内养护剂和膨胀剂组合对混凝土收缩的影响.pdf
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1、第 26 卷第 6 期2023 年 6 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26,No.6Jun.,2023内养护剂和膨胀剂组合对混凝土收缩的影响韩宇栋1,*,李威1,岳清瑞2,谢月1,刘子祎3(1.中冶建筑研究总院有限公司,北京 100088;2.北京科技大学 城镇化与城市安全研究院,北京 100083;3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083)摘要:为在等抗压强度前提下调控混凝土的早期收缩开裂,以膨胀剂(HPCSA)和由高吸水树脂(SAP)引入的内养护水占胶凝材料相同比例进行组合,设计了各自的内掺量均为0%、4.5%、6.0
2、%、9.0%共4种混凝土配合比,研究了其对混凝土早期收缩的调控规律,并分析了混凝土收缩、力学强度、内部相对湿度和干燥失水率之间的关系.结果表明:混凝土早期收缩和内部相对湿度发展均呈2阶段规律;随“HPCSA+SAP”组合掺量增加,其对混凝土早期收缩的调控作用逐渐增强,且在阶段I的调控作用更为显著,但28 d时仍不能根除混凝土的净干燥收缩;组合掺量对混凝土早期内部湿度发展的整体影响较小;混凝土28 d内的净干燥收缩与干燥失水率之间基本呈线性正相关.从调控收缩、强度保持和经济性等方面综合考虑,6.0%为最优调控组合掺量.关键词:混凝土收缩;高吸水树脂内养护剂;膨胀剂;双掺;等强度;干燥失水率中图分
3、类号:TU528文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.10079629.2023.06.005Effect of Internal Curing Agent and Expansion Agent on Concrete ShrinkageHAN Yudong1,*,LI Wei1,YUE Qingrui2,XIE Yue1,LIU Ziyi3(1.Central Research Institute of Building and Construction,MCC Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.Research Institute
4、 of Urbanization and City Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:To control earlyage shrinkage induced cracking for concrete with equivalent
5、compressive strength,four concrete mixtures were prepared with coaddition of expansion agent(HPCSA)and internal curing water introduced by superabsorbent polymer(SAP),both of them at the rate of 0%,4.5%,6.0%and 9.0%by mass to the dosage of total cementitious materials.The regulation effect of HPCSA+
6、SAP combination on earlyage shrinkage of concrete was experimentally investigated.The relationships between shrinkage,mechanical strength,internal relative humidity and water loss rate during drying of concrete were analyzed.The test results show that the developments of earlyage shrinkage and inter
7、nal relative humidity of concrete both follow a twostage rule.The more the dosage of HPCSA+SAP combination,the better the controlling effect on earlyage concrete shrinkage,especially in shrinkage developing stage I.However,as the net drying shrinkage of concrete could not be completely eliminated in
8、 28 d,the influence of the combination dosage of HPCSA+SAP on the development of earlyage internal humidity of concrete is relatively small.The net drying shrinkage of concrete is positively linearly correlated to the water loss rate within 28 d.Considering the performances in shrinkage reducing,str
9、ength retention and costeffectiveness,6.0%is considered to be the optimal dosage of HPCSA+SAP combination.文章编号:10079629(2023)06060408收稿日期:20220804;修订日期:20220927基金项目:国家自然科学基金资助项目(52178263);北京市科技新星计划(Z201100006820024)第一作者(通讯作者):韩宇栋(1986),男,安徽安庆人,中冶建筑研究总院高级工程师,硕士生导师,博士.Email:第 6期韩宇栋,等:内养护剂和膨胀剂组合对混凝土收缩的
10、影响Key words:shrinkage of concrete;superabsorbent polymer internal curing agent;expansion agent;doublemixing;equivalent strength;water loss rate during drying为合理防控水泥基材料在工程应用时的收缩开裂风险,研究人员在采用内养护、掺入膨胀剂进行补偿收缩等方面开展了大量工作并积累了丰富的成果.利用预吸水轻集料的内养护作用,可有效降低砂浆1和混凝土2的自收缩.高吸水树脂(SAP)具有吸水能力强、成分可设计、养护效率高等优点3,作为内养护剂对混凝土
11、有显著的减缩作用4.但也有研究表明,内养护并不能根除混凝土的自收缩,对干燥收缩的调控作用也有限5,且内养护剂用量较大时,会对水泥基材料的孔隙结构和力学性能等产生不利影响67.膨胀剂可通过其水化反应生成的膨胀性产物,使混凝土早期由收缩变形转变为膨胀变形8,从而对混凝土进行收缩补偿,弥补内养护在这方面的不足,如CaO 基膨胀剂9的应用可使高性能混凝土的早期收缩得到有效控制.但膨胀剂单独应用时也存在一些问题,如未能及时充分反应的膨胀剂组分可能在水泥基材料硬化后发生二次膨胀10.针对内养护剂与膨胀剂各自在混凝土减缩控裂方 面 的 优 势 与 不 足,本 研 究 将 SAP 内 养 护 剂 与HPCSA
12、型复合膨胀剂进行组合双掺,设计了 4种不同组合掺量的混凝土,研究内养护剂与膨胀剂双掺对混凝土早期收缩的影响规律,并分析此时混凝土收缩、力学强度、内部相对湿度和干燥失水率之间的关系,以期解决混凝土的早期自收缩问题,并发挥SAP 内养护剂与复合膨胀剂在释水与耗水、残留孔隙与生成膨胀性产物填充孔隙等方面的时空协同作用,探寻其在自收缩和干燥收缩、前 3 d 收缩和后期收缩调控等方面的互补性,由此提高混凝土的等强度和收缩调控效率.1试 验1.1原材料水泥采用金隅公司生产的 P O 42.5普通硅酸盐水 泥,其 粒 度 分 布 见 图 1.膨 胀 剂 采 用 粉 末 状 的HPCSA 型复合膨胀剂,其粒度
13、分布见图 1,矿物组成1)见表1.由图1可见,水泥与膨胀剂的颗粒粒径主要分布区间分别为 365 m和 2150 m,且膨胀剂的颗粒粒径呈双峰分布.粉煤灰采用内蒙古某电厂出产的级灰.SAP为嘌呤聚丙烯酰胺型白色粉末,粒径为0.3000.180 mm.粗骨料采用520 mm 连续级配的破碎石灰石.细骨料采用细度模数为 2.6 的天然砂.减水剂采用天津特材公司生产的聚羧酸型减水剂.1.2配合比设计将水胶比为0.420,28 d强度为50 MPa的混凝土作为基准对照组,记为 E0IC0.基于 28 d等强度原则,依次减小基准组水胶比至 0.375、0.355、0.335,以占胶凝材料(水泥、HPCSA
14、 复合膨胀剂和粉煤灰)总质量依次为 4.5%、6.0%、9.0%的 HPCSA等质量内掺代替水泥,同时以占胶凝材料总质量为 4.5%、6.0%、9.0%的比例引入内养护水(ICW),形成内养护水胶比(内养护水与胶凝材料的质量比)为 0.045、0.060、0.090 的 3 种 组 合 调 控 混 凝 土,依 次 记 为E4.5IC4.5D、E6IC6D、E9IC9D,混凝土配合比如表 2所示.经测定,试验用 SAP在水灰比为 5.000的水泥净浆沉淀上层清液中充分饱水后的吸水倍率为 27.4倍,据此可按照目标ICW引入量计算各组SAP掺量.考虑混凝土搅拌站制备方便,SAP以干粉形式先与同组的
15、膨胀剂充分混匀后,搅拌时随胶凝材料一同掺入.实际拌和水量为配合比设计拌和水量与ICW引入量之和.1.3试验方法混凝土自由变形、温湿度一体化试验模具内部尺寸为 100 mm100 mm515 mm,成型后的混凝土试件尺寸为 60 mm100 mm515 mm,详细试验步1)文中涉及的组成、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比.图 1水泥和膨胀剂的粒度分布Fig.1Particle size distributions of cement and expansion agent表 1膨胀剂的矿物组成Table 1Mineral composition of expansion agentw/%
16、CaO47Ca4Al6O12SO47CaSO436Ca(OH)27CaCO33605建筑材料学报第 26卷骤见文献 5.试验所用的高精度位移传感器工作量程为02 mm,测量精度为1 m,采集频率为1 min/次;温湿度传感器的温度工作量程为 050,精度为0.5,相对湿度工作量程为 0%100%,精度为2%,采集频率为 10 min/次.收缩室内相对湿度为(475)%、温度为(231).图 2为混凝土自由变形及内部温湿度测量的仪器布置照片,用于测试28 d内密封养护和干燥养护下各 1块混凝土试件的自由变形()、内部温度(T)和湿度(RH)发展.自由变形经过温度变形剥离后,即得到混凝土的自收缩(
17、密封养护)或干燥收缩(干燥养护)().同批成型及养护立方体抗压强度和劈裂抗拉强 度 试 件,其 尺 寸 均 为 100 mm100 mm100 mm.各组抗压强度和劈裂抗拉强度试件每个测试龄期数量为 3 块,试件成型后置于相对湿度为(605)%、温度为(202)的成型室内养护至 1 d时脱模,随后分标准养护(Stan.)、密封养护(Seal)和干燥养护(Dry)3 组继续养护至预定龄期.标准养护试件脱模后转移至相对湿度大于 95%、温度为(202)的标准养护室内继续养护.密封养护试件脱模后先将试件用保鲜膜作为养护膜进行密封,随后置于收缩室中继续养护至预定龄期.干燥养护试件在 3 d 时拆除养护
18、膜,置于收缩室内继续养护至预定龄期.测试 1 d、密封养护 3 d、密封/干燥养护 7 d 和 28 d、标准养护 28 d 等不同条件下各组混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度.按照混凝土早期收缩干燥试件成型、养护方法及试件尺寸,各组混凝土每组成型 3 块干燥试件,置 于 收 缩 室 中,从 3 d 时 揭 去 养 护 膜 开 始 至28 d 内连续测定试件的环境干燥失水质量.2结果与分析2.1混凝土的自由变形和内部温度发展由位移传感器测得的变形为混凝土的自由变形.图 3为混凝土自由变形和内部温度随龄期的发展曲线,图中的收缩变形记为正值、膨胀变形记为负值.由图 3可见,随混凝土中“HPCSA+
19、SAP”组合掺量的增加,混凝土的自由变形由早期的收缩变形逐步转化为较为明显的膨胀变形,这与 HPCSA 在加水拌和后快速发挥膨胀作用有关.HPCSA的有效成分为 CaO、4CaO 3Al2O3 SO4和 CaSO4,其各自的水化反应如式(1)(3)所示.CaO+H2OCa(OH)2(1)CaSO4+2H2OCaSO42H2O(2)4CaO3Al2O3SO4+8CaSO42H2O+6Ca(OH)2+74H2O3(3CaOAl2O33CaSO432H2O)(3)CaO 粉末是 HPCSA 的主要有效成分,其水化反应短暂而剧烈,在水化初期即产生较大程度的膨胀、同时消耗大量水分.CaSO4 2H2O、
20、3CaO Al2O33CaSO4 32H2O(AFt)的 生 成 速 率 较 Ca(OH)2缓慢11,但 AFt的膨胀效应更大.CaO 水化为 Ca(OH)2时,其固体摩尔体积膨胀 90%12,AFt体积膨胀约为水化前化合物体积的 2.5 倍13,且由于式(1)以及水泥水化大量生成 Ca(OH)2,式(3)得以持续向右进行,进一步产生膨胀效应.由图 3(a)可见,基准组 E0IC0前 3 d内自由变形曲线整体成“W”型发展趋势.由图3(b)(d)可见,随“HPCSA+SAP”逐级增量掺入,至 E9IC9D 时,前3 d内混凝土的自由变形总体逐渐由近似“W”型发展转变为近似“L”型发展.为方便后
21、文分析,将 E0IC0的“W”型自由变形曲线第 2个拐点标记为 S,组合调控下“L”型自由变形曲线拐点记为 S*,S或 S*点是混表 2混凝土配合比Table 2Mix proportions of concreteskg/m3Sample No.E0IC0E4.5IC4.5DE6IC6DE9IC9DCement345.00326.00319.00306.00Water180.60161.00153.00144.00Sand726.00726.00726.00726.00Coarse aggregate1 045.001 045.001 045.001 045.00Fly ash85.0085
22、.0085.0085.00HPCSA019.4025.8038.70ICW019.4025.8038.70SAP00.710.941.41图 2混凝土自由变形及内部温湿度测量的仪器布置照片Fig.2Instrument layout photo for measurement of free deformation and internal temperature and relative humidity of concretes606第 6期韩宇栋,等:内养护剂和膨胀剂组合对混凝土收缩的影响凝土由快速收缩或膨胀向缓慢收缩或膨胀变化的转折点,也与混凝土内部温度温峰时刻相对应,其所对应的时刻记
23、为 tS或 tS*.“HPCSA+SAP”组合掺入使混凝土在 1 d 内即表现出明显的膨胀变形,E9IC9D的膨胀变形达到 1 425 m/m,这与 HPCSA 中的组分早期大量水化引入的体积膨胀对化学收缩的补偿有关,还与大量掺入的 SAP吸水明显延缓水泥水化、降低混凝土1 d强度(见2.2)和试件刚度14 有关.因此,即使 4 组混凝土的总水胶比基本相近,“HPCSA+SAP”组合在调控同强度等级混凝土前 3 d的自由收缩变形方面效果显著.2.2混凝土的收缩和内部相对湿度发展混凝土凝结后的自由变形包含湿度变形和温度变形.本文基于张涛15提出的混凝土热膨胀系数随等效龄期发展的方程,并考虑 4组
24、混凝土总水胶比相差很小的情况,统一采用式(4)将温度变形从自由变形中分离.=C exp(-teq)+0(4)式中:为混凝土热膨胀系数;C,和0为与混凝土水胶比及骨料含量等有关的系数16,C=95.07,=0.12,0=5.08;teq为混凝土等效龄期.剥离温度变形后,混凝土试件在密封状态下的收缩发展为自收缩,在干燥状态下的收缩发展为干燥收缩.图 4为混凝土收缩和内部相对湿度随龄期的发展曲线.本研究中,3 d内的混凝土处于密封状态.由图 4可见:当组合调控掺量为 4.5%时,3 d时的收缩变形为 63 m/m,表明该掺量尚不足以使混凝土由收缩完全转变为膨胀;提高掺量至6.0%时,E6IC6D在3
25、 d时已表现为 280 m/m 的膨胀;进一步提高掺量至9.0%时,E9IC9D的膨胀出现“跳跃式”增大,调控组合的掺量相较于 6.0%增加 50%,3 d 时 的 膨 胀 变形 增 幅 达 382%,达 到 1 350 m/m.引起这一现象的主要原因有 2个:一是随着调控组合掺量的增加,此时前序膨胀反应产物量进一步增加,同时也促进了后续 AFt的不断大量生成;二是在 SAP 高掺量情况下,E9IC9D 中的 SAP大量吸水,同时 HPCSA 的高掺量引发CaO在水化初期即快速大量耗水,这2种“水分竞争”因素的叠加限制了水泥 1 d 内的水化速率和水化量,从而导致 1 d内混凝土的强度和刚度大
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