試件內(nèi)，利用SBQ-2型水工比例電橋按《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定的方法量測其變形，并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

采用JR-4型測試儀測量混凝土絕熱溫升，按照《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定方法完成試驗數(shù)據(jù)的處理和相關(guān)計算。

3)抗沖擊韌性試驗。本試驗利用自由落錘沖擊法測試混凝土抗沖擊韌性，抗沖擊韌性試驗裝置，見圖1。

圖1 抗沖擊韌性試驗裝置

抗沖擊試驗所用的混凝土試件為150mm×64mm，試件的中心線與沖擊錘(重4.5kg)中線對齊，測試過程中沖擊錘的自由下落高度h為457mm，經(jīng)多次反復(fù)沖擊直至沖擊錘破壞混凝土終止試驗，為減少試件受底板的橫向約束可對試件底部抹一層黃油。將直徑64mm的鋼球放置在試件的上表面正中心，試驗時觀察試件表面準確記錄初裂的沖擊次數(shù)N1，隨著不斷沖擊裂縫進一步擴展，試件體積也逐漸變大，當(dāng)試件膨脹接觸到第3個擋板時認為發(fā)生破壞，記錄試件沖擊破壞次數(shù)N2?；炷量箾_擊韌性評價指標選用試件初裂后繼續(xù)吸收的沖擊能△W、破壞過程中所吸收的全部沖擊能W、破壞沖擊次數(shù)N2、初裂沖擊次數(shù)N1以及初裂至終裂破壞次數(shù)差△N。

4)抗沖磨和抗裂性試驗。文章利用水下鋼球法和技術(shù)規(guī)范推薦的平板法測定混凝土抗沖磨及抗裂性能[4-5]。采用抗沖磨強度代表抗沖磨性能，設(shè)計φ300mm×100mm試樣測試抗沖磨強度；抗裂性試驗裝置為63mm×600mm×600mm，為了減少對混凝土的約束試模內(nèi)鋪設(shè)一層塑料薄膜，以周邊放置的L形鋼筋網(wǎng)形成約束，澆筑成型后，利用電風(fēng)扇和太陽燈促使試樣快速脫水收縮，經(jīng)24h測定裂縫的寬度與長度。

2 結(jié)果與分析

2.1 極限拉伸值與抗壓強度

摻不同品種減水劑的試樣極限拉伸值和抗壓、抗劈裂強度，混凝土極限拉伸值與強度，見圖2。試驗表明，摻QW-4減水劑的極限拉伸值、抗壓強度、抗拉強度較JB-45A減水劑有所降低；摻PCA-Ⅰ減水劑的28d、90d齡期抗拉強度和劈裂強度略高于JB-45A減水劑，但其180d齡期抗拉強度略低于JB-45A減水劑；對于極限拉伸值，摻PCA-Ⅰ減水劑的90d、180d齡期極限拉伸值與摻JB-45A相差不大，并且兩者的28d齡期值均較低。

(a)抗壓強度

實踐表明，混凝土強度主要取決于內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，而水泥水化程度、水膠比與混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[6]。高效減水劑的摻入在很大程度上影響著水泥水化程度和水膠比，主要體現(xiàn)在以下方面：①在流動性保持不變的條件下，摻入高效減水劑能夠明顯減小水膠比，大幅降低內(nèi)部孔隙率，有利于改善孔隙結(jié)構(gòu)；②減少用水量能夠使水化產(chǎn)物或水泥顆粒表面的水膜變薄，改善水泥石與骨料界面膠合狀態(tài)，提高內(nèi)部密實度和整體強度[7]。

本試驗所用的3種高效減水劑均屬于聚羧酸序列產(chǎn)品，其分子結(jié)構(gòu)有利于增強混凝土的強度，對于混凝土強度側(cè)鏈分子量表現(xiàn)出一定規(guī)律性，即側(cè)鏈分子量越大則混凝土強度越高。因此，側(cè)鏈分子量較大(長側(cè)鏈)的聚羧酸高效減水劑對混凝土的增強作用較為顯著。另外，混凝土強度還與官能團類型有關(guān)，對于混凝土強度含有丙稀酸羥基乙酯的高效減水劑發(fā)揮著改善作用。

2.2 自身體積變形與干縮性

摻不同品種減水劑的水工混凝土自身體積變形和干縮，自身體積變形與干縮性，見圖3。試驗表明，混凝土干縮受不同品種減水劑的影響較小，摻PCA-Ⅰ減水劑較JB-45A減水劑其自生體積變形略大。

(a)自身體積變形

2.3 抗沖擊韌性與抗沖磨強度

摻不同品種減水劑的水工混凝土抗沖擊韌性和抗沖磨強度，抗沖擊韌性與抗沖強度試驗值，見表3。試驗表明，摻QW-4減水劑較JB-45A減水劑其抗沖擊和抗沖磨性能有所下降，而摻PAC-Ⅰ減水劑相對較高，其改善混凝土抗沖擊韌性作用更加明顯。

2.4 絕熱溫升與抗裂性能

摻不同品種減水劑的水工混凝土絕熱溫升，混凝土絕熱溫升，見圖4。試驗表明，隨時間變化摻不同品種減水劑的混凝土絕熱溫升變化趨勢基本相同，絕熱溫升受減水劑類型的影響較低。

圖4 混凝土絕熱溫升

對于摻不同品種減水劑的混凝土抗裂性能，從抗裂性等級、開裂面積、最大裂縫寬度、裂縫條數(shù)和開裂時間等角度進行評價，混凝土抗裂性評價指標值，見表4，隨時間變化最大裂縫寬度變化特征，最大裂縫寬度變化，見圖5。

圖5 最大裂縫寬度變化

表4 混凝土抗裂性評價指標值

試驗表明，摻QW-4減水較JB-45A減水劑其總開裂面積和裂縫寬度較大，其塑性變化過程中的抗裂性較差；摻PCA-Ⅰ外加劑的總開裂面積和裂縫寬度相對較小，其塑性變化過程中的抗裂性較好。

對于提高混凝土抗裂性能聚羧酸減水劑的作用機理如下[8-9]：①水化過程中生成的Ca2+能夠與聚羧酸分子中的-OH、-COO-等構(gòu)成絡(luò)合物，從而使得骨料與膠凝材料的黏結(jié)力增大，對于增強劈裂抗拉強度發(fā)揮著積極作用；②聚羧酸分子結(jié)構(gòu)中的支鏈形成相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這相當(dāng)于混凝土中均勻地分布有大量纖維，使得抗劈裂性能明顯增強；③支鏈上密集分布的極性基團使得內(nèi)部微電場分布更均勻，從而提高了骨料與膠凝材料之間的黏結(jié)力，試樣的劈裂抗拉性能明顯提升[10-15]。

3 結(jié) 論

1)混凝土絕熱溫升、干縮受不同品種減水劑的影響較?。粨絈W-4減水劑較JB-45A減水劑其抗裂性、抗沖擊韌性、抗沖磨強度、極限拉伸值、強度均有所下降；摻PCA-Ⅰ減水劑較JB-45A減水劑其自生體積變形、抗裂性、抗沖擊韌性、抗沖磨強度、強度等有所提高。

2)從作用機理上，水化過程中生成的Ca2+能夠與聚羧酸分子中的-OH、-COO-等構(gòu)成絡(luò)合物，聚羧酸分子結(jié)構(gòu)中的支鏈發(fā)揮著類似于纖維的作用，加上支鏈上密集分布的極性基團使得內(nèi)部微電場分布更均勻，因此使得混凝土抗劈裂性能和強度明顯增強。