溫控型鎂質(zhì)抗裂劑研究及其在混凝土工程結(jié)構(gòu)中的應用

武春陽,高 瑩,巫元君,張笑云,朱國軍

(1.中交建筑集團第二工程有限公司,南昌 330013;2.武漢三源特種建材有限責任公司,武漢 430083)

混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題一直是建筑行業(yè)的一大難題。導致裂縫發(fā)生的原因多種多樣,主要包括收縮裂縫和荷載裂縫,據(jù)統(tǒng)計前者占比超過80%,混凝土收縮的誘因包括塑性收縮、碳化收縮、干燥收縮、溫度收縮和自身收縮[1-3]。其中自身水化收縮和溫度收縮又是最主要的原因。因此,如何從降低混凝土結(jié)構(gòu)的溫度收縮和自身收縮兩個方面來改善混凝土開裂問題是當前行業(yè)關注的重點。

溫控型抗裂劑是一種新型的抗裂材料,可以從控制混凝土溫升和補償收縮兩個方面來降低混凝土結(jié)構(gòu)的開裂風險,其主要作用機理包括:溫控材料降低水泥水化反應速率以及膨脹材料的緩慢水化,水化結(jié)晶體使得水泥基材料膨脹來補償收縮。近年來,溫控型材料的研究和應用逐漸成為國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的重點方向[4-7]。膨脹源主要為輕燒氧化鎂,由菱鎂礦燒制而成。與傳統(tǒng)的鈣礬石類膨脹源膨脹劑相比,輕燒氧化鎂具有水化產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定、水化需水量少、膨脹歷程可調(diào)節(jié)等優(yōu)點,廣泛應用于各類工程結(jié)構(gòu)來降低混凝土收縮[8-11]。

該文以溫控型鎂質(zhì)抗裂劑為研究對象,探究其對水泥水化熱、砂漿限制膨脹率、抗壓強度的影響,同時,進一步以工程實體結(jié)構(gòu)為對象,研究摻該材料對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升歷程、收縮歷程及抗裂效果的影響,為該產(chǎn)品在市場上的規(guī)?；瘧锰峁┙梃b依據(jù)。

1 試 驗

1.1 原材料

1)試驗研究用水泥均為PI 42.5基準水泥,由中國聯(lián)合水泥集團有限公司生產(chǎn),其物理性能指標見表1,化學成分見表2。

表1 基準水泥的物理性能

表2 原材料的化學組成 w/%

2)膨脹性能及強度試驗所用砂均為ISO標準砂。

3)溫控型鎂質(zhì)抗裂劑(WKM)由武漢源錦建材科技有限公司生產(chǎn),其化學分析見表2。

4)工程項目混凝土配合比見表3,所用水泥為海螺PO 42.5水泥;粉煤灰為Ⅱ級灰;礦粉為S95礦粉,其化學分析見表2;砂、石均符合相關標準要求。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

1.2 研究方案

1.2.1 水泥凈漿水化熱試驗

水泥凈漿水化熱的試驗方法參考《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)中相關規(guī)定進行,其區(qū)別在于標準中采用膠砂,該試驗采用水泥凈漿。這主要是因為此方法可提高空白水泥凈漿溫升,更有利于體現(xiàn)出溫控材料摻量的差異性對水化熱影響。試驗環(huán)境溫度和水泥凈漿的入模溫度均控制在(20±1)℃,抗裂劑摻量為4%、6%、8%和10%,均等量取代基準水泥,水膠比為0.4。

1.2.2 砂漿限制膨脹率試驗

為了探究溫控型鎂質(zhì)抗裂劑的膨脹歷程,研究在不同養(yǎng)護溫度下砂漿試件的限制膨脹率。試驗方法參考《混凝土膨脹劑》(GB/T 23439—2017),每個配比成型3組40 mm×40 mm×140 mm限制膨脹砂漿試件,按規(guī)定方法拆模后測初長,分別放入20 ℃、40 ℃和60 ℃的養(yǎng)護箱中,至規(guī)定齡期取出測試。

1.2.3 抗壓強度試驗

溫控型鎂質(zhì)抗裂劑對砂漿力學性能的影響試驗方法參考《混凝土膨脹劑》(GB/T 23439—2017),摻量為膠凝材料用量的5%。

1.2.4 工程應用研究

為驗證溫控型鎂質(zhì)抗裂劑產(chǎn)品的實際應用效果,以地鐵項目側(cè)墻為研究對象,試驗段和空白段側(cè)墻結(jié)構(gòu)尺寸均為0.8 m×4.5 m×28 m?，F(xiàn)場澆筑的混凝土配合比如表3所示,混凝土標號為C45P8,溫控型鎂質(zhì)抗裂劑(WKM)以膠凝材料用量6%外摻添加,未添加的空白組以KB表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫控型鎂質(zhì)抗裂劑對凈漿水化熱的影響

研究了在20 ℃入模溫度條件下,摻溫控型鎂質(zhì)抗裂劑對水泥凈漿水化熱的影響,其測試數(shù)據(jù)見圖1。

由圖1可見,隨抗裂劑摻量的提高,溫峰值逐步降低,同時溫峰出現(xiàn)時間也緩慢延長;當摻量分別為4%、6%、8%和10%時,對應凈漿溫峰值分別為55.1 ℃、51.0 ℃、48.5 ℃和46.5 ℃;相較于空白組,抑溫率分別為31.9%、36.9%、40.0%和42.5%。摻該抗裂劑可顯著抑制水泥水化放熱速率,減小溫峰值且摻量越高削弱作用越大,但從溫度曲線可以發(fā)現(xiàn),其也會在一定程度上延長水泥的凝結(jié)時間。

2.2 溫控型鎂質(zhì)抗裂劑的水化反應歷程研究

探究抗裂劑在不同摻量下,不同水養(yǎng)溫度對其水化反應歷程的影響,測試結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2顯示試件在20 ℃水養(yǎng)條件下,隨抗裂劑摻量的增加,相同齡期下膨脹率逐步增大;但并不呈現(xiàn)出正比例關系,同時試件的養(yǎng)護齡期從7～120 d膨脹率均處于持續(xù)增長狀態(tài),且增長趨勢沒有放緩的趨勢。養(yǎng)護齡期為120 d時,當其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,限制膨脹率分別為0.037%、0.064%、0.071%和0.092%。

圖3顯示當試件養(yǎng)護溫度提升至40 ℃時,隨抗裂劑摻量的增加,相同齡期下膨脹率依舊表現(xiàn)出逐步增大,也不呈現(xiàn)出正比例關系;但養(yǎng)護至60 d時,限制膨脹率幾乎不再增長,說明溫度的提高,加速了抗裂劑的水化反應速率,使其膨脹歷程縮短。養(yǎng)護齡期為60 d時,當其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,限制膨脹率分別為0.06%、0.101%、0.121%和0.151%。

當試件養(yǎng)護溫度進一步增大至60 ℃時,由圖4可見,隨抗裂劑摻量的增加,相同齡期下膨脹率依舊表現(xiàn)出逐步增大,也不呈現(xiàn)出正比例關系;但養(yǎng)護至28 d時,限制膨脹率幾乎不再增長;說明隨養(yǎng)護溫度的提高,會逐步加大抗裂劑的水化反應速率,顯著縮短其膨脹窗口期。養(yǎng)護齡期為28 d其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,限制膨脹率分別為0.068%、0.116%、0.139%和0.171%;與試件在40 ℃養(yǎng)護溫度下的限制膨脹率終值比有一定降低,這與抗裂劑水化速率、晶體形成速率有關,由養(yǎng)護溫度越高,晶體生長越快所致。

2.3 溫控型鎂質(zhì)抗裂劑對砂漿力學性能的影響

鑒于抗裂劑的摻量與水泥凝結(jié)時間有一定關系,研究抗裂劑摻量對砂漿試件在不同養(yǎng)護齡期下抗壓強度的發(fā)展規(guī)律,其結(jié)果如圖5所示。

從圖5可清晰發(fā)現(xiàn),當抗裂劑摻量增大時,砂漿試件3 d抗壓強度逐漸降低;其摻量分別為4%、6%、8%和10%時,砂漿抗壓強度分別為18.9 MPa、16.5 MPa、14.3 MPa和11.2 MPa,相較于空白組試件的20.6 MPa,強度比分別為91.7%、80.1%、69.4%和53.4%;其主要原因是該溫控型抗裂劑延緩了水泥水化的速率,減少了試件中水泥水化凝膠產(chǎn)物的含量,降低了砂漿試件內(nèi)部的密實程度,從而降低了早期抗壓強度。當試件養(yǎng)護至7 d時,砂漿抗壓強度略高于空白組,養(yǎng)護齡期進一步延長至60 d時,試件強度依舊與空白組相當。說明該抗裂劑會引起水泥基材料早期(3 d)抗壓強度降低,但對中后期力學性能有一定提升效果。

2.4 溫控型鎂質(zhì)抗裂劑在實體結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)分析

以實體結(jié)構(gòu)中混凝土側(cè)墻為研究對象,研究了當溫控型鎂質(zhì)抗裂劑為外摻膠凝材料用量的6%時,試驗段和空白段的溫升歷程及收縮歷程,監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

由圖6可見,試驗段和空白段結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫峰值分別為57.8 ℃ 和60.5 ℃,考慮對應的混凝土入模溫度分別為23.4 ℃和20.8 ℃,得出混凝土溫升值分別為34.4 ℃和39.7 ℃?？梢?摻抗裂劑溫升值相較于空白段降低5.3 ℃,說明該材料在工程結(jié)構(gòu)中能起到較好的抑溫作用,降低混凝土結(jié)構(gòu)的溫度收縮。此外,值得注意的是,試驗段和空白段混凝土溫升5 ℃時間分別為12.3 h和19.8 h,說明混凝土凝結(jié)時間有一定延遲,這與凈漿水化熱結(jié)果相類似,該抗裂劑會延緩水泥水化反應速率。

從圖7可以看出扣除溫度收縮影響后,試驗段和空白段均變現(xiàn)為收縮狀態(tài),但后者的收縮值顯然更大。在觀測至8 d時,試驗段收縮值微應變(με)為107,而空白段微應變(με)則為257,兩者差值為150,說明抗裂劑有較好的補償收縮作用,可顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)的綜合收縮量。

2.5 溫控型鎂質(zhì)抗裂劑的抗裂效果評價

圖8為摻抗裂劑混凝土側(cè)墻的應用效果實物圖。從圖8可見,應用抗裂劑混凝土側(cè)墻表面光滑完整、混凝土密實度高,經(jīng)排查,未見裂縫發(fā)生。統(tǒng)計其關鍵性抗裂技術指標如表4所示。

表4 抗裂關鍵技術指標統(tǒng)計

由表4可見,摻抗裂劑混凝土溫升值可降低5.3 ℃、收縮率微應變降低150,試驗段和空白段側(cè)墻裂縫條數(shù)分別為0條和3條;從關鍵抗裂數(shù)據(jù)分析及其與混凝土結(jié)構(gòu)實際裂縫控制情況均可發(fā)現(xiàn)該材料有較好的抗裂效果。

3 結(jié) 論

a.隨溫控型鎂質(zhì)抗裂劑摻量的提高,凈漿抑溫率逐步增大,同時凝結(jié)時間有一定延長,當其摻量為10%時,抑溫率最高為42.5%。

b.控型鎂質(zhì)抗裂劑的水化速率有顯著的溫度敏感性,溫度越高膨脹率越大但同時對應的膨脹周期也越小。

c.溫控型鎂質(zhì)抗裂劑會降低水泥基材料早期(3 d)的抗壓強度,且摻量越高,負面影響越大,但對中后期抗壓強度有一定促進作用。

d.將溫控型鎂質(zhì)抗裂劑應用于工程實體結(jié)構(gòu)中,可降低混凝土溫升值,降低溫度收縮及補償收縮,結(jié)構(gòu)開裂情況顯著改善。