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【作者】福州大学土木工程学院 王雪芳 郑建岚
【摘要】混凝土的早期收缩开裂问题已成为国内外专家的研究热点，为了研究混凝土必不可少的组成之一的减水剂对混凝土开裂性能的影响，采用福州大学的发明专利/水泥基材料抗裂性能测试诱导开裂法及其装置0进行减水剂品种和由减水剂掺量改变而导致混凝土坍落度变化对混凝土早期开裂性能的影响试验研究。试验研究结果表明:外加剂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掺萘系和聚羧酸系减水剂混凝土，掺萘系减水剂混凝土的抗裂性能最差。而且，即使同属萘系减水剂，不同的厂家、不同品牌的减水剂对混凝土开裂性能的影响也不尽相同。混凝土的坍落度对混凝土的开裂性能有一定的影响，坍落度在11~18cm之间的混凝土抗裂性能相对较好。
自20世纪30年代末减水剂问世以来，减水剂技术得到了迅猛的发展与广泛的应用，已经成为混凝土中必不可少的第五组分，在混凝土生产中大量使用。由于实际应用中混凝土的评定指标仅仅为混凝土的强度与坍落度，除非在特殊部位还有其抗渗性能等指标的要求，从而造成混凝土的发展过程主要是混凝土强度等级与坍落度不断提高的过程，而忽视了混凝土的体积稳定性的问题，也使得减水剂的生产与应用只注重减水率的大小。体积稳定性不良的直接后果就是引发裂缝[1]，特别是混凝土的早期收缩开裂问题已引起国内外专家学者的高度重视。混凝土的裂缝具有记忆性，若混凝土的早期的收缩裂缝不及时处理或处理不当，就会加速混凝土的劣化，这不但会影响建筑物的外观、使用功能，还会对结构安全性和耐久性构成威胁[2]。而外加剂的品种及改变其掺量所导致混凝土坍落度的变化对混凝土早期开裂性能的作用尚不明确。本文通过试验研究分析外加品种及改变其掺量所导致混凝土坍落度的变化对混凝土早期开裂性能的影响。
1试验原材料及其方法
1.1原材料及试验方案
水泥为福建顺昌水泥厂生产的炼石牌P#O42.5级水泥;粉煤灰为漳州后石电厂生产的级粉煤灰，二者的化学成分见表1;砂为闽江河砂，细度模数为2.7;石子为5~25mm连续级配的碎石;外加剂为浙江五龙化工股份有限公司生产的萘系减水剂FDN、上海建筑科学研究院生产的聚羧酸系减水剂PCA、中国建筑科学研究院生产的三聚氰胺系减水剂MEL、福州创先工程材料有限公司生产的FDN-1和FDN-2高效减水剂、天津科学研究院生产的UNF-5高效减水剂和福建建筑科学研究院以FDN外加剂为母体复合的TW10高效减水剂。
为了研究减水剂品种、混凝土坍落度对混凝土的开裂性能的影响，共设计了14组混凝土配合比。其中以外加剂品种为参数的混凝土配合比是根据各种外加剂的性能调整掺量，使得混凝土的坍落度保持在200mm左右。以坍落度为参数的混凝土配合比见表2，其中所采用的外加剂为浙江五龙化工股份有限公司生产的萘系减水剂FDN。
1.2试验方法
传统的平板法试验具有混凝土开裂时间迟，且裂缝观测难、误差大等缺点，本试验方法采用福州大学的发明专利/水泥基材料抗裂性能测试诱导开裂法及其装置0[3]，结构如图1所示。中间的隔板引导裂缝发展，以便于观测。
试件成型后置于相对湿度为(605)%，温度为(253)e环境中。用放大倍数为40倍的裂缝观测仪进行观测裂缝的发展，开始每隔5min观察一次，直至裂缝贯穿。裂缝贯穿后，每2h观测一次，直至12h。水分蒸发试验所用的模具是直径150mm、高50mm的圆筒，每小时用感量为0.1g的电子天平称量一次。
2试验结果与分析
2.1外加剂品种对混凝土早期开裂性能的影响
2.1.1不同品牌萘系减水剂对混凝土早期开裂性能的影响
本组试验条件在平板的上方点两个150W的碘钨灯，并加风速3m/s。从图2以看出，外加剂品种对混凝土的开裂时间影响较小，但是对混凝土的开裂面积与最大裂缝宽度影响较大，混凝土的开裂面积大小排列顺序为:UNF-5>FDN-2>FDN-1>TW-10>FDN，开裂时间的大小排列顺序为:UNF-5>FDN-1>TW-10>FDN-2>FDN。其中使用UNF-5的混凝土板开裂面积及最大裂缝宽度远大于其他的混凝土，其开裂面积是掺其他外加剂的3倍以上，而且也是最早开裂;使用FDN的混凝土开裂面积较其他3种减水剂低50%左右，最大裂缝宽度相对较小，裂缝也是最迟出现的;其他3种外加剂虽有差别，但基本相当。从掺TW-10型减水剂与掺FDN减水剂混凝土开裂性能的差别也说明了在进行减水剂复合时，应考虑复合后其对混凝土开裂性能的影响。
2.1.2不同品种高效减水剂对混凝土早期开裂性能的影响
从图3看出，外加剂品种对混凝土的开裂时间影响很小，但是使用三聚氰胺系减水剂的混凝土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72%和55%，最大裂缝宽度是使用聚羧酸系减水剂和萘系减水剂的52%左右。而且外加剂品种对混凝土的水分蒸发量基本无影响。混凝土开裂性能的差别可能是与外加剂的组分对混凝土收缩和凝结过程影响的不同而导致的。
2.2混凝土坍落度对其早期开裂性能的影响
从图4可以看出，随着混凝土坍落度的提高，混凝土的裂缝出现时间总体上是随之推迟，当混凝土坍落度为6cm的混凝土裂缝出现时间较不掺减水剂的混凝土推迟了2h左右，这可能是减水剂能够提高水泥凝聚体的分散度，改变吸附水和游离水的比例，提高游离水的数量，使其可蒸发自由水量增加，虽然掺入减水剂会增大混凝土早期的水分蒸发，但是其毛隙孔的负压增加幅值有可能还是降低的，即释放出来的自由水的量远大于水分蒸发量的增加值。同时，因为减水剂吸附在水泥颗粒上时，阻碍了水泥与水的反应，推迟了新晶体的生产，早期水化阶段明显推迟，延缓了水泥的凝结时间[4]，而混凝土的开裂时间与其初凝时间密切相关[5]，从而使其开裂时间推后。混凝土坍落度为24cm的混凝土裂缝出现时间较坍落度为22cm的混凝土推迟0.5h左右，这是由于坍落度为24cm的混凝土出现较为严重的离析泌水，在混凝土表明形成一自养护层，从而使混凝土的开裂时间延迟。混凝土的泌水、离析对混凝土形成自养护层，减少了混凝土的早期干燥收缩，但是也降低了混凝土内部的相对湿度与自由水分。从而增大了混凝土的自生收缩，使得当混凝土的坍落度超过18cm后，随着坍落度的提高，其开裂面积和最大裂缝宽度增大。坍落度在11~18cm之间的混凝土开裂面积相对较小，坍落度为15cm和18cm的混凝土最大裂缝宽度相对较小。混凝土坍落度为15cm时其开裂面积为不掺减水剂和坍落度为24cm混凝土的62%左右;混凝土坍落度为6cm混凝土的开裂面积是不掺减水剂混凝土的76%;混凝土工作坍落度为24cm是坍落度为22cm混凝土的1.14倍。掺入适量的减水剂使混凝土的坍落度在11~18cm之间，可能会使混凝土的自由水含量较为合适而且又有适当的缓凝作用，使得混凝土的自生收缩和干燥收缩量较小，而使混凝土的整体收缩和强度发展结合点最佳，从而使其开裂性能最好。不掺外加剂的混凝土其坍落度非常差，混凝土干硬振捣不密实，使得混凝土内部结构比较松散，混凝土水化反应生产的凝胶体在颗粒之间填充慢，混凝土强度低。同时，混凝土内部空隙的相对湿度较低，水分蒸发引起的相对湿度降低较快。在这两者的共同作用之下混凝土的裂缝发展迅速，开裂面积与最大裂缝宽度均较掺适量减水剂的混凝土大。随着减水剂掺量的提高，水泥凝聚体的分散度提高，混凝土的毛细孔细化，同时，掺入减水剂降低溶液的表面张力，降低了毛细孔张力，根据Laplace方程，毛细孔的细化与表面张力降低程度的综合作用将最终决定它们的影响方式。
3结论
通过改进的平板法试验研究外加剂品种及混凝土的坍落度对混凝土开裂性能的影响，可以得到如下结论:
(1)在保证混凝土坍落度相当的条件下，外加剂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掺萘系和聚羧酸系减水剂混凝土，掺萘系减水剂混凝土的抗裂性能最差。而且，即使同属萘系减水剂，不同厂家、不同品牌减水剂对混凝土的开裂性能的影响也不尽相同。减水剂的复合也会影响混凝土的开裂性能，所以为了满足施工的需要，进行减水剂复合时，应考虑复合后的减水剂对混凝土开裂性能的影响。
(2)混凝土的坍落度对混凝土的开裂性能有一定的影响。随着混凝土坍落度的提高，混凝土的裂缝出现时间总体上是随之推迟。坍落度在11~18cm之间的混凝土抗裂性能相对较好。其中，混凝土坍落度为15cm时其开裂面积为不掺减水剂和坍落度为24cm混凝土的62%左右。在实际工程应用中应防止混凝土出现严重的泌水、离析等现象。
(3)环境温度与温差及其风速对混凝土裂缝出现的时间及其开裂面积作用显著，所以对于高强高性能混凝土的施工更应该注意早期的温控措施。使混凝土的整体收缩和强度发展结合点最佳，从而使其开裂性能最好。不掺外加剂的混凝土其坍落度非常差，混凝土干硬振捣不密实，使得混凝土内部结构比较松散，混凝土水化反应生产的凝胶体在颗粒之间填充慢，混凝土强度低。同时，混凝土内部空隙的相对湿度较低，水分蒸发引起的相对湿度降低较快。在这两者的共同作用之下混凝土的裂缝发展迅速，开裂面积与最大裂缝宽度均较掺适量减水剂的混凝土大。随着减水剂掺量的提高，水泥凝聚体的分散度提高，混凝土的毛细孔细化，同时，掺入减水剂降低溶液的表面张力，降低了毛细孔张力，根据Laplace方程，毛细孔的细化与表面张力降低程度的综合作用将最终决定它们的影响方式。
【参考文献】 [1]马保国，王信刚，梁文泉，等。掺高效减水剂水泥砂浆的早期开裂研究[J].建筑材料学报，2005，8(6):593-598。 [2]张风臣，刘翠兰，陈拥军.改进型环形收缩试验方法[J]。兰州理工大学学报，2006，32(1):126-129。 [3]郑建岚，罗素蓉，王雪芳，等。水泥基材料抗裂性能测试诱导开裂法及其装置:中国，ZL200410061492.1[P].2007-02-07. [4]吴中伟，廉慧珍。高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.
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