谭俊华
(1.太原理工大学,山西 太原 030024;2.太原工业学院,山西 太原 030008)
不同类型高效减水剂对混凝土性能的影响
谭俊华1,2
(1.太原理工大学,山西 太原 030024;2.太原工业学院,山西 太原 030008)
对比研究了3类不同高效减水剂配制的混凝土力学性能、工作性能及抗裂性。结果表明,用聚羧酸系高效减水剂配制的混凝土具有坍落度损失小、抗裂性能较好及抗压强度高等优点。因此,在配制高性能混凝土时,首先宜选用聚羧酸系高效减水剂。
高效减水剂;混凝土;坍落度;抗裂性
引 言
混凝土外加剂已成为混凝土中不可缺少的第5组分。纵观混凝土和减水剂的发展历程,可以发现两者之间是相互促进、共同发展的。混凝土外加剂的新品种开发促进了混凝土技术的进步,而高效减水剂的应用则成为混凝土技术发展的一个重要里程碑。日本花王石碱公司服部健一等研制成功的萘系减水剂和联邦德国研制成功的磺化三聚氰胺甲醛缩合物减水剂[1-3],因对水泥分散性好、减水率高,被称为高效减水剂。高效减水剂减水率较高,又有早强作用,其作用机理除了分散吸附外,还有吸附双电层的电性斥力作用。高效减水剂具有较高的减水率,能在水化早期促进水化反应的进行。水化产物很快沉积到水泥颗粒的表面,使Zeta电位降低,从而使混凝土混合物的流动性大幅度提高,同时显着改善混凝土的耐久性,可以制得高流动性混凝土、泵送混凝土、高强混凝土等,对于大体积混凝土工程、海上建筑设施、轻质高强混凝土构件和制品等都具有十分重大的意义。本文详细地对比了不同高效减水剂的特性及其对混凝土性能的影响[4-6]。
1 高效减水剂的种类及特性
1.1 萘磺酸甲醛缩合物减水剂
萘磺酸甲醛缩合物减水剂(简称萘系减水剂, NSF),主要成分为萘磺酸甲醛缩合物,是一种极性分子,其中的磺酸基(——)是强亲水基团。NSF是由萘用浓硫酸磺化得到β-萘磺酸、与甲醛缩合、用苛性钠中和得到的萘磺酸钠甲醛缩合物。萘系减水剂是目前国内生产量最大、使用最广的高效减水剂。其特点是减水率较高,不引气,与水泥适应性好,价格相对便宜,与各种外加剂复合性能好。缺点是坍落度经时损失较大,混凝土有些发黏。
1.2 三聚氰胺系减水剂
三聚氰胺系减水剂(俗称密胺减水剂,S M)以三聚氰胺、甲醛等为原料,经过羟甲基化、磺化及缩合等工艺制成。特点是减水率较高(25%),早强效果显着,引起性低。但三聚氰胺价格较高,生产工艺复杂,产品稳定性差,因而在很大程度上限制了其发展和应用。
1.3 聚羧酸系减水剂
聚羧酸系高效减水剂(简称PC系列减水剂)是甲基丙烯酸与其他单体的共聚物,活性官能团为羧基(—COO-—)、聚乙氧基(—OCH2CH2—),具有超分散性,能阻止混凝土坍落度损失,且不引起明显缓凝,是目前国内外化学外加剂研究与开发的重点。与其他高效减水剂相比,PC系列减水剂主要有以下突出的优点[7-10]:低掺量(0.2%～0.5%);分散性能好;保坍性好,90 min内坍落度基本无损失;在相同流动度下,延缓凝结时间较少;分子结构自由度大,外加剂制造技术上可控制的参数多,高性能化的潜力大;合成中不使用甲醛,因而对环境不造成污染,是一种绿色环保产品。但聚羧酸系减水剂与其他外加剂的相容性不太稳定,故对PC系列减水剂的合成、作用机理和应用等方面的研究还有待进一步深入进行[11,12]。各种高效减水剂的分子结构式如图1所示。
2 高效减水剂对混凝土性能的影响
2.1 实验原材料(见表1)
砂:河砂、中砂,细度模数为2.68。
石:人工碎石,10 mm～30 mm碎石和20 mm～40 mm碎石搭配使用。
实验采用的混凝土基本配合比见表2。
图1 各种高效减水剂的分子结构式
表1 实验原材料
表2 混凝土基本配合比
2.2 实验方法
本实验分别采用3类减水剂配制混凝土,调整混凝土坍落度在120 mm～150 mm。测定混凝土15、30、60、90 min的坍落度及混凝土3、7、28 d的抗压强度[7]。按照设定的混凝土坍落度范围,采用不同高效减水剂掺量进行多次试配,最终得到的混凝土配合比见表3。
采用水泥基材料抗裂性能测试仪的变形感应装置[5],研究不同高效减水剂对混凝土早期开裂性能的影响。该装置的使用方法是:试件成型后置于相对湿度为(60±5)%、温度为(25±3)℃的环境中,用放大倍数为40倍的裂缝观测仪观测裂缝的发展。开始的时候,每隔5 min观察1次,裂缝贯穿后,每2 h观测1次,直至12 h。水分蒸发实验所用的模具是直径150 mm、高50 mm的圆筒,每小时用电子天平称量1次。
表3 混凝土配合比
3 结果与讨论
3.1 对新拌混凝土坍落度的影响
坍落度是表征混凝土流动性及和易性的重要指标之一。坍落度越大,混凝土的流动性越好。坍落度损失是指混凝土在搅拌好并经过一定时间后所测坍落度与其初始坍落度的差值(绝对值)。影响混凝土坍落度损失的因素很多,如水灰比、水泥和集料的特性以及减水剂的种类等。本文主要研究减水剂对坍落度的影响。在表2配合比下的混凝土坍落度损失见图2。
图2 掺不同减水剂混凝土坍落度随时间的变化
由图2可知,30 min内萘系减水剂混凝土的坍落度经时损失最大为60%,三聚氰胺系减水剂混凝土坍落度最大经时损失30%,聚羧酸系减水剂混凝土坍落度最大经时损失不足20%。这表明聚羧酸系减水剂的保坍性最好。其作用机理是,聚羧酸系减水剂在水泥中呈梯形的吸附形态,水泥粒子间高分子吸附层的作用力是立体静电斥力,具有更大的分散效果,并能保持其分散系统的稳定性,Zeta电位变化小。所以,加入聚羧酸系减水剂的混凝土坍落度损失比常用减水剂小。
3.2 对混凝土抗压强度的影响
不同减水剂对硬化水泥浆体的强度及后期强度发展的影响作用不同。高效减水剂能大幅度地降低混凝土拌合物的拌合用水量,显着地改善水泥的水化程度,两者的综合效果是显着地提高混凝土各龄期的强度。经验表明,掺高效减水剂混凝土的抗压强度、抗弯强度和静态弹性模量较空白混凝土都有不同程度的提高[8,9]。采用表2配合比的混凝土抗压强度见表4。
表4 混凝土抗压强度
从表4中可见,掺入高效减水剂的混凝土与没有掺减水剂的混凝土的强度相比,混凝土3 d时的抗压强度提高15%;在7 d时可提高20%;到28 d时的强度可提高到30%左右。早期抗压强度最高的聚羧酸系减水剂,其28 d后的抗压强度也是最高的。萘系减水剂混凝土在3 d时的抗压强度偏低,早强效果一般。
3.3 对混凝土早期开裂性能的影响
外加剂与水泥的适合性是个复杂的问题,在某种水泥中坍落度经时损失小的减水剂,在另一种水泥中坍落度经时损失可能会大,至今尚未有一种对任何水泥都有较好效果的高效减水剂,使用前必须经过实验。目前,实际应用中的混凝土评定指标常常为混凝土强度与坍落度,而忽视了混凝土的体积稳定性问题。体积稳定性不良会引起混凝土早期收缩,形成裂缝。若混凝土早期的收缩裂缝处理不当,就会加速混凝土的开裂,这不但会影响建筑物的外观和使用功能,而且会对建筑物的结构安全性和耐久性造成危害。影响混凝土早期开裂性能的因素有很多,如外加剂品种和掺量、环境温度及风速等都会使混凝土出现裂缝[5]。图3为外加剂品种与早期裂缝的实验数据对比。
图3 外加剂品种与早期裂缝的实验数据对比
从图3可看出,使用三聚氰胺系减水剂混凝土的开裂面积及最大裂缝宽度相对较小,其开裂面积分别是使用聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的76%和52%,最大裂缝宽度是使用聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的40%左右。外加剂品种对混凝土的开裂时间影响很小。造成混凝土开裂性能差别的原因可能与外加剂组成中的某些组分对混凝土收缩和凝结过程产生不同影响有关。
4 结论
1)掺入不同高效减水剂混凝土的坍落度损失不同,一般是聚羧酸系<三聚氰胺系<萘系。
2)用聚羧酸减水剂配制的混凝土3 d和28 d抗压强度均最大;萘系减水剂3 d时的抗压强度值较低,早强效果不显着。
3)外加剂的品种对混凝土的开裂性能有一定的影响。掺三聚氰胺系减水剂混凝土的抗裂性能优于其他2种混凝土,萘系减水剂混凝土的抗裂性能最差。
4)在配制高性能混凝土时,为保证混凝土的施工性能,宜选用聚羧酸系减水剂。
[1]张秀芝,杨永清,裴梅山.高效减水剂的应用与发展[J].济南大学学报:自然科学版,2004,18(2):139-143.
[2]任先艳,刘才材.聚羧酸系减水剂的合成及性能[J].西南科技大学学报,2008,23(4):2-7.
[3]马国保,谭洪波,许永和,等.不同减水剂对水泥水化的作用机理研究[J].混凝土与水泥制品,2007(5): 6-8.
[4]王雪芳.坍落度与减水剂对混凝土早期开裂性能的影响[J].厦门大学学报:自然科学版,2008,5(47):681-685.
[5]欧阳新平,李 嘉,邱学青.混凝土减水剂的发展与绿色化[J].世界科技研究与发展,2006,28(2):30-36.
[6]李崇智,李永德,冯乃谦.聚羧酸系减水剂结构与性能关系的试验研究[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]左彦峰,王栋民,吴绍祖.聚羧酸系超塑化剂对水泥浆体流动性的影响[J].建筑材料学报,2004,7(6):174-177.
[9]李长太,钱觉时,贾兴文.多羧酸系高效减水剂与水泥的相容性[J].水泥,2004(2):7-8.
[10]潘莉莎,邱学青,庞煜霞,等.减水剂对水泥水化性能的影响[J].硅酸盐学报,2007,35(10):1371-1376.
[11]尹训周.聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的对比实验研究[J].化学建材,2005(3):19-21.
[12]吕智英,胡晓波.高效减水剂改性研究综述[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
谭俊华,女,1982年出生,太原理工大学在读硕士研究生,助教。研究方向:无机非金属材料。
