減縮劑和養(yǎng)護劑復(fù)合用于混凝土養(yǎng)護的試驗研究
2023-11-10
減縮劑和養(yǎng)護劑復(fù)合用于混凝土養(yǎng)護的試驗研究[1]
黨玉棟，錢覺時，張琳，喬墩，曲艷召
重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045
摘要：早期養(yǎng)護對混凝土力學(xué)和耐久性有重要影響，而傳統(tǒng)非補水的養(yǎng)護方式不能滿足提高混凝土耐久性的要求。針對減縮劑在實際使用中的優(yōu)缺點，提出將減縮劑和養(yǎng)護劑按先后順序復(fù)合使用作為一種混凝土養(yǎng)護措施，通過與另外幾種養(yǎng)護方式比較，研究了砂漿收縮、水分損失、抗壓強度以及混凝土氯離子滲透性和表面吸水速率。結(jié)果表明這種養(yǎng)護措施能有效降低混凝土收縮和水分損失。盡管與其他非補水的養(yǎng)護方式一樣對混凝土力學(xué)性能貢獻(xiàn)有限，但這種養(yǎng)護措施可明顯提高混凝土抗氯離子滲透性和表面吸水速率，對提高混凝土耐久性較為有利。
關(guān)鍵詞：養(yǎng)護，減縮劑，養(yǎng)護劑，耐久性，收縮
1 前言
混凝土澆筑成型后的養(yǎng)護是保證其在預(yù)定齡期達(dá)到設(shè)計的力學(xué)性能和耐久性能的重要施工工序。從水泥基材料特性出發(fā)便容易知道，養(yǎng)護除了是保證混凝土在惡劣氣候條件下正常水化硬化的必要條件外，還是防止混凝土硬化早期由于干燥失水而造成收縮開裂，并使水泥尤其是為摻入較多礦物摻和料的混凝土提供額外水分使其充分水化，以使其在特定齡期達(dá)到設(shè)計強度和耐久性指標(biāo)的必要措施。
而目前實際工程中，由于各方對混凝土早期養(yǎng)護重視不足，加上國內(nèi)外尚無評價混凝土養(yǎng)護效果的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，所以現(xiàn)有工程所采取的養(yǎng)護措施，如灑水養(yǎng)護，覆蓋薄膜（或草袋等）養(yǎng)護以及噴灑養(yǎng)護劑等，往往達(dá)不到使混凝土耐久性最大程度提高的目的。
減縮劑是一種目前公認(rèn)的減低混凝土收縮的化學(xué)外加劑，其作用原理是通過降低孔溶液表面張力而達(dá)到降低混凝土收縮的目的[1]。但減縮劑的摻入，對水泥水化和早期強度有不利影響，而且混凝土成本將會大幅提高,針對這個缺點，有研究報道將一定濃度的減縮劑溶液涂刷于混凝土表面后發(fā)現(xiàn)，混凝土早期收縮亦可得到明顯降低，而且可以一定程度上提高混凝土強度[2-4]。但僅僅將減縮劑外涂在混凝土表面作為一種養(yǎng)護方式也可能存在一些問題，比如減縮劑易揮發(fā)或被雨水稀釋等，除非有另外一種材料或措施可以保護混凝土表面的減縮劑最大程度發(fā)揮其減縮功效。鑒于此，本文通過對比幾種養(yǎng)護方式，研究了將減縮劑和養(yǎng)護劑按先后順序分別涂刷在混凝土表面作為一種養(yǎng)護方式時對砂漿和混凝土的影響。
2 原材料及試驗方法
水泥選用拉法基42.5級早強型普通硅酸鹽水泥；減縮劑選用Grace Eclipse Floor型減縮劑，其密度為960kg/m3，試驗中先將減縮劑與一種溶劑配成50%濃度的減縮劑溶液備用；試驗所用的養(yǎng)護劑為一種苯丙乳液基的養(yǎng)護劑；試驗所用的砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為3.10。配制混凝土用的粗集料為5～20mm連續(xù)級配的石灰石碎石，砂漿和混凝土試驗均參照J(rèn)GJ70-2009和GB/T50080-2002標(biāo)準(zhǔn)進行。
試驗在考察不同養(yǎng)護方式對砂漿或混凝土性能影響時，均采用相同材料和配比。其中砂漿配比為：水泥:中砂:水=1:3:0.5；混凝土配比為：水泥:中砂:粗集料:水=400kg/m3:750 kg/m3:1080kg/m3:180kg/m3。
試驗對拆模后的砂漿或混凝土采取的養(yǎng)護方式有以下幾種：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護[Standard curing]（20±1℃,RH>95%）；干燥養(yǎng)護[Dry curing]（20±1℃,RH 60±3%）；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護5d后干燥養(yǎng)護[Standard curing for 5d]；僅外涂減縮劑后干燥養(yǎng)護[SRA]；僅外涂養(yǎng)護劑后干燥養(yǎng)護[CCP]；涂完減縮劑再涂養(yǎng)護劑[SRA-CCP]。
用于測定幾種養(yǎng)護方式對水泥基材料力學(xué)性能、干燥收縮與水分損失試驗根據(jù)JTG E30-2005標(biāo)準(zhǔn)分別采用40mm×40mm×160mm和25mm×25mm×280mm的砂漿試件；氯離子滲透試驗（參照ASTM 1202-97）和初始表面吸水速率試驗（參照ASTM C1585-04）先成型150mm×150mm×150mm的立方體試件，在預(yù)先確定的幾種養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d，通過鉆芯、切割制成直徑為100mm高度為50mm的圓柱體試件進行測試。為避免養(yǎng)護劑的存在對試驗結(jié)果的影響，本實驗中用于最終試驗測試的試塊均為拋棄芯樣表面和底面15mm后所得。
3 試驗結(jié)果與討論
3.1 養(yǎng)護方式對砂漿干燥收縮和失水的影響
如前言中所述，養(yǎng)護的直接目的是防止混凝土由于干燥失水而收縮甚至產(chǎn)生開裂，因此評價養(yǎng)護方式的效果首先需要用失水和干燥收縮來表征，如圖1所示，圖中實線表示干燥收縮，虛線表示水分損失。
由圖1曲線可知，與不進行任何養(yǎng)護措施（Dry curing）相比，單獨使用減縮劑或養(yǎng)護劑均能降低砂漿收縮，在本實驗條件下單獨外涂減縮劑（SRA）的砂漿收縮低于單獨使用養(yǎng)護劑（CCP），而將減縮劑和養(yǎng)護劑復(fù)合使用時減縮效果最佳，較干燥養(yǎng)護1、3、7、28d收縮分別降低了95%、65%、55%，30%，甚至成型早期砂漿表現(xiàn)出一定的膨脹效果，這對早期混凝土防裂無疑是十分有利的。結(jié)合失水曲線分析SRA-CCP減縮效果最佳的原因是當(dāng)減縮劑噴涂到砂漿表面后，部分減縮劑可通過連通孔滲入砂漿內(nèi)部，這時砂漿表層孔溶液的表面張力降低，失水造成的干燥收縮應(yīng)力也隨之降低。另外有文獻(xiàn)指出，不論是內(nèi)摻還是外涂減縮劑都可使水泥基材料失水速率降低[3-6]，本試驗也發(fā)現(xiàn)僅外涂減縮劑的砂漿失水速率甚至優(yōu)于養(yǎng)護劑，加上養(yǎng)護劑在砂漿表面起到保持水分的作用，使在這種養(yǎng)護方式下的砂漿失水速率大大降低，因此宏觀上表現(xiàn)出的較佳的減縮效果。
3.2 養(yǎng)護方式對砂漿抗壓強度的影響
圖2為幾種養(yǎng)護方式下砂漿3、7、28d抗壓強度數(shù)據(jù)散點圖。
圖2 養(yǎng)護方式對砂漿抗壓強度的影響
由圖可知除持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護外，在SRA,CCP和SRA-CCP幾種養(yǎng)護方式下砂漿強度與干燥養(yǎng)護條件相對接近，說明早期保濕養(yǎng)護是獲得最佳力學(xué)性能的必備條件。從理論上分析可知，不論是本實驗中SRA，CCP，SRA-CCP，還是實際工程中較為普遍的薄膜覆蓋養(yǎng)護，均為在養(yǎng)護過程中不對混凝土從外界補充水分，所以與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護相比,在沒有養(yǎng)護水的條件下水化并不充分,那么這些養(yǎng)護方式也不可能對強度有明顯的貢獻(xiàn)。
而相比Dry curing，單獨使用SRA時，砂漿各個齡期強度均比干燥養(yǎng)護高，這與以往的研究結(jié)論一致[2-4],減縮劑和養(yǎng)護劑復(fù)合使用的條件下，砂漿強度與單獨使用減縮劑時比較接近，但二者均比單獨使用養(yǎng)護劑效果稍好。另外本實驗條件下外涂養(yǎng)護劑CCP后砂漿各個齡期強度均低于干燥養(yǎng)護，這是由于本實驗中外涂養(yǎng)護劑是待砂漿24h脫模后進行的，而一般養(yǎng)護劑均是混凝土初凝后不久使用的，而乳液基養(yǎng)護劑延遲使用可能影響材料早期力學(xué)性能。
以往研究表明,混凝土耐久性受養(yǎng)護的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于力學(xué)性能受養(yǎng)護的影響程度。而混凝土耐久性往往通過滲透性來評價，有研究表明混凝土表層3～5cm范圍內(nèi)，也就是混凝土保護層范圍受養(yǎng)護的影響十分劇烈[7]。為了評價SRA-CCP對滲透性的影響，本文對不同養(yǎng)護條件下混凝土抗氯離子滲透性進行了研究，結(jié)果如圖3所示。
圖3 養(yǎng)護方式對混凝土氯離子滲透性的影響
盡管本實驗數(shù)據(jù)絕對值較大，但由于采用相同材料、配比以及試驗方法，因此可以判斷造成各養(yǎng)護方式下電通量數(shù)據(jù)差異的主要原因是養(yǎng)護條件的不同。從圖3數(shù)據(jù)散點圖可看出SRA-CCP的電通量與標(biāo)養(yǎng)5d的試件數(shù)據(jù)較為接近，而且遠(yuǎn)小于干燥養(yǎng)護條件下試塊電通量，說明采用這種養(yǎng)護方式后，混凝土滲透性得到較大幅度提高。另外僅使用減縮劑的試塊盡管數(shù)據(jù)離散型較大，但平均電通量也小于干燥養(yǎng)護。分析其原因很可能是減縮劑的使用最大程度地降低了混凝土表層干燥收縮，因此也避免了微裂縫的出現(xiàn)[8]，加上養(yǎng)護劑的保水作用，使得混凝土表層水化程度相對較高，結(jié)構(gòu)致密，因此試件抗氯離子滲透性較好。
3.4 養(yǎng)護方式對混凝土初始表面吸水速率的影響
除抗氯離子滲透性試驗外，混凝土初始表面吸水速率也是反映混凝土結(jié)構(gòu)致密程度和評價養(yǎng)護效果的一個有效參數(shù)[9,10]。圖4為不同養(yǎng)護方式下混凝土初始表面吸水速率比較。
圖4 養(yǎng)護方式對混凝土初始表面吸水速率的影響
由圖4數(shù)據(jù)可知，Standard curing、Standard curing for 5d以及SRA-CCP這三種養(yǎng)護方式下混凝土初始表面吸水速率十分接近，說明SRA-CCP這種養(yǎng)護方式對降低表層孔隙連通性，提高混凝土表層致密程度十分有利。與干燥養(yǎng)護相比，用SRA-CCP養(yǎng)護的混凝土試塊10min、30min、1h和3h各個時間段吸水速率均降低了30%以上。另外從圖中數(shù)據(jù)可看出，單獨使用減縮劑或養(yǎng)護劑時，二者對降低混凝土吸水速率貢獻(xiàn)十分有限。
4 結(jié)論
（1）將減縮劑和養(yǎng)護劑按先后順序復(fù)合使用的養(yǎng)護方式能夠有效降低砂漿收縮和水分散失，但這種養(yǎng)護方式與其他不進行補水養(yǎng)護的方式類似，對砂漿力學(xué)性能貢獻(xiàn)有限。
（2）將減縮劑和養(yǎng)護劑復(fù)合使用的養(yǎng)護方式能夠有效提高混凝土抗氯離子滲透性，降低混凝土表面吸水速率，有利于混凝土耐久性。
（3）盡管將減縮劑和養(yǎng)護劑復(fù)合使用的養(yǎng)護方法并不能取代傳統(tǒng)保濕養(yǎng)護，但可作為不具備補水養(yǎng)護條件時優(yōu)先選擇的養(yǎng)護方法。
參考文獻(xiàn)
[1]Nmai, C.K., Tomita, R., Hondo, F. and Bulfenbarger, J. Shrinkage reducing admixtures[J].Concrete International,1998,20(4):31-37.
[2]錢覺時,喬墩,石亮,黨玉棟,王智,李有光.減縮劑外涂對混凝土性能的影響及作用機理[J]. 硅酸鹽學(xué)報, 2009, 37（12）:140-146.
[3]Wang, Z., Qiao, D., Qian, J., Shi, L. and Shi, C., Properties Of Cement-Based Materials Coated With Shrinkage Reducing Agents,The SECOND International Symposium on Design, Performance and Use of Self-Consolidating Concrete(SCC2009), RILM Publication S.A.R.L,2009:596-605.
[4]石亮.減縮劑外涂對水泥基材料性能影響的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2009:3-10.
[5]Bentz, D.P. Curing With Shrinkage-Reducing Admixtures Beyond Drying Shrinkage Reduction[J].Concrete International,2005,27(10):55-60.
[6]Bentz, D.P., Geiker, M.R. and Hansen, K.K., Shrinkage-reducing admixtures and early-age desiccation in cement pastes and mortars[J].Cement and Concrete Research, 2001,31(7):1075–1085.
[7]Gowripalan, N., Cabrera, J.G., Cusens, A.R. and Wainwright, P.J. Effect of curing on durability[J].Concrete International, 1990,12(2):47-54.
[8]Palacios, M. y Puertas, F. Effect of shrinkage-reducing admixtures on the properties of alkali-activated slag mortars and pastes[J]. Cement and Concrete Research2007,37:691-702.
[9]Ryan, H., Javier, C., Bentz, D.P., Nantung, T., and Weiss, W.J. Water absorption in internally cured mortar made with water-filled lightweight aggregate[J]. Cement and Concrete Research,2009,39(10):883–892.
[10]Gowripalan, N., Cabrera, J.G., Cusens, A.R. and Wainwright, P.J. Effect of curing on durability[J].Concrete International,1990,12(2):47-54.
作者簡介：
黨玉棟(1983-),男,甘肅武威人,在讀博士研究生,Tel:023-65126109, E-mail:[email protected]
錢覺時(1962-),男,安徽桐城人,教授，博士生導(dǎo)師。Tel：023-65126109，E-mail：[email protected]
