新型聚合物内养护材料对高强混凝土自收缩影响研究

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

新型聚合物内养护材料对高强混凝土自收缩影响研究
刘荣进，丁庆军，陈平
(1．武汉理工大学材料学院，湖北武汉430070；2．桂林理工大学材料学院，广西桂林541004；
(3．桂林理工大学有色金属及材料加工新技术省部共建教育部重点实验室，广西桂林541004)
摘要：内养护(internal curing)是抑制高强混凝土
自收缩研究的热点。研究了新型内养护材料对高强混
凝土自收缩的影响规律，通过孔结构分析了内养护作
用机理。结果表明，内养护材料用量20～25 kg／m。、
粒径<100／,m 时，抑制自收缩效果较佳。当混凝土中
有锰渣微粉和粉煤灰时，内养护材料(internal curing
agents)可与之发挥协同抑制效应。压汞分析证实，内
养护减少了混凝土中对收缩不利的9～5O nm毛细孔
数量，增加了9 nm 以下凝胶孔数量。
关键词：内养护材料；自收缩；孔结构
中图分类号： TU528 文献标识码：A
DOI：10．3969／j．issn．1001-9731．2013．24．010
1 引言
近3O年来，混凝土高强化、高性能化、绿色化已成
为国内外混凝土技术发展的主要趋势，采用低水胶比、
超细胶材、矿物掺合料、高效减水剂等是实现这些目标
的基本手段。但这些旨在优化普通混凝土性能的方法
往往成为现代混凝土早期开裂的主要原因，不仅使普
通混凝土过去未受重视的自收缩(autogenous shrink—
age)问题受到广泛关注口]，也导致现代混凝土如高强
混凝土、自密实混凝土等的自收缩变得更为突出_2 ]。
自收缩过大，轻则在混凝土内部产生大量微裂缝，重则
导致受约束混凝土的贯穿性开裂，已经成为影响现代
混凝土发展的突出问题 ]。内养护(internal curing)
可实现高强／高性能混凝土(HSC／HPC)充分水化、缓
解自收缩，是一种极具潜力的抑制混凝土早期开裂的
前沿技术。内养护材料(internal curing agents or in—
ternal curing materials，简称ICA或ICM)是内养护的
关键，本文拟将自制新型聚合物内养护材料验证应用
于高强混凝土并考察其对自收缩的影响，分析其作用
机理。
2 实验
2．1 原材料
自制淀粉／丙烯酰胺一2一丙烯酰胺基一2甲基丙磺酸
聚合物内养护材料(ICA，如图1所示)，吸去离子水倍
率为271 g／g，吸合成孔溶液倍率为87 g／g，用自来水
饱和吸水后备用；华新P．O 52．5水泥(C)，比表面积
为369．2 m。／kg，3和28 d抗压强度分别为34．3和
60．5 MPa；贵州海天硅灰(SF)，比表面积为22 205
m ／kg，密度为2．2 g／cm。，28 d活性指数为123 ；桂
林康密劳锰渣微粉(MS)，比表面积为440 m。／kg，需
水量为102％，7 d活性指数为54．8 ，28 d活性指数
为80．1 ；镇江谏壁苏源Ⅱ级F类粉煤灰(FA)，比表
面积为454 m ／kg；上海三瑞vivid 5高效减水剂
(SP)，减水率为25 ～3O ，掺量为0．8 (占胶材质
量分数)；粗集料粒径为5～ 25 mm；砂细度模数为
2．8，含泥量<1 ，均来自武汉本地。各原料主要化
学成分见表1。
_·¨O
H2sO3H
CH3一 — CH3
o— I{I—H
I
C= O
一： c
CONH．
图1 内养护材料结构单元
Fig 1 Structure unit of ICA
表1 原材料化学成分
Table 1 Chemical compositions of raw materials
原材料 A12O 3 CaO MgO Si02 TiO2 SO 3 F0z03 其它
水泥( ，质量分数) 4．67 62．6O 3．O8 21．35 —— 2．25 3．31 2．74
粉煤灰( ，质量分数) 34．78 2．8O O．59 5O．95 1．64 O．67 4．13 4．44
锰渣微粉( ，质量分数) 16．42 37．62 6．52 24．O5 9．4 O．48 1．23 2．98
硅灰( ，质量分数) 0．27 O．54 0．91 94．48 _—— —— 0．87 1．9
* 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51202039)；广西自然科学基金资助项目(2012GXNSFBA053157)；广西科学研究与技
术开发计划资助项目(桂科攻1348011-2)
收到初稿日期：2013～02—26 收到修改稿日期：2013—04—08 通讯作者：丁庆军
作者简介：刘荣进(1978一)，男，贵州岑巩人，副教授，在读博士，从事混凝土功能外加剂研究。
3562 助锨材料 2013年第24期(44)卷
2．2 实验方法
采用GB／T 50082—2009所述非接触法测定内养护
混凝土(internal curing concrete，ICC)早期(初凝～7
d)自收缩，在浙江舟山博远CABR—NES／EI收缩仪(如
图2所示)上带模测试。试件规格为100 mm×100
mm×515 mm，实验温度(20±2)℃ 、相对湿度为(6O
土5) 。试模内刷油，铺设两层塑料膜，每层刷油，反
射标靶固定在试模两端。ICA在实验前2 h预吸水得
到凝胶，经滤干、搅拌、解碎。拌合时间比普通混凝土
延长60~90 S，浇筑后立即用塑料薄膜密封覆盖。
c==芹一——
固定架／／
试模传感器探头／
·厂一— 一一
图2 非接触法混凝土收缩仪
Fig 2 Non—contactmethod determining apparatus
2．3 内养护混凝土设计配合比
采用C50高强混凝土，配合比见表2。
表2 混凝土配合比
Table 2 Concrete m ix proportion
材料用量(kg／m。) 强度(MP
a)
编号基准用水内养护凝胶水泥砂石锰渣／粉煤灰减水剂水胶比
W ICA gel C S G MS／FA SP (W +We)／B 3 d 28 d
CO1 168 0．0 48O 675 1 O15 f 3．8 O．35 41．2 63．6
CO2 168 1lI 5 48O 675 1 O15 3．2 0．35 41．9 62．1
CO3 168 22．9 48O 675 1 O15 | 2．8 0．35 40．2 65．1
CO4 168 45．9 480 675 1 Ol5 7 1．6 O．35 37．0 59．3
CO3—1 168 22．9 480 675 1 O15 I 2．8 O．35 f {
CO3—2 168 22．9 480 675 1 O15 2．8 0．35 f }
CO3—3 168 22．9 48O 675 1 O15 ／ 2．8 0．35 } }
CO5 168 22．9 48O 675 1 015 i 2．8 0．35 39．8 63．5
CO6 182．4 22．9 480 675 1 O15 f 1．4 O．38 37．6 60．8
CO7 196．8 22．9 480 675 1 O15 } O．5 O．41 35．1 57．4
CO8 168 22．9 408 675 l O15 72／* 2．8 O．35 37．8 62．5
CO9 168 22．9 408 675 1 O15 *／72／* 3．0 0．35 38．2 61．9
C10 168 22．9 408 675 1 O15 *／72 3．2 O．35 39．5 62．8
说明：(1)因凝胶中水分不会完全释放用作内养护水，所以将内养护凝胶用量用有效释水率p(73．2 )进行了换算，所以表中
第三列实为内养护凝胶数据；(2)CO1、CO2、CO3、C04分别指代内养护水为基准用水量的0 、5％、10 、20 ，即M。c分别为0、
11．5、22．9、45．9 kg／m。；(3)C03—1、C03—2、Co3—3分别指ICA平均粒径分别为75、100、150 fm；(4)C06、Co7分别指代水胶比(w
+肌)／B(w、We分别指基准用水、内养护水)为0．38、0．41；(5)Co8、C09、ClO分别指代锰渣、粉煤灰、硅灰等3种矿物掺合料。
3 内养护材料掺入方式
根据GB／T 8077—2008中跳桌法测定砂浆流动度，
进而推测内养护材料应用于砂浆和混凝土时最可能的
掺入方式。按ICA和水的加入顺序，分先掺法、同掺法、
后掺法3种掺入方式。先掺法是将粉末状ICA与胶凝
材料先干拌，然后再加水湿拌；同掺法是将粉末状ICA
预先饱水形成凝胶，然后其与水混合均匀后同时掺入干
拌合物湿拌；后掺法是将除ICA外的其它干料先加水湿
拌，然后加入内养护凝胶再次湿拌。数据如表3所示。
表3 内养护砂浆流动度数据
Table 3 Flow fluidity of internal curing mortars
水掺泥水标准砂 ICA 减水剂流动度
入方法
(g) (g) (g) (g) (g) (mm)
先掺法 45O 18O 1 35O 0．21① 3．5 16O
同掺法 45O 18O 1 35O 24．5② 3．5 19O
后掺法 450 18O 1 35O 24．5e 3．5 175
注：① 指粉末状ICA用量；② 指凝胶状ICA用量，经有效释
水率换算，其中，内养护水等量替代基准用水的1O 。
由表3可知，先掺法砂浆流动度最小，其次是后掺
法，同掺法流动度最大，表明ICA 掺入方式对内养护
砂浆流动度有明显影响。采用同掺法时砂浆流动度处
于正常水平；采用后掺法时流动度下降较多，砂浆较
稠；采用先掺法时流动度进一步降低，稠度明显增大，
表明粉末状ICA与砂浆适应性欠佳。另外，在内养护
水等量替代基准用水时，ICA采用同掺法和后掺法均
未出现泌水情况，表明凝胶状ICA 与砂浆适应性较
好。分析认为，ICA凝胶的流体状态特征可能减少了
砂浆拌合物的屈服应力，浆体更易流动；而粉末状ICA
本身易吸水，加水后与水泥存在“竞争性”吸水，减少了
本来用于润滑水泥颗粒的水分，砂浆流动性因此变差。
综上所述，ICA在砂浆和混凝土中使用时以同掺法(即
凝胶状掺入)为宜。
4 掺聚合物内养护材料混凝土自收缩研究
4．1 掺量影响
内养护水量分别为混凝土基准用水量的0、5 、
10 、20％，即内养护水分别为0、8．4、16．8