水工薄壁混凝土結構的SK-J減縮劑開發研究

高曙光，馬鋒玲,2，李秀琳,2

(1.北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038; 2.中國水利水電科學研究院 材料研究所，北京 100038)

1 概 述

在水利水電工程中，混凝土的收縮開裂一直沒有得到根本解決，很多混凝土工程都是在未拆模或剛拆模后就出現了裂縫[1]。收縮裂縫不僅會降低混凝土的剛度，影響混凝土外觀，降低混凝土防水防腐性能，甚至會引起鋼筋銹蝕，最終影響混凝土的性能發揮和混凝土的壽命。如何有效控制和防止混凝土裂縫的產生，特別是對混凝土薄壁結構物來說尤為關鍵。

混凝土的干縮裂縫需要從混凝土材料本身研究解決。混凝土在拌制中需要加入一定量的拌和用水，水泥水化用水只占水泥的25%左右，過多的拌和水一部分在混凝土澆筑過程中沿著模板滲出，一部分由混凝土表面蒸發掉。而混凝土內部大量毛細孔中的遺留水在混凝土硬化過程中，沿著毛細孔向外遷移并揮發，在遷移和揮發過程中由于表面張力的存在而引起混凝土內部收縮，當這部分收縮應力累計超過混凝土本體的拉應力時，就產生了干縮裂縫。

化學減縮劑為低黏滯度水溶性液體，摻入減縮劑可以降低混凝土本體內毛細孔中水的表面張力，從而減小毛細孔失水時產生的收縮應力，大大減少混凝土的干縮，有效控制混凝土早期收縮裂縫的產生。如果能使混凝土28 d干縮減少30%以上，對于薄壁混凝土建筑物的工程具有非常重要的意義。減縮劑需滿足以下技術要求：①能降低混凝土毛細孔中水溶液的表面張力；②在強堿環境下具有足夠的穩定性；③與其他外加劑具有相容性，不降低其它外加劑的性能；④硬化混凝土性能不下降；⑤較低的成本并易于存儲使用。

2 減縮劑合成試驗

本試驗的減縮劑是利用羥基化合物與環氧化烷烴合成醇醚類混合物。減縮劑與拌和水一起加入到混凝土中，在混凝土硬化后仍保留在直徑為2.5～50 nm孔結構中，可以降低混凝土毛細孔中水的表面張力，減小毛細孔失水時產生的收縮應力，從而減小混凝土的干縮，有效控制混凝土早期收縮裂縫的產生。原材料包括羥基化合物、環氧化烷烴、強堿和其它輔料。本研究選擇不同種類原材料，共合成出近30組單組分或多組分的醇類、醚類、聚氧乙烯類等不同配方的減縮劑，對合成的減縮劑通過水泥砂漿干縮試驗進行相對比較和篩選，并根據試驗結果不斷優化原材料、改進制備工藝，最終成功開發出SK-J減縮劑。

3 水泥砂漿干縮試驗

試驗按《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150-2001)中“水泥砂漿干縮(濕脹)試驗”方法[2]進行，對合成的近30組減縮劑進行對比試驗。試驗原材料采用基準水泥和標準砂，減縮劑摻量為膠凝材料用量的2.0%。通過試驗確定采用編號為49的減縮劑進行下一步的綜合性能試驗，其在2.0%、1.5%和1.0%不同摻量下的水泥砂漿干縮試驗結果見圖1。當減縮劑摻量從1.0%提高至1.5%時，可使水泥砂漿28 d干縮減少約17%；當減縮劑摻量從1.5%提高至2.0%時，可使水泥砂漿28 d干縮減少約32%。因此，49號減縮劑最佳摻量為1.5%～2.0%。

圖1 不同摻量49號減縮劑的水泥砂漿干縮試驗

4 勻質性試驗

依據國標《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077-2012)[3]，對減縮劑的勻質性進行檢測。該減縮劑為淡黃色液體，表面張力(20℃,1%)為35.0 mN/m，能明顯降低混凝土毛細孔中水溶液表面張力。其他性能為：密度0.95 g/cm3，pH值(20℃,5%)6.2，固含量100%，堿含量0.07%，未檢出氯離子。

5 混凝土性能試驗

水泥采用甘肅祁連山牌P.O42.5水泥，經檢驗性能符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2017)的技術要求。粉煤灰采用蘭州西固宏大熱電公司的粉煤灰，經檢驗，性能符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2018)的技術要求，屬III級粉煤灰。外加劑采用蘭州LRFH高效減水劑和KDSF引氣劑。試驗表明，LRFH高效減水劑在3.5%摻量下的減水率為19.4%，性能符合《混凝土外加劑規范》(GB 8076-2016)中一等品要求；KDSF引氣劑在0.008%摻量下的混凝土性能符合《混凝土外加劑規范》(GB 8076-2016)對引氣劑的要求。為進行抗裂性能對比，在混凝土體積穩定性及早期抗裂性試驗中采用聚丙烯晴纖維和鋼纖維進行對比試驗。聚丙烯晴網狀纖維長度24 mm，直徑16 μm，推薦摻量為0.9 kg/m3；鋼纖維長度60 mm，直徑0.75 mm，推薦摻量為35 kg/m3。骨料采用石灰巖人工砂和人工碎石，性能符合《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144-2015)的規定，砂細度模數為3.0。

混凝土指標按水工混凝土薄壁結構常用性能考慮，除強度外，還考慮了較高的抗凍性能和抗滲性能。具體指標為：抗壓強度等級C30，抗滲等級W10，抗凍等級F300；混凝土強度保證率為95%；28 d齡期極限拉伸值不小于100×10-6；坍落度控制在7～9 cm，含氣量控制在4%～6%。據此通過優化試驗確定了基準混凝土配合比，其28 d抗壓強度為39.9 MPa。在基準混凝土配合比的基礎上，摻減縮劑、纖維材料并對基準配合比進行調整，采用的配合比見表1。其中，摻減縮劑混凝土的和易良好，不離析、不泌水，摻減縮劑對新拌混凝土的凝結時間無明顯影響，對抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、抗壓彈性模量等影響很小。

表1 混凝土配合比及性能

5.1 混凝土的體積穩定性

混凝土干縮試驗試件為100 mm×100 mm×500 mm棱柱體。混凝土成型后2 d拆模，測定基長。混凝土干縮值由安裝在立式干縮架上的千分表測定。試驗室溫度控制為20±2℃，相對濕度為60%左右。混凝土干縮變形試驗結果見圖2。試驗結果表明，各種混凝土180 d干縮率除摻減縮劑的混凝土較低外(為347.7×10-6)，其它3組均在(384～396)×10-6之間，相差不大。混凝土中摻入1.5%減縮劑的28 d干縮率比基準混凝土降低約23%。

圖2 混凝土干縮試驗結果

混凝土自生體積變形是在恒溫絕濕條件下，由膠凝材料的水化作用引起的變形。自生體積變形試件為φ150 mm×500 mm圓柱體，試件中心內埋電阻式應變計，混凝土振實后用錫焊將筒密封，密封后立即放入恒溫室。自生體積變形量測采用比例電橋，根據測量電阻式應變計的電阻與電阻比及混凝土的熱膨脹系數來計算其自生體積變形。混凝土自生體積變形試驗結果見圖3。試驗結果表明，混凝土中摻入聚丙烯晴纖維和鋼纖維對混凝土自生體積變形無明顯改變，混凝土中摻減縮劑對減少混凝土的自生體積收縮變形具有一定的效果。

圖3 混凝土自生體積變形試驗結果

5.2 混凝土的早期抗裂性能

本試驗采用中國工程建設標準化協會標準《纖維混凝土結構技術規程》(CECS 38:2004)中附錄D“纖維混凝土和砂漿收縮裂縫試驗方法”(平板試件法)[4]進行，可反映混凝土塑性收縮、自收縮和干燥收縮引起的混凝土早期開裂傾向，但與溫度收縮關系不大。混凝土試件為600 mm×600 mm×63 mm的平面薄板。試件模具邊框為槽鋼，邊框內設Φ6間距60 mm的雙排栓釘，栓釘長度分別為50和100 mm，間隔布置。底板采用厚度為5 mm的鋼板，上鋪聚乙烯薄膜隔離層。當澆筑后的混凝土平板試件發生收縮時，四周將受到這些螺栓的約束，應力達到一定程度時，混凝土平板發生開裂。試件成型后置于環境溫度20±2℃、相對濕度為60%的試驗室中，2 h后各用1臺電扇吹試件表面，風向平行試件表面。成型24 h后觀察裂縫數量、寬度和長度。

各種混凝土的早期抗裂性試驗結果見表2。試驗平行進行了兩次，由于該試驗的重復性較差，表2中數據為兩次試驗結果之和，僅用于各種混凝土早期抗裂性優劣的相對比較，并不代表混凝土長齡期抗裂性的優劣。試驗結果表明，摻聚丙烯晴纖維和減縮劑對混凝土的早期裂縫有很好的抑制效果，可顯著減少混凝土早期塑性收縮裂縫和早期干燥收縮裂縫的數量，限裂等級均為一級。

表2 早期抗裂性試驗結果

6 結 語

混凝土中摻入減縮劑是從混凝土材料本體上來解決干縮問題，它能有效降低混凝土自身的干縮值，對減小混凝土的干縮裂縫十分有利。因此，它特別適用于有抗裂要求的薄壁混凝土結構中。本研究開發SK-J減縮劑具有明顯降低混凝土毛細孔中水溶液表面張力的作用，在強堿條件下能穩定存在，與常用減水劑、引氣劑具有良好的相容性，易于存儲和方便使用。水泥砂漿試驗結果表明，減縮劑摻量為2.0%時，水泥砂漿28d干縮減少率為54%；減縮劑最佳摻量為1.5%～2.0%。摻SK-J減縮劑混凝土的主要性能包括：①摻減縮劑對新拌混凝土無明顯影響，混凝土和易性良好，不離析、不泌水，凝結時間正常。②混凝土中摻入1.5%的減縮劑，對混凝土的抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度、抗彎強度等力學性能影響不大；對混凝土的極限拉伸和彈性模量影響不大，對抗裂有利。③混凝土中摻入1.5%的減縮劑，28 d齡期干縮率比基準混凝土降低23%，自生體積收縮可減少約22×10-6；摻入2.0%的減縮劑，可使混凝土28d干縮率降低30%以上。而混凝土中摻入聚丙烯晴纖維和鋼纖維對混凝土長期變形性能無明顯改變。④摻減縮劑可很好抑制混凝土的早期裂縫，顯著減少早期塑性收縮裂縫和早期干燥收縮裂縫的數量，限裂等級為一級。

致謝

本文得到新疆2019-2021年院士工作站合作研究項目新疆水專項(2020.C-004)的支持。