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混凝土因收缩而引起的开裂会导致混凝土的强度和耐久性大打折扣

发布时间:2019/8/6  新闻类别:公司新闻 点击次数:70

 混凝土因收缩而引起的开裂会导致混凝土的强度和耐久性大打折扣,从而缩短混凝土的使用寿命。混凝土尤其是高性能混凝土的收缩开裂问题已经引起了工程界的高度重视,聚羧酸减水剂虽在一定程度上降低了混凝土的收缩,但仍不能满足工程的需求,因此,减小混凝土收缩开裂的研究备受青睐。


     目前,人们主要通过以下几种措施来控制或减小混凝土早期收缩开裂:(1)通过综合优化配合比来降低收缩;(2)掺用减缩剂、纤维或膨胀剂来改善混凝土的塑性收缩抗裂性能或补偿混凝土的塑性收缩;(3)通过喷涂表面养护剂或早期湿养护来降低混凝土表面水分蒸发速率从而降低塑性收缩。目前国内研究合成的减缩剂主要有:以多羟基化合物为主要成分的 NA-SP 系列混凝土减缩剂;烷基聚氧乙烯醚为减缩成分的JM-SRA 系列混凝土减缩剂;冶金部建筑研究总院研制的有效成分为聚醚和脂肪族类有机物的 JSJ 型减缩剂;浙江大学建筑工程学院研制的ZZD-A 型减缩剂,其主要成分是甲醚基聚合物与乙二醇系聚合物。这些减缩剂的使用虽在一定程度上降低了混凝土的收缩但工程成本增加大,且合成工艺复杂。徐雪峰等研制的多功能聚羧酸减水剂能够大大降低水的表面张力,同时具有较高的减水率。因此,研究开发具有减缩和减水双重功能的减缩型减水剂是未来混凝土减缩剂的发展方向。


      本研究是在本公司原有的聚羧酸减水剂PCA-1 的基础上通过缩合反应引入减缩基团一缩二乙二醇单丁醚和叔丁醇,使合成的聚羧酸减水剂具有减缩和减水双重功能,旨在合成一种集减水和减缩于一体的聚羧酸减水剂。


1 实 验


1.1 主要原材料及仪器


      TPEG(2400)、马来酸酐(MAL)、浓硫酸,均为工业级;一缩二乙二醇单丁醚(JS)、叔丁醇(D)、过硫酸铵(APS),均为分析纯;水泥,P·O42.5,山东铝业集团水泥有限公司。


    全自动表面张力仪,青岛胜方分析仪器有限公司;HSP-540 型收缩膨胀仪,河北献县中标实验仪器厂。


1.2 合成方法


       向装有温度计、搅拌装置、球型冷凝管的四口烧瓶中加入一定量的顺酐、一缩二乙二醇单丁醚(或同时加入叔丁醇)和催化剂,加热升温至一定温度,保温反应 5.0 h,然后降温并向其中加入已称量好的TPEG、适量的水和链转移剂;搅拌5min,开始滴加引发剂溶液,并在 2.0 h 内滴加完毕;继续保温反应1.0 h 后降温,然后用30%的液碱中和至pH 值为6~7,即得减缩型聚羧酸减水剂SRA。


1.3 性能测试方法


1.3.1 表面张力


       减缩剂之所以能够减小混凝土的收缩是由于降低了混凝土毛细孔中水的表面张力,因此,先采用全自动表面张力仪对合成减缩剂的表面张力进行了分析。将水泥与水按液固比 5∶1 混合搅拌均匀,取上层清液作为减水剂 SRA 的溶剂与饱和 Ca(OH)2 溶液作溶剂时的表面张力进行了比较,发现饱和 Ca(OH)2 溶液与水泥水化时的环境比较接近。因此,以下试验采用饱和 Ca(OH)2 溶液来评价减水剂 SRA 的减缩效果。


1.3.2 混凝土试验


       混凝土收缩性按GBJ 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试,试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。混凝土强度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能测试试验方法》进行测试,试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。混凝土配合比为 m(水泥)∶m(粗集料)∶m(细集料)=1.00∶3.18∶2.27,水的用量根据国标规定进行调整,使得坍落度为(210±10)mm。


2 结果与讨论


2.1 JS 用量对SRA 表面张力的影响


        在 n(TPEG)∶n(MAL)=1.0∶3.5 的条件下,考察 SRA 表面张力随 JS 用量的变化。将饱和 Ca(OH)2 溶液中与纯水中的表面张力进行了比较,分析碱性环境对其活性的影响,结果见图1。




     由图 1 可以看出,SRA 纯水溶液中和其饱和 Ca(OH)2 溶液中的表面张力降低率变化规律基本一致,但饱和 Ca(OH)2溶液中的表面张力降低率要明显低于纯水中,这充分说明强碱性环境对SRA 的表面张力影响较大。这可能是由于碱性条件下亲水基部分的电离效果较好所致。从图1 还可看出,随着n(JS)∶n(MAL)的增大,表面张力降低率逐渐增大,这是由于随着JS 的增加,引入的减缩基团的数量增多,因而表面张力降低率增大。


2.2 引入第二减缩基团叔丁醇对表面张力的影响


       试验发现叔丁醇自身的表面张力较低且受碱性环境的影响较小,将叔丁醇与混凝土减水剂复配使用,不但可减小混凝土的收缩开裂,而且对强度基本没有影响。理论上引入叔丁醇可进一步降低体系的表面张力,因此,试验在 n(JS)∶n(MAL)∶n(TPEG)=1.0∶3.5∶1.0 的条件下,在第一步酯化反应时加入了叔丁醇试剂,n(D)∶n(MAL)=1.0∶3.5,并与不同原料合成的减水剂在饱和的 Ca(OH)2 溶液中的表面张力进行比较,结果见表1。




     由表 1 可见,相同浓度的饱和 Ca(OH)2  溶液中,本公司酯类聚羧酸减水剂PCA-2 的表面张力要比醚类聚羧酸减水剂PCA-1 的低,合成的减缩型聚羧酸减水剂SRA-1、SRA-2、SRA-3 的表面张力均低于公司现有的 PCA-1 和PCA-2,降低率最高可达31.35%,第二减缩基团叔丁醇的引入无论是复配还是合成时加入均可进一步降低表面张力,且在合成过程中加入效果要好于复配。根据减缩剂的作用机理可初步确定合成的减缩剂具有一定的减缩效果,在合成过程中引入减缩基团要优于复配时的效果。


2.3 减水试验


       用水泥砂浆流动度试验来研究其减水性能,试验配合比及试验结果见表2。




     由表 2 可见,在减水剂掺量为 0.6%时,PCA-1 和 PCA-2的减水率分别为27.2%和26.0%,而减缩型减水剂SRA-1、SRA-2、SRA-3 分别达到了 30.0%、31.7%和 31.7%;在相同条件下,SRA-2 与 SRA-3 相比,掺 SRA-2 砂浆流动度略大于SRA-3,并且 SRA-3 的气泡较 SRA-2 要多,因此,从砂浆试验也可看出,合成的SRA-2 性能要比复配的SRA-3 好,砂浆试验与表面张力的试验结果基本一致。


2.4混凝土减缩试验


      减缩型聚羧酸减水剂与酯类和醚类聚羧酸减水剂的混凝土减缩试验结果见表3。




    由表3 可见,在相同的条件下,减缩型减水剂SRA-1、SRA-2 和SRA-3 的坍落度及扩展度均比醚类聚羧酸减水剂PCA-1、酯类聚羧酸减水剂PCA-2 大,表明其减水率要高于二者;但含气量也略高、强度略低。SRA-1、SRA-2 和SRA-3 相比于PCA-1 的减缩率分别达到了33.8%、38.9%和35.8%,由于PCA-1 本身也具有减缩作用,所以合成的减缩剂的减缩率要远低于该数值。混凝土减缩试验结果与砂浆、表面张力的试验结果也基本吻合。


3 性价比分析


      在相同减水率的条件下,PCA -1 的原料成本约为5829.70 元/t,减缩型聚羧酸减水剂SRA 的原料成本约为5557.85 元/t,加上酯化反应时的能耗 150 元/t,减缩型聚羧酸减水剂SRA 较PCA-1 的成本低约120 元/t。减缩型减水剂具有一定的减缩效果,因此,性价比要高于PCA-1。


4 结 语


      聚羧酸减水剂能够降低液体的表面张力,因此具有一定的减小混凝土收缩开裂的性能,但仍远不能满足工程要求。本试验合成的减缩型聚羧酸减水剂,可显著地降低水的表面张力,虽然碱性环境对其表面张力影响较大,但混凝土减缩试验表明其具有较好的减缩效果,与本公司的醚类聚羧酸减水剂PCA-1 相比混凝土的减缩率可达33.8%;第二减缩基团叔丁醇的引入可进一步降低混凝土的收缩率,合成的效果要明显优于复配的效果,同时合成的减缩剂用于混凝土时,对混凝土的强度影响较小,性价比较高。


     由于受试验条件的限制,合成减缩剂的分子结构、分子质量、最佳合成条件、减缩作用机理以及与其它的外加剂和水泥等的适应性还需进一步地详细研究。


 
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