混凝土減縮劑的制備與研究

林艷梅

（科之杰新材料集團有限公司，福建 廈門 361101）

0 前言

混凝土作為現代建筑工程中用途最廣、用量最大的材料，通常利用化學外加劑和生活、工業廢棄物，不僅可滿足現代建筑工程建設要求，還能節能降耗、提高建筑工程的耐久性。隨著建筑工程技術的發展，特種混凝土高強、高性能混凝土和自流平混凝土等的需求量不斷增加，此外，為了提高混凝土的早期強度，水泥比表面積不斷增大，還摻加高活性超細礦物摻合料，且水膠比也較低，導致混凝土澆筑后內部濕度降低，出現收縮，將使混凝土內部結構產生非荷載裂縫，進而出現混凝土開裂，影響混凝土耐久性。混凝土裂縫包括自收縮裂縫、塑性收縮裂縫、溫度收縮裂縫、干縮裂縫、沉降裂縫、施工裂縫、凍脹裂縫等。相關研究表明[1]，80%的混凝土裂縫的原因為混凝土自收縮變形，只有20%的混凝土裂縫是由外部荷載引起。混凝土收縮裂縫不僅影響建筑工程的美觀，還會降低混凝土工程結構強度，對建筑工程的整體性、水密性和耐久性產生不利影響，大大縮短建筑工程服役壽命。相關數據表明[2]，從工業建筑到民用建筑、商業建筑，混凝土收縮裂縫問題的影響極其廣泛，影響交通設施橋梁、路面、海港工程結構，成為長期困擾建筑工程界而未能有效解決的難題。因此，如何減小混凝土收縮，控制混凝土缺陷裂縫是工程界急需解決的問題，這對改善混凝土的應用性能至關重要，將產生重要的社會、經濟和生態環境效益。

如何減小混凝土的收縮開裂已經成為當代建筑工程界研究的熱點。摻加混凝土膨脹劑是國內外常采用補償混凝土收縮的方法，膨脹劑的摻量較大，一般為膠凝材料總量的5%~13%，必須對摻膨脹劑混凝土進行保濕養護。混凝土減縮劑是一種能有效減小混凝土自收縮和干燥收縮的化學外加劑，為控制混凝土收縮開裂提供了一條新途徑[3-4]。混凝土減縮劑克服了常規水養、摻膨脹劑和摻纖維等抗裂方法的局限性，能有效預防混凝土收縮開裂，具有廣闊的應用前景[5-6]。

1 試驗

1.1 主要原材料

（1）減縮組分

二丙二醇單甲醚、2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇單甲醚、二甘醇單甲醚、聚乙二醇單甲醚（相對分子質量為500）：均為工業級。

（2）試驗材料

水泥（C）：閩福P·O52.5水泥；砂（S）：河砂，細度模數2.6～2.9；石（G）：反擊破石子，5～20 mm連續級配；普通聚羧酸減水劑：Point-MS，減水率為30%，固含量為49%，科之杰新材料集團有限公司生產。

1.2 減縮劑的制備

在四口瓶中加入二丙二醇單甲醚和聚乙二醇單甲醚，攪拌1 h，即得到混凝土復合減縮劑。

1.3 性能測試與表征

（1）水泥凈漿流動度：按照GB/T 8076—2008《混凝土外加劑》進行測試。

（2）混凝土性能：混凝土拌合物性能按照GB/T 8076—2008進行測試，試驗中混凝土的拌合量為20 L；混凝土收縮率按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試；混凝土減縮率按照JC/T 2361—2016《砂漿、混凝土減縮劑》進行測試。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土的配合比

（3）表面張力：將減縮劑配制成相應濃度的溶液，采用承德金和儀器制造有限公司生產的JYW-200全自動表、界面張力儀進行溶液表面張力測試。

（4）掃描電鏡分析：分別取水化1 d和7 d的水泥凈漿試塊，將樣品敲碎后取內部形貌保存較好的片狀碎片用無水乙醇終止水化，真空干燥，采用韓國COXEM公司的CPXEM-20臺式掃描電鏡觀察水化產物的形貌。

（7）水化熱：采用沃特斯中國有限公司生產的微量熱儀（TAM air），測試基準水泥漿和摻減縮劑水泥漿在水化過程中的放熱性能。水泥凈漿的水灰比為0.35，減縮劑摻量為水泥質量的0.12%。

2 試驗結果與討論

2.1 單一減縮劑組分的性能

2.1.1 分散性能

分別將單一減縮劑組分2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇單甲醚、二丙二醇單甲醚、二甘醇單甲醚、聚乙二醇單甲醚進行水泥凈漿流動度測試，減縮劑組分摻量均為0.5%，試驗結果如表2所示。

表2 單一減縮劑組分的分散性對比

從表2可看出，單一減縮劑組分對水泥凈漿流動度基本無影響。與空白樣對比，摻入2-甲基-2，4-戊二醇和二甘醇單甲醚使得凈漿流動度略有增大。

2.1.2 表面張力

將單一減縮劑組分2-甲基-2，4-戊二醇、三甘醇單甲醚、二丙二醇單甲醚、二甘醇單甲醚、聚乙二醇單甲醚配制成10%質量濃度的溶液進行表面張力測試，結果如表3所示。

表3 單一減縮劑組分的表面張力對比

從表3可以看出，單一減縮劑組分的表面張力范圍為32.30~48.27 mN/m，其中以二丙二醇單甲醚的表面張力最低，為32.30 mN/m。

2.1.3 混凝土減縮率與抗壓強度

單一減縮劑組分的混凝土減縮率及其對混凝土抗壓強度的影響如表4所示。

表4 單一減縮劑組分的混凝土減縮率及其對混凝土抗壓強度的影響

從表4可以看出：（1）5種減縮劑組分中，以聚乙二醇單甲醚的減縮性能最佳，7 d、28 d減縮率分別為30.56%、28.96%，其次為二丙二醇單甲醚，7 d、28 d減縮率分別為25.75%、24.12%；（2）摻5種單一減縮劑組分混凝土的7 d、28 d抗壓強度均不低于空白樣。

根據上述試驗結果，選擇二丙二醇單甲醚和聚乙二醇單甲醚作為復合減縮劑的原材料。

2.2 復合減縮劑的性能

2.2.1 復合減縮劑對混凝土性能的影響

將二丙二醇單甲醚與聚乙二醇單甲醚按不同質量比（見表5）進行復合，將復合制備的減縮劑樣品進行混凝土試驗，結果見表6。

表5 復合減縮劑中2種單一減縮劑組分的質量配比

表6 復合減縮劑的混凝土試驗結果

從表6可以看出，隨著二丙二醇單甲醚用量的增加，復合減縮劑的減縮率呈先增大后減小。5組復合減縮劑中，以P-3的7 d、28 d混凝土減縮率最高，7 d、28 d混凝土減縮率分別為37%、35%，且其7 d、28 d混凝土抗壓強度不低于空白樣。因此，二丙二醇單甲醚的最佳質量百分比為70%。

2.2.2 表面張力

混凝土由于水泥漿體內部水分的蒸發或內部水泥水化消耗水，導致水泥漿體內部相對濕度迅速降低，減小水泥漿體內部毛細孔或凝膠孔曲率半徑，進而增大毛細孔或凝膠孔的附加壓力，最終導致混凝土水泥漿體出現干縮，甚至出現裂縫。漿體內部毛細孔的附加壓力與曲率半徑、孔中液相的表面張力成正比，降低孔溶液的表面張力可降低孔的附加壓力，從而有效控制混凝土干縮裂縫。因此，研究減縮劑在不同濃度下的表面張力，有助于進一步認識減縮劑表面張力與混凝土干縮裂縫的關系。將所制備的減縮劑P-3與普通聚羧酸減水劑Point-MS進行不同濃度下的表面張力對比，結果見圖1。

圖1 不同濃度減縮劑P-3和Point-MS溶液的表面張力

從圖1可以看出：（1）當減縮劑溶液濃度小于10%時，溶液的表面張力隨減縮劑濃度的增大而減小；當減縮劑溶液濃度大于10%時，溶液的表面張力趨于平穩。（2）與普通聚羧酸減水劑Point-MS相比，減縮劑P-3水溶液的表面張力較低。

2.2.3 水泥凈漿水化產物形貌

為研究減縮劑對水泥漿水化影響的微觀機理，采用掃描電子顯微鏡對摻0.5%減縮劑P-3的水泥凈漿水化產物進行微觀形貌分析，結果見圖2。

從圖2可見：

（1）對于空白水泥凈漿，1 d齡期時，中短簇纖維狀水化產物在片狀水化硅酸鈣凝膠上生長，水泥漿體孔隙較多，不密實；7 d齡期時，大量纖維狀凝膠在水化產物表面生長，孔隙減少。

（2）對于摻0.5%減縮劑P-3的水泥凈漿，1 d齡期時，水泥漿中出現短簇纖維狀水化產物在片狀水化硅酸鈣凝膠上生長，無定形凝膠體局部覆蓋在凝膠上，有序度不高，整體孔隙較多不密實；7 d齡期時，大量纖維狀水化產物在表面及孔隙內部生長，局部生成無定形凝膠體覆蓋在漿體表面，且凝膠周圍有少量凝膠顆粒散布，整體密實，空隙減少。

與空白水泥凈漿相比，1 d齡期時，摻減縮劑的水泥石表面出現無定形凝膠體，并產生大小不一的凝膠顆粒和片狀凝膠質；不同齡期摻減縮劑的水泥漿中，無定形凝膠體生長緩慢，整體結構孔隙多、不密實。

文獻[7-8]在對減縮劑的相關研究中發現，減縮劑具有緩凝作用，本文對水泥凈漿水化產物微觀形貌的分析支持了上述研究結果。

2.2.4 復合減縮劑對水泥水化過程的影響

溫度收縮為水泥基材料收縮類型之一。由于水泥水化產生的混凝土內外溫度梯度是促使混凝土產生早期裂縫的主要原因之一，通過采取必要的措施降低水泥水化熱，以控制混凝土的溫度變形，是保證混凝土早期不產生溫差收縮裂縫的關鍵所在。圖3為減縮劑P-3摻量為0.5%時對水泥水化熱的影響。

圖3 減縮劑對水泥水化熱的影響

從圖3可見，與空白水泥凈漿對比，摻入減縮劑使水泥凈漿的最大水化放熱峰出現時間后移，峰面積變寬，即摻入0.5%減縮劑P-3延長了水泥水化的誘導期，延緩水泥水化，降低其水化放熱速率，從而抑制水泥的溫度收縮。

3 結論

（1）單一減縮劑組分中，以聚乙二醇單甲醚的減縮性能最佳，7 d、28 d減縮率分別為30.56%、28.96%，其次為二丙二醇單甲醚，7 d、28 d減縮率分別為25.75%、24.12%。摻單一減縮劑組分的混凝土抗壓強度不低于空白混凝土。

（2）將二丙二醇單甲醚與聚乙二醇單甲醚復配，制備復合減縮劑。隨著二丙二醇單甲醚用量的增加，復合減縮劑的減縮率呈先增大后減小，其最佳質量比為70%，所制得的減縮劑P-3在摻量為0.5%時，混凝土的7 d、28 d減縮率分別達37%、35%，且該減縮劑對混凝土抗壓強度無不利影響。

（3）當減縮劑溶液濃度小于10%時，溶液的表面張力隨減縮劑濃度的增大而減小；當減縮劑溶液濃度大于10%時，溶液的表面張力趨于平穩；與普通聚羧酸減水劑Point-MS相比，減縮劑P-3水溶液的表面張力較低。

（4）通過對水泥凈漿水化過程的SEM和水化熱分析結果表明，摻入復合減縮劑P-3對水泥具有緩凝作用，使水泥漿的最大水化放熱峰出現時間后移，峰面積變寬，降低其水化放熱速率，從而抑制水泥的溫度收縮。