譚俊華

(1.太原理工大學(xué),山西 太原 030024;2.太原工業(yè)學(xué)院,山西 太原 030008)

不同類型高效減水劑對混凝土性能的影響

譚俊華1,2

(1.太原理工大學(xué),山西 太原 030024;2.太原工業(yè)學(xué)院,山西 太原 030008)

對比研究了3類不同高效減水劑配制的混凝土力學(xué)性能、工作性能及抗裂性。結(jié)果表明,用聚羧酸系高效減水劑配制的混凝土具有坍落度損失小、抗裂性能較好及抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點。因此,在配制高性能混凝土?xí)r,首先宜選用聚羧酸系高效減水劑。

高效減水劑;混凝土;坍落度;抗裂性

引 言

混凝土外加劑已成為混凝土中不可缺少的第5組分?？v觀混凝土和減水劑的發(fā)展歷程,可以發(fā)現(xiàn)兩者之間是相互促進(jìn)、共同發(fā)展的?；炷镣饧觿┑男缕贩N開發(fā)促進(jìn)了混凝土技術(shù)的進(jìn)步,而高效減水劑的應(yīng)用則成為混凝土技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。日本花王石堿公司服部健一等研制成功的萘系減水劑和聯(lián)邦德國研制成功的磺化三聚氰胺甲醛縮合物減水劑[1-3],因?qū)λ喾稚⑿院?、減水率高,被稱為高效減水劑。高效減水劑減水率較高,又有早強(qiáng)作用,其作用機(jī)理除了分散吸附外,還有吸附雙電層的電性斥力作用。高效減水劑具有較高的減水率,能在水化早期促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行。水化產(chǎn)物很快沉積到水泥顆粒的表面,使Zeta電位降低,從而使混凝土混合物的流動性大幅度提高,同時顯著改善混凝土的耐久性,可以制得高流動性混凝土、泵送混凝土、高強(qiáng)混凝土等,對于大體積混凝土工程、海上建筑設(shè)施、輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土構(gòu)件和制品等都具有十分重大的意義。本文詳細(xì)地對比了不同高效減水劑的特性及其對混凝土性能的影響[4-6]。

1 高效減水劑的種類及特性

1.1 萘磺酸甲醛縮合物減水劑

萘磺酸甲醛縮合物減水劑(簡稱萘系減水劑, NSF),主要成分為萘磺酸甲醛縮合物,是一種極性分子,其中的磺酸基(——)是強(qiáng)親水基團(tuán)。NSF是由萘用濃硫酸磺化得到β-萘磺酸、與甲醛縮合、用苛性鈉中和得到的萘磺酸鈉甲醛縮合物。萘系減水劑是目前國內(nèi)生產(chǎn)量最大、使用最廣的高效減水劑。其特點是減水率較高,不引氣,與水泥適應(yīng)性好,價格相對便宜,與各種外加劑復(fù)合性能好。缺點是坍落度經(jīng)時損失較大,混凝土有些發(fā)黏。

1.2 三聚氰胺系減水劑

三聚氰胺系減水劑(俗稱密胺減水劑,S M)以三聚氰胺、甲醛等為原料,經(jīng)過羥甲基化、磺化及縮合等工藝制成。特點是減水率較高(25%),早強(qiáng)效果顯著,引起性低。但三聚氰胺價格較高,生產(chǎn)工藝復(fù)雜,產(chǎn)品穩(wěn)定性差,因而在很大程度上限制了其發(fā)展和應(yīng)用。

1.3 聚羧酸系減水劑

聚羧酸系高效減水劑(簡稱PC系列減水劑)是甲基丙烯酸與其他單體的共聚物,活性官能團(tuán)為羧基(—COO-—)、聚乙氧基(—OCH2CH2—),具有超分散性,能阻止混凝土坍落度損失,且不引起明顯緩凝,是目前國內(nèi)外化學(xué)外加劑研究與開發(fā)的重點。與其他高效減水劑相比,PC系列減水劑主要有以下突出的優(yōu)點[7-10]:低摻量(0.2%～0.5%);分散性能好;保坍性好,90 min內(nèi)坍落度基本無損失;在相同流動度下,延緩凝結(jié)時間較少;分子結(jié)構(gòu)自由度大,外加劑制造技術(shù)上可控制的參數(shù)多,高性能化的潛力大;合成中不使用甲醛,因而對環(huán)境不造成污染,是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品。但聚羧酸系減水劑與其他外加劑的相容性不太穩(wěn)定,故對PC系列減水劑的合成、作用機(jī)理和應(yīng)用等方面的研究還有待進(jìn)一步深入進(jìn)行[11,12]。各種高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

2 高效減水劑對混凝土性能的影響

2.1 實驗原材料(見表1)

砂:河砂、中砂,細(xì)度模數(shù)為2.68。

石:人工碎石,10 mm～30 mm碎石和20 mm～40 mm碎石搭配使用。

實驗采用的混凝土基本配合比見表2。

圖1 各種高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)式

表1 實驗原材料

表2 混凝土基本配合比

2.2 實驗方法

本實驗分別采用3類減水劑配制混凝土,調(diào)整混凝土坍落度在120 mm～150 mm。測定混凝土15、30、60、90 min的坍落度及混凝土3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度[7]。按照設(shè)定的混凝土坍落度范圍,采用不同高效減水劑摻量進(jìn)行多次試配,最終得到的混凝土配合比見表3。

采用水泥基材料抗裂性能測試儀的變形感應(yīng)裝置[5],研究不同高效減水劑對混凝土早期開裂性能的影響。該裝置的使用方法是:試件成型后置于相對濕度為(60±5)%、溫度為(25±3)℃的環(huán)境中,用放大倍數(shù)為40倍的裂縫觀測儀觀測裂縫的發(fā)展。開始的時候,每隔5 min觀察1次,裂縫貫穿后,每2 h觀測1次,直至12 h。水分蒸發(fā)實驗所用的模具是直徑150 mm、高50 mm的圓筒,每小時用電子天平稱量1次。

表3 混凝土配合比

3 結(jié)果與討論

3.1 對新拌混凝土坍落度的影響

坍落度是表征混凝土流動性及和易性的重要指標(biāo)之一。坍落度越大,混凝土的流動性越好。坍落度損失是指混凝土在攪拌好并經(jīng)過一定時間后所測坍落度與其初始坍落度的差值(絕對值)。影響混凝土坍落度損失的因素很多,如水灰比、水泥和集料的特性以及減水劑的種類等。本文主要研究減水劑對坍落度的影響。在表2配合比下的混凝土坍落度損失見圖2。

圖2 摻不同減水劑混凝土坍落度隨時間的變化

由圖2可知,30 min內(nèi)萘系減水劑混凝土的坍落度經(jīng)時損失最大為60%,三聚氰胺系減水劑混凝土坍落度最大經(jīng)時損失30%,聚羧酸系減水劑混凝土坍落度最大經(jīng)時損失不足20%。這表明聚羧酸系減水劑的保坍性最好。其作用機(jī)理是,聚羧酸系減水劑在水泥中呈梯形的吸附形態(tài),水泥粒子間高分子吸附層的作用力是立體靜電斥力,具有更大的分散效果,并能保持其分散系統(tǒng)的穩(wěn)定性,Zeta電位變化小。所以,加入聚羧酸系減水劑的混凝土坍落度損失比常用減水劑小。

3.2 對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同減水劑對硬化水泥漿體的強(qiáng)度及后期強(qiáng)度發(fā)展的影響作用不同。高效減水劑能大幅度地降低混凝土拌合物的拌合用水量,顯著地改善水泥的水化程度,兩者的綜合效果是顯著地提高混凝土各齡期的強(qiáng)度。經(jīng)驗表明,摻高效減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和靜態(tài)彈性模量較空白混凝土都有不同程度的提高[8,9]。采用表2配合比的混凝土抗壓強(qiáng)度見表4。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度

從表4中可見,摻入高效減水劑的混凝土與沒有摻減水劑的混凝土的強(qiáng)度相比,混凝土3 d時的抗壓強(qiáng)度提高15%;在7 d時可提高20%;到28 d時的強(qiáng)度可提高到30%左右。早期抗壓強(qiáng)度最高的聚羧酸系減水劑,其28 d后的抗壓強(qiáng)度也是最高的。萘系減水劑混凝土在3 d時的抗壓強(qiáng)度偏低,早強(qiáng)效果一般。

3.3 對混凝土早期開裂性能的影響

外加劑與水泥的適合性是個復(fù)雜的問題,在某種水泥中坍落度經(jīng)時損失小的減水劑,在另一種水泥中坍落度經(jīng)時損失可能會大,至今尚未有一種對任何水泥都有較好效果的高效減水劑,使用前必須經(jīng)過實驗。目前,實際應(yīng)用中的混凝土評定指標(biāo)常常為混凝土強(qiáng)度與坍落度,而忽視了混凝土的體積穩(wěn)定性問題。體積穩(wěn)定性不良會引起混凝土早期收縮,形成裂縫。若混凝土早期的收縮裂縫處理不當(dāng),就會加速混凝土的開裂,這不但會影響建筑物的外觀和使用功能,而且會對建筑物的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性造成危害。影響混凝土早期開裂性能的因素有很多,如外加劑品種和摻量、環(huán)境溫度及風(fēng)速等都會使混凝土出現(xiàn)裂縫[5]。圖3為外加劑品種與早期裂縫的實驗數(shù)據(jù)對比。

圖3 外加劑品種與早期裂縫的實驗數(shù)據(jù)對比

從圖3可看出,使用三聚氰胺系減水劑混凝土的開裂面積及最大裂縫寬度相對較小,其開裂面積分別是使用聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的76%和52%,最大裂縫寬度是使用聚羧酸系減水劑和萘系減水劑的40%左右。外加劑品種對混凝土的開裂時間影響很小。造成混凝土開裂性能差別的原因可能與外加劑組成中的某些組分對混凝土收縮和凝結(jié)過程產(chǎn)生不同影響有關(guān)。

4 結(jié)論

1)摻入不同高效減水劑混凝土的坍落度損失不同,一般是聚羧酸系<三聚氰胺系<萘系。

2)用聚羧酸減水劑配制的混凝土3 d和28 d抗壓強(qiáng)度均最大;萘系減水劑3 d時的抗壓強(qiáng)度值較低,早強(qiáng)效果不顯著。

3)外加劑的品種對混凝土的開裂性能有一定的影響。摻三聚氰胺系減水劑混凝土的抗裂性能優(yōu)于其他2種混凝土,萘系減水劑混凝土的抗裂性能最差。

4)在配制高性能混凝土?xí)r,為保證混凝土的施工性能,宜選用聚羧酸系減水劑。

[1]張秀芝,楊永清,裴梅山.高效減水劑的應(yīng)用與發(fā)展[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,18(2):139-143.

[2]任先艷,劉才材.聚羧酸系減水劑的合成及性能[J].西南科技大學(xué)學(xué)報,2008,23(4):2-7.

[3]馬國保,譚洪波,許永和,等.不同減水劑對水泥水化的作用機(jī)理研究[J].混凝土與水泥制品,2007(5): 6-8.

[4]王雪芳.坍落度與減水劑對混凝土早期開裂性能的影響[J].廈門大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,5(47):681-685.

[5]歐陽新平,李 嘉,邱學(xué)青.混凝土減水劑的發(fā)展與綠色化[J].世界科技研究與發(fā)展,2006,28(2):30-36.

[6]李崇智,李永德,馮乃謙.聚羧酸系減水劑結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的試驗研究[J].混凝土,2002(4):1-5.

[7]DiasW P S.Influence ofmix and environment on plastic shrinkage cracking[J].Magazine of Concrete Research, 2003,55(4):385-394.

[8]左彥峰,王棟民,吳紹祖.聚羧酸系超塑化劑對水泥漿體流動性的影響[J].建筑材料學(xué)報,2004,7(6):174-177.

[9]李長太,錢覺時,賈興文.多羧酸系高效減水劑與水泥的相容性[J].水泥,2004(2):7-8.

[10]潘莉莎,邱學(xué)青,龐煜霞,等.減水劑對水泥水化性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報,2007,35(10):1371-1376.

[11]尹訓(xùn)周.聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的對比實驗研究[J].化學(xué)建材,2005(3):19-21.

[12]呂智英,胡曉波.高效減水劑改性研究綜述[J].混凝土,2007(3):63-68.

Abstract:This paper through the analysis of the work performance,mechanics performance and crack resistance of concrete,which made by three kinds of high range water reducers.It shows that,polycarboxylic type water reducerwith the preparation of the concrete has s mall concrete slump loss,better resistance to crack and high compressive strength.So it is suitable that the departmentof polycarboxylate superplasticizer selected,in the preparation of high perfor mance concrete.

Key words:superplasticizer;concrete;slump;crack resistance

Effect of high range water reducer on Concrete performance

TAN Jun-hua
(1.Ta iyuan Un iversity of Technology,Ta iyuan Shanxi030024,China; 2.Ta iyuan I nstitute of Technology,Ta iyuan Shanxi030008,China)

TU528.042.2

A

1004-7050(2010)06-0008-04

2010-09-25

譚俊華,女,1982年出生,太原理工大學(xué)在讀碩士研究生,助教。研究方向:無機(jī)非金屬材料。